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超临界压力下航空煤油结焦换热综述及实验

点击:2226 日期:[ 2014-04-26 21:39:59 ]
                     超临界压力下航空煤油结焦换热综述及实验                           朱 锟,邓宏武,王英杰,徐国强     (北京航空天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力科技重点实验室,北京100191)     摘要:综述了航空发动机CCA(cooled cooling air)冷却方式,对利用航空发动机外涵空气和航空煤油作为冷源两种不同技术路线的技术效能进行了对比,结果表明后者具有明显的优势.对国内外超临界压力下航空煤油结焦机理、结焦影响因素、结焦抑制以及换热、流动特性研究现状进行了综述,结果表明煤油温度、压力、表面材料对结焦有影响作用,加入相应添加剂可以有效抑制结焦,流动不稳定的影响因素以及浮升力对换热影响的判据.针对国内燃油RP-3进行了超临界流动结焦、静态结焦、以及流动换热的初步实验研究,结果表明压力、进口温度、材料表面特性影响煤油热氧化结焦,质量流量、流动方向、实验段弯曲对煤油换热有所影响.     关键词:CCA (cooled cooling air);航空煤油RP-3;超临界压力;燃油结焦;换热特性     中图分类号:V312+·1     文献标识码: A     文章编号:1000-8055(2010)11-2472-07     世界各国航空工业呈高速发展态势,推动着航空发动机的快速更新换代,不断改善提高航空发动机的性能.但是,航空发动机性能的提高要求更高的涡轮前温度和更大的增压比,这大大增加了发动机的热负荷.从航空发动机涡轮前温度的逐年变化趋势可以看出,涡轮前平均温度从上个世纪50年代的1100K发展到今天接近2100K,预期2020年将达到更高,压比将提升到30以上.随着压气机压比的提高,压气机出口的气流温度也有所提高,对于推质比8一级的军用发动机,压气机出口温度已达800K左右,使得高温部件冷却气体温度较早期发动机有所上升,其冷却能力下降.因此,航空发动机热端部件的冷却问题就成为制约发动机性能、寿命、可靠性的重要因素.目前,依靠现有的冷却技术和发展耐高温材料,难以满足现有航空发动机性能的需要.从传热学的角度看,在材料耐温程度、冷气用量和冷却结构都无法大幅变化的情况下,最有效地出路就是降低冷却空气自身的温度.因此,使用航空发动机外涵空气、航空燃料作为冷源降低涡轮冷却空气温度(cooled cooling air,简称CCA),提高其冷却品质这一新的思想)得到了世界诸多研究机构的关注[1-5].     1 CCA技术概述     1.1 CCA冷却方式     CCA冷却方式主要分为两种:一种是在航空发动机外涵道内布置外涵空气-冷却空气换热器(以下简称空-空换热器),利用外涵空气降低冷却气体温度;另一种是在航空发动机中布置空-油换热器,利用航空燃料作为冷源冷却气体.文献[6]在高压压气机出口温度为723 K,高压涡轮进口温度为1670K的情况下,通过置于外涵的空-空换热器使冷却气体的温度降低了150~170K.但是,空-空换热器在降低冷却空气温度的同时,也存在使用的弊端.空-空换热器一方面造成发动机外涵空气温度的上升,另一方面造成外涵空气和涡轮叶片冷却空气的压力损失.于是,上世纪80年代美国空军提出了以燃料代替外涵空气作为冷源的思想.即利用航空煤油热沉,通过冷却空气-燃油换热器(以下简称空-油换热器)提高气体的冷却品质,进而提高其对高温涡轮部件的冷却效率.由于航空煤油吸热能力很强,比热容远大于空气,以美国JP-8军用航空煤油为例,1 kg该航空煤油从常温298 K加热到800 K,吸热量达到1600kJ.而相同质量的空气,升高同样的温度,吸热量仅为507kJ左右.通过对比可以看出,利用航空煤油作为热沉的CCA技术思想,有着很大的冷却潜力.     1.2 CCA技术效能     在航空发动机涡轮部件设计中,需要根据给定的发动机循环参数Tgas、材料的耐热特性Tmetal和冷却气体的温度Tcool来确定其所需的冷却效率:                     从而根据所需的冷却效率进一步确定冷却方式和冷气用量.从1.1节中可以看出,CCA技术可以有效降低冷却气体的温度,在循环参数和材料耐热特性不变的情况下,降低设计过程中所需的热端部件的冷却效率,减少冷却气体用量.从另一方面来讲,在现有的冷却结构和耐热材料的基础上,引用冷却品质较高的冷却气体来冷却热端部件,可以允许较高的循环参数,为发动机性能的提升,提供了较大的可升空间.图1表明,CCA冷却方式相对传统冷却方式有明显的优势[2].研究表明,在涡轮前温度为2093K,高压压气机出口温度约1 143 K的条件下,由于单晶材料最高耐热温度为1339 K,导致高压涡轮所需冷却效率高达0.84,其冷却气体用量占发动机内涵冷却气体总量的约9.2%.利用CCA冷却方式,通过空-空换热器,使冷却气体温度降低约366K后,高压涡轮所需冷却效率下降至0.77,同时冷气用量占内涵气体的6.8%.采用空-油换热器,利用燃料的高热沉,可以使冷却气体温度降低约477 K,这使得高压涡轮所需冷却效率下降至0.72,同时冷气用量降低至内涵气体的5.3%.可以看出,采用CCA技术,降低了高压涡轮部件所需的冷却效率,减少了冷却气体用量,对发动机热端部件的冷却起到了积极的影响.同时,通过对比可以看出,利用空-油换热器可以获得更大的性能提升.另一方面,采用空-油换热器冷却CCA技术后,燃料系统压力高于燃料的临界压力,同时温度上升至超临界状态,燃烧室为超临界燃烧室,燃料雾化效果提高,燃料燃烧效率提高,燃烧室长度缩短.总体来说,采用燃料冷却CCA技术有较大的优势空间.                   1.3 航空煤油CCA冷却方式技术难点     利用航空煤油作为冷源,提升高温部件冷却气体冷却品质的同时,燃料本身温度大幅上升.航空煤油在温度高于423K后将会产生氧化沉积结焦,温度高于723K时开始裂解沉积结焦[3].煤油结焦会增加传热元件的热阻,使得传热元件局部温度过高而烧蚀,甚至堵塞油路和喷嘴,造成发动机的燃料系统失效,产生严重后果.     航空煤油的临界温度为645.5 K,临界压力为2.390MPa[7].航空燃料系统压力约为3.45~6.89 MPa[8],高于航空煤油的临界压力.飞机在起飞、慢车、巡航、加力等不同状态下,发动机的热负荷不同,航空煤油与冷却空气换热时的吸热量也不相同,因此航空煤油将经历液态、气态、超临界态三种不同的工作状态.煤油在拟临界点(压力高于临界压力时,比热容达到峰值时的临界点)附近热物性发生剧烈变化,具有气态的扩散速率、黏性和液态的密度,呈现出不同于一般强制对流的流动传热特性.流体物性的这种剧烈变化对流动和换热特性造成了巨大的影响.     因此,对不同状态下航空煤油的物理性质、结焦特性、换热规律的研究以及空-油换热器的优化设计成为CCA技术得以成功运用的必要基础.     2 航空煤油结焦换热特性研究现状     2.1 航空煤油结焦机理及影响因素     航空燃料结焦问题是CCA技术实际应用需要解决的关键技术之一.国内外Alhotra等[4],Yu和Eser[9],Rice[5],Kossiakoff等[10]对结焦机理进行了深入的研究.根据燃料反应机理,碳氢燃料的热分解结焦反应主要分为热氧化结焦反应和热裂解结焦反应.     Alhotra等[4]认为在热氧化反应过程中,燃料中的溶解氧(暴露在空气中的溶解氧饱和量约为70 mg/kg[3])通过自由基链式反应机理,与燃料中烷烃链比较活跃的基和氢反应形成氢过氧化物,氢过氧化物自由基还可能发生其他反应类型,如岐化、分解、异构化反应.在反应的进程中,烃的氧化产物(氢过氧化物、醇类、酮类等)不断的蓄积,并受到过氧化物自由基的攻击.一方面它们不断地消耗,并生成新结构的过氧化物;另一方面,还改变(复杂化)基团的组成,最终生成醇、醚、有机酸等各种复杂产物.随着反应的加深,这些复杂的产物增加了燃料的黏度,进而经过聚合、缩合、凝结,形成胶状固体沉积物.一旦结焦形成,碳沉积的速度就会越来越快,直至氧消耗完.     Yu等[9]认为在燃料热裂解反应过程中,大量研究认为烃类裂解是按着自由基反应机理进行的.反应过程包括链引发、链增长和链终止三个阶段.三个过程中包含了脱氢、断链、二烯合成、异构化、脱氢环化、脱烷基、迭合、岐化、聚合、脱氢交联和焦化等一系列复杂的化学反应,形成数十种乃至上百种的裂解产物.Rice[5],Kossiakoff等[10]研究发现在热裂解体系中有两种不同过程导致碳沉积:首先温度超过723K燃料热分解会产生一系列的自由基同时产生碳沉积;其次燃料会和金属表面反应生成丝状碳.     各国在结焦机理研究的基础上,开展了大量的结焦影响因素实验研究.Chin等[11]根据燃料的温度和反应机理认为燃料结焦分为三个阶段:在燃料温度低于570K时,燃料只发生热氧化结焦反应,并且不断消耗燃料中的溶解氧.当燃料温度处在570~770K时,热氧化结焦反应和热裂解结焦反应共存,在接近700K的时候沉积率达到最大值.当燃料温度高于770K时,燃料发生热裂解结焦反应,主要生成含碳的固体沉积物.随燃料温度的升高,分解率随之升高,积碳量也会增加.Spadaccini等[12]研究表明燃料温度是影响航空煤油结焦的主要因素,在约589K的时候热氧化造成的碳沉积接近顶峰,超过这个值后由于氧的消耗热氧化结焦反应开始下降,沉积率开始下降,在接近700K的时候热分解沉积开始.输运/扩散反应物到壁面是碳沉积另一个主要原因,由于此时的湍流雷诺数较低,增强湍流加强换热,但是由于传质的加快会增加氧化沉积速率,因此增加流动速率通常会增加氧化沉积时的碳沉积速率,相反扩大流动通道会有所改善.在低雷诺数下驻留时间对碳沉积的影响是一个次要因素.     Watt和William等[13-14]研究表明,压力对燃料的结焦反应有一定的影响.前者在压力范围0·017~4.24MPa内发现,随着压力的增加,结焦总量和局部的结焦量都有所降低,并且结焦峰值往下游移动.后者在压力范围1.8~7.0MPa内进行了两种不同燃料的实验,发现压力的增大对其中一种燃料有抑制结焦的作用,但是对另一种燃料没有影响.由此可以进一步推断出,不同燃料成分在结焦反应过程中也存在着差异.     Jones等人[15]研究了表面材料对结焦的影响,发现对表面进行钝化处理之后能够降低结焦速率,并利用16种燃料实验,验证了金属表面对氧化结焦的催化作用,能够加速煤油结焦,但当表面附着一层焦炭之后,这种作用又减弱了.     2.2 结焦抑制措施     目前,抑制结焦的措施主要包括燃料精制、燃料脱氧、加入添加剂和系统表面改性.影响燃料热稳定性最根本的因素是燃料本身的化学组成,因此可以采用燃料精制的方法来提高燃料的热稳定性.但是,对航空燃料进行精制一方面延长了燃料的生产周期,另一方面提高了燃料生产、使用成本.相对而言,在现有燃料的基础上解决结焦问题更具有意义.其次,在燃料的氧化结焦过程中,燃料中的一些成分主要和溶解氧反应生成胶状物,进而凝聚产生颗粒状结焦,所以其中的溶解氧含量对其结焦产生了一定的不利影响[9].通过燃料脱氧可以有效地抑制氧化结焦的形成.再次,针对燃料不同组分的结焦反应机理,向燃料中加入添加剂来抑制结焦的方法已经得到了初步的成效.美国在热稳定实验装置EDTST (extended dura-tion thermal stability test)[16]对航空煤油JP-8+100的评估结果表明,添加剂对燃料的结焦抑制起到了积极的作用[17].最后,燃料系统和反应器表面材料改性也是抑制结焦的有效手段.改变材料表面的化学特性,降低材料表面的粗糙度,可以降低其对燃料结焦的催化活性,降低高温煤油在疏松空隙中的驻留时间,从而降低结焦量,有待进一步的研究.     2.3 航空煤油流动换热特性的研究     Linne等[18]通过对不稳定性影响因素及初期实验的详细分析,得到影响单管超临界流动不稳定性的5个变量分别是:实验段长度、实验段内径、质量流量、入口温度、热流密度.由此看出,航空煤油流动过程中的不稳定性是多个影响因素共同作用的结果,各影响因素之间也存在联系,因此分析单一影响因素对流动不稳定造成的影响较为困难.Hitch等[19]对流动不稳定性做了大量的研究,发现在高热流密度(250 kW/m2)以及湍流(Re≈30000)条件下竖直上升管的实验中发现,超临界煤油JP-7在相对压力(p/pcr)小于1.5,同时壁面温度在拟临界温度以上时存在较大的流量、压力、温度脉动.当相对压力约为2时,煤油JP-7在相同的流动状态,无脉动情况下,会发生传热恶化现象,对流换热系数相对正常强制对流换热下降1/5,导致壁面温度急剧升高.同时指出,在临界区域内,保证相对压力至少大于2,Gr/Re2.7<10-5时,就可以有效避免传热恶化现象的发生.Bazargan[20]通过超临界水流过水平管的实验发现,浮升力是影响超临界压力下传热复杂性的主要影响因素之一.并且,经过对比指出利用Grq/Grth作为浮升力影响的判据较为准确.其中:                   i和T分别为焓值和温度值.当Grq Grth时,浮升力的作用明显,水平管上表面出现传热强化,使得上下表面的温差增大;当Grq<Grth时,浮升力的影响可以忽略.     3·航空煤油CCA冷却方式实验研究   北京航空航天大学气动热力科技重点实验室进行了相关实验研究,针对RP-3的结焦和换热研究建立了超临界压力下航空煤油RP-3流动、静态结焦、换热实验台,开展了以下几个方面的实验研究:①航空煤油RP-3吸热能力分析;②超临界压力下煤油流动、静态结焦影响因素的实验研究;③对添加剂、表面改性的结焦抑制方法进行实验评估;④超临界压力下煤油换热特性的初步研究.     3.1 RP-3航空煤油结焦影响因素     实验在超临界航空煤油结焦流动、静态实验台进行(如图2、图3所示),结焦量采用称重法测量.通过研究进口雷诺数、驻留时间、进口温度、压力、表面材料等物理、化学影响因素对结焦的影响规律,探索超临界压力下煤油的结焦机理,进而采取相应的有效措施进行抑制.                          流动结焦实验过程中发现,对于不同进口压力、进口温度、进口质量流量对RP-3的管壁结焦速率及结焦总量均有所影响.其中,不同进口压力、不同进口温度下RP-3管壁结焦速率曲线形状基本相同,但随着压力、进口温度的增大,结焦速率峰值有逐渐往下游移动的趋势.实验结果表明,压力的提高对结焦总量抑制作用,进口油温的升高使结焦总量有所增加.另外,RP-3的管壁结焦速率随着进口Re的增加而升高[21-22].     此外,利用上述实验设备完成了多种添加剂对RP-3结焦抑制效果的评估.实验结果表明,添加剂E50和E25对煤油中产生氧化结焦的主要成分起到了很好的抑制作用,煤油结焦速率曲线中结焦速率波峰几乎完全被消掉,只是在实验段的高温部分结焦速率略有上升.同时,使得管壁结焦总量分别降低了52%和57%.     静态结焦实验过程中发现,不同材料以及相同材料不同表面处理后的金属挂片对超临界压力下航空煤油RP-3的结焦影响很大.不锈钢321(1Cr18Ni9Ti)相比不锈钢304(1Cr18Ni9),挂片表面结焦降低了43.1%.以不锈钢304为标准,挂片表面不同钝化处理方法对结焦抑制的作用从大到小依次是:电解钝化(84.9%)>酸洗钝化(76.2%)>磷化钝化(42.7%).挂片表面经过不同温度氧化过程后,对结焦也产生了抑制作用:1023.15K(90. 8%) > 723. 15 K (85. 2%) >873·15K(79.5%)>573.15K(58.7%),同时,从实验前后氧化材料表面颜色的变化可以推断材料表面氧化层在实验过程中被腐蚀,抑制了材料表面结焦的生成,因此表面氧化层的耐蚀性(化学稳定性)成为材料氧化处理抑制结焦方法的制约因素.     3.2 RP-3航空煤油换热特性研究     为了更好地研究空-油换热器的流动换热规律,建立超临界航空煤油换热实验台(如图4所示),对煤油流动与换热的不同变量:压力、实验段长度、实验段弯曲直径(直管、U型管、蛇形管)、实验段内径、进口温度、质量流速以及热流密度等进行实验研究分析,从而获得RP-3的流动换热规律.                         实验管路通过稳压直流电源对实验不锈钢管管电阻直接加热,因此可以看做均匀热流.由实验数据可以看出,质量流量、实验段弯曲情况对煤油换热有所影响.由图5可以看出,在竖直管的流动实验中,实验段长度1m,进口压力5MPa,均匀热流加热情况下,煤油沿实验管轴向温度逐渐升高,密度逐渐降低,流速升高,Re增加,使得表面传热系数总体呈上升的趋势.在小流量下(2g/s)和大流量(4g/s)情况下,U型实验段弯头处均出现明显的换热强化.初步分析可能引起换热强化的原因有两个:①实验段的弯曲,造成局部电阻增加,使得煤油局部热负荷提升,煤油温度超过临界温度时,热物性在临界点附近出现剧烈的变化,浮升力的作用强化了换热.②实验段的弯曲造成管内航空煤油在此处受到离心力的作用,使得管内弯曲段内、外侧的湍流度不同,造成二次流,削弱了管壁内侧的热边界层,引起换热强化.同时,在实验段后半段(x/L≥0.7)表面传热系数升高的速率明显增加,这时燃油温度高于超临界温度,但超临界压力下煤油换热强化的机理尚不明确,进一步的验证工作正在进行中.计划在下一阶段,针对不同影响因素继续开展实验研究,进一步分析不同工况下煤油换热强化和换热恶化的机理,掌握超临界压力下煤油的换热规律.     3.3 空-油换热器的初步设计     研究获得航空煤油的结焦、换热机理是指导完成空-油换热器设计工作的基本要求.通常,在换热器的设计过程中,无论是平行通道、交错通道,都是以单管的流动换热特性作为研究对象展开的.如前所述,空-油换热器的设计受到航空煤油高温(≥423.15K)结焦反应的制约,所以在换热器的类型、换热流道的几何参数、换热器内流体的流动方式、压力损失等方面进行综合考虑,以期达到降低煤油结焦对换热效率的影响水平,提高换热器总体换热效率的目标.文献[12]通过对比表明,JP-8在不同流道中的结焦换热情况存在较大差别,其中在质量流量0.44 g/s,压力4.14MPa,进口温度488.71K,出口温度802.59K的条件下,JP-8在含有肋片的变横截面积(从大流通面积到小流通面积)的换热管道中,压力损失、结焦量最小,同时具有最高的换热效率.     4 结 论     1)空气-燃油换热器的使用可以有效地提高冷却气体的冷却品质,进而降低了航空发动机高温部件材料的耐热强度要求.同时,对高温部件冷却效率的要求也有所降低.     2)航空煤油超过423.15 K会发生结焦反应,造成换热管壁温度上升,影响空气-燃油换热器的换热效率,严重时会堵塞燃料通道.因此,对超临界压力下煤油结焦换热规律的实验研究是CCA技术得以成功运用的基础.     3)下一阶段将继续开展结焦换热规律的基础机理研究,更好的发掘CCA技术运用的潜力.     参考文献:略
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