煤基与石油基航天煤油掺混理化性能

2019-05-08兰海平杜宗罡朱成财符全军

火箭推进 2019年2期

韩伟，杨超，兰海平，于君，杜宗罡，朱成财，符全军

(西安航天动力试验技术研究所，陕西西安 710100)

0 引言

大推力液氧煤油发动机和重型运载火箭是未来航天技术的发展方向，作为其主推进剂的航天煤油需求量日益增加，且呈逐年增加趋势[1-5]。作为现役石油基航天煤油的备份和替代者，煤基航天煤油应用于型号研制与发射活动时，必然会遇到与石油基航天煤油掺混、相互代用的问题。因此，开展不同比例掺混煤油的理化特性测试，研究两种煤油的掺混特性，对于降低用户油品替换成本和难度，具有十分重要的意义。

从理论上分析，石油基航天煤油和煤基航天煤油均以环烷烃为主、链烷烃为辅，并含有极少量芳烃，化学性质非常稳定[6-10]。在无外界激励源的情况下，自身难于发生反应。从物理性质方面来说，两种煤油中环烷烃、链烷烃、芳烃均为烃类，属于弱极性物质，根据相似相溶原理，相互溶解性好，石油基航天煤油和煤基航天煤油长时间放置也不会存在分层等现象。

本文研究了煤基航天煤油以不同比例与石油基航天煤油掺混时的理化性能，按照GJB 8087—2013《液体火箭发动机用煤油安全应用准则》要求测试，分析了掺混后煤油指标合理性[11]。

1试验条件

1.1 样品及测试设备

煤基航天煤油为西安航天动力试验技术研究所研制的201801批煤基航天煤油；石油基航天煤油为新疆克拉玛依石化研究院生产的航天煤油。试验所用的主要仪器设备如表1所示。

1.2 试验内容

将煤基航天煤油按照不同比例与石油基航天煤油掺混，其中煤基航天煤油所占质量比分别为0，5%，10%，30%，50%，70%，90%，95%，100%。9个样品分别以CB0，CB5，CB10，CB30，CB50，CB70，CB90，CB95，CB100表示。分别测定其密度、馏程、运动粘度、结晶点、闪点、碘值、实际胶质、芳烃含量、总硫含量、铜片腐蚀、酸度、水分、机械杂质。测试方法如表2所示。

表1 主要实验仪器设备

表2 油品理化性能测试方法

2 结果分析

2.1 互溶性

将CB0，CB5，CB10，CB30，CB50，CB70，CB90，CB95，CB100不同掺混比的掺混煤油密封于量筒中，在它们的结晶点之上观察煤基航天煤油与石油基航天煤油在不同温度下的互溶性。把以上油样在温度为-60℃，-40℃，-20℃，0℃，20℃，40℃下各放置24 h，观察油品是否发生分层。

试验结果显示，随着煤基航天煤油掺混比的增大，各油样无分层现象发生，不必添加助溶剂，两者就能以任意比例互溶。这主要是由于煤基航天煤油与石油基航天煤油主要组成均为链烷烃、环烷烃，根据“相似相溶”原理，二者在试验条件下具有良好的互溶性。

2.2 密度

密度是燃料最重要的参数之一，燃料的大部分物理化学性质与密度之间都存在某种内在关系。相同碳原子数的烃类，烷烃密度最小，芳烃密度最大，环烷烃密度居中[12]。因而GJB 8087—2013中对密度要求也确定了航天煤油构成中环烷烃、芳烃、烷烃含量都在一定范围内。采用SY-02型石油密度计，测定了煤基航天煤油掺混量不同时的密度，结果如图1所示。

图1 掺混煤油的密度与煤基煤油含量关系Fig.1 The relationship between density of blended kerosene and content of coal-based kerosene

根据试验数据，得出煤基航天煤油与石油基航天煤油掺混煤油密度的经验计算公式：

ρ=832.53+0.005 2x+6.534 0×10-5x2-

5.995 3×10-7x3

(1)

式中：ρ为掺混后煤油的密度，kg/m3；x为煤基航天煤油的掺混比，%。

从图1可看出，随着煤基航天煤油含量增加，密度也在逐步增加，从832.5 kg/m3直到833.1 kg/m3，但均在GJB 8087—2013要求范围内(GJB 8087—2013要求20℃时，航天煤油密度为830.0～836.0 kg/m3)。

2.3 馏程

馏程反映了燃料的蒸发能力。蒸发性能影响燃烧的稳定性和完全程度。蒸发性能好的燃料，在燃烧室中被喷射后，与氧化剂迅速形成均匀的混合气，进行平稳和完全的燃烧。如果燃料过重，蒸发性能差，燃烧不正常，未蒸发的燃料受热分解，形成积碳。不同的烃类燃烧完全程度不同，依次为芳香烃<环烷烃<烷烃。环数越多，越不易燃烧完全。由这一点也应限制芳香烃特别是双环芳香烃的含量。通常用馏程的10%馏出温度表示蒸发的难易程度，用90%点控制重组分不能太多。表3为煤基航天煤油与石油基航天煤油不同量掺混后混合燃料馏程结果。从试验结果看，煤基航天煤油以任意比例掺混后的煤油均符合GJB 8087—2013要求的馏程范围(初馏点≥188℃，10%馏出点≤215℃，50%馏出点≤235℃，90%馏出点≤260℃，干点≤270℃)，也符合我国最初研制航天煤油时规定的不同回收率时温度要求。

表3 掺混煤油的馏程

2.4 运动粘度

不同掺混比的煤油在20℃和-40℃的运动粘度如图2所示。根据试验数据，分别得出煤基航天煤油与现役航天煤油掺混后煤油在20℃和-40℃的运动粘度经验计算公式：

v1=2.790 7-0.010 1x+1.615×10-4x2-

9.589 2×10-7x3

(2)

v2=20.220 1-0.093 3x+6.010×10-4x2-

3.176×10-6x3

(3)

式中：v1为掺混煤油在20℃的运动粘度，mm2/s；v2为掺混煤油在-40℃的运动粘度，mm2/s。

图2 掺混煤油的粘度与煤基煤油含量关系Fig.2 The relationship between viscosity of blended kerosene and content of coal-based kerosene

从燃料本身来看，粘度对传热的影响最大。粘度小流动快，换热相对剧烈，粘度大流动慢，换热相对较弱，从而引发链式反应即产生结焦积碳。同时，燃料被喷注燃烧时，粘度过大的燃料喷射角小而射程远，液滴大，雾化不良，以致燃烧不均匀，不完全；另外，粘度过大的燃料在低温下流动性差，供油量减少。而粘度过小的燃料，喷射角大而射程近，火焰燃烧区宽而短，易引起局部过热[13]。因而航天煤油既规定20℃时的粘度不能小于一定值(2.4 mm2/s)，又规定低温-40℃时的粘度不能大于一定值(25 mm2/s)。从图3可得到，现役航天煤油的粘度为2.83 mm2/s(20℃)，20.18 mm2/s(-40℃)，随着煤基航天煤油加入量的不断增大，掺混煤油的粘度在减小，CB100的粘度为2.44 mm2/s(20℃)，13.51 mm2/s(-40℃)，均满足GJB 8087—2013使用要求。

2.5 结晶点

煤基航天煤油掺混量不同时的结晶点如表4所示。结晶点反映了煤油的低温性能。大分子正构烷烃和芳香烃的结晶点较高，环烷烃和烯烃的结晶点较低。在同一烃族中，结晶点随相对分子质量的增大而升高。异构烷烃通常具有较低的结晶点。当燃料的尾馏分愈宽，燃料的密度增大，其结晶点也相应地升高。从表4中可看出，随着煤基航天煤油的逐步加入，其结晶点相应有所升高，这主要是煤基煤油中正构烷烃、尾馏分及密度相对石油基航天煤油相对较高的缘故，但均在GJB 8087—2013要求范围内，满足指标要求。

表4 掺混煤油的结晶点

2.6 闪点

煤基航天煤油掺混量不同时的闪点如图3所示。

图3 掺混煤油的闪点与煤基煤油含量关系Fig.3 The relationship between flash point of blended kerosene and content of coal-based kerosene

根据试验数据，得出煤基航天煤油与石油基航天煤油掺混后煤油的闪点经验计算公式：

t=78.301 5-0.139 4x+2.251 1×10-4x2

(4)

式中t为掺混后煤油的闪点，℃。

燃料的闪点是引起火灾的最低温度，其定义为燃料蒸汽与空气混合物遇明火或是开始闪火的最低温度。燃料的沸点愈低，其闪点也愈低，火灾危险性也愈大。从图3中可看出，掺混不同比例的煤基航天煤油后，掺混煤油的闪点满足GJB 8087-2013闪点必须大于60℃的指标要求。

2.7 芳烃含量

煤油中芳烃含量影响主要存在以下几个方面：当芳烃含量愈高时，特别是双环芳烃含量愈高，直接对发动机中橡胶等密封材料造成浸蚀，使其密封性能下降；芳烃含量高时，煤油流经高温部件时产生积碳的可能性进一步增大；芳烃含量高时，在长期储存过程中，生成胶质的倾向更加明显。因此，航天煤油的芳烃含量有严格要求，控制在5%(质量分数)以下。表5为煤基航天煤油掺混量不同时的芳烃含量测定结果，从表5可看出，掺混不同比例的煤基航天煤油后，掺混煤油的芳烃含量远小于GJB 8087—2013规定的芳烃含量小于5%(质量分数)的指标，基本上小一个数量级。

表5 掺混煤油的芳烃含量

2.8 酸度

油品中酸度一般表示煤油中有机酸和无机酸的总含量，其单位为mgKOH/100 mL，表示中和100 mL油品所需的氢氧化钾(KOH)毫克数。煤油中的无机酸含量极小，有机酸为环烷酸、脂肪酸和烷基苯酚等含氧有机化合物。其中主要是环烷酸，可近似认为煤油中的环烷酸含量与实际酸度成正比。一般说来，煤油中环烷酸浓度在0.003%(酸度约为0.6 mgKOH/100 mL时)就不会对金属材料产生明显的腐蚀。表6为煤基航天煤油掺混量不同时的酸度测定结果。