金属纤维聚水性能在喷气燃料中的应用

（南通航海机械集团有限公司，江苏 南通 226000）

0 前言

随着我国海军向蓝水远洋海军的方向发展，舰船须携带大量的喷气燃料以满足作战的需求。但喷气燃料中的水分含量超标会给发动机系统带来危害，直接影响作战任务的完成，且喷气燃料的供给呈现出大流量化、高精度化的特点，因此，也对过滤净化技术提出了更高的要求，要杜绝燃料质量低劣引起的发动机故障。

1 国内外现状

目前，在喷气燃料过滤领域，玻璃纤维是主要的聚结过滤材料，玻璃纤维的纤维毡机械强度低、寿命短、易脱落，容易造成油液的二次污染。虽然浸胶可以改变玻璃纤维表面对水的润湿性能，但仍限制着聚结技术的发展。无论是从国外进口还是国内购进，其聚结脱水材料均采用玻璃纤维制成。由于材料的批次不同、生产工艺水平不同等，其过滤的性能、质量也有着很大差异，且存储到一定年限后会产生老化变质，从而导致其性能下降，甚至失效。

2 喷气燃料的性质对燃油系统的影响

喷气燃料的质量不仅影响了发动机技术性能的发挥及其经济技术指标，而且直接影响了发动机的工作可靠性和安全性。特别是燃料中的水分为微生物提供了合适的生存环境[1]，这样就会导致燃料受到污染，而且在低温环境下，水析出结成冰晶，堵塞油滤从而导致供油不稳，甚至中断[2]。

3 金属纤维聚水原理

水滴的聚结过程主要有3 个步骤。1）液滴接近纤维或接近已附着在纤维上的液滴。2）液滴粘附在纤维上或粘附在已附着在纤维上的液滴。3）增大的液滴从纤维表面释放[3]。液滴聚结方式包括拦截、沉淀、扩散、惯性碰撞和范德华力等[4]。

水滴粘附效率取决于金属纤维表面的湿润性、纤维直径等。水滴在达到一定的尺寸时，在油液曳力和液滴重力的共同作用下，水滴从聚结材料表面脱落分离，金属纤维聚水原理如图1 所示。

范德华力是分子之间的作用力，在油水分离中起着重要作用。范德华力在许多现象中也都起着重要作用，如金属纤维表面张力、附着力、表面浸润特性等。从分子的运动角度看，微细颗粒的运动都符合分子运动理论，不同的是细颗粒比分子大得多，因此运动强度小。扩散现象是颗粒布朗运动的宏观表现，其可用爱因斯坦第一扩散公式来描述：

式中：D 为扩散系数，d 为颗粒粒度，μ 为介质黏度，NA为常数，R 为气体常数，T 为绝对温度。由此可见，颗粒粒径越小，扩散速度越快，扩散能力越强。

图1 金属纤维聚水原理

当颗粒在重力作用下作自由沉降运动时，且Rep ＜1 时，沉降速度可用斯托克斯沉降公式来描述：

式中：U1为沉降速度，△ρ 为两项密度差，a 为重力加速度，Rep 为颗粒雷诺数，d2为颗粒密度，μ 为介质黏度。

一般来说，分散在液体中的颗粒都受2 种力的作用，即重力和扩散力。当颗粒较大时，重力起主要作用，颗粒将发生沉降分离。当颗粒较小时，扩散力起主要作用，颗粒在介质中的分布将趋于均匀。当这2 种作用力相等时，混合体系就达到平衡状态，能达到沉降平衡的颗粒直径，沉降极限可用下式进行描述：

式中：dmin为最小直径，K 为波茨曼常数，T 为绝对温度，△p为两项密度差（就是2 种液体的密度差），a 为重力加速度。

4 金属纤维参数对聚水性能的影响

金属纤维机械强度大、不易变形，采用烧结的方式使金属纤维形成固定的形态[5-6]，且改性材料与金属纤维集体结合良好，抗微生物侵蚀能力强，不易老化，有较好的柔韧性及表面粗糙度。在聚水性能方面，其对金属纤维表面性质、聚结床厚度、纤维直径以及表面流速等都有着非常显著的影响。

4.1 对金属表面性质的影响

金属纤维表面未改性之前，既亲油又亲水，分离效果差。对金属纤维表面进行改性，减小金属纤维对水的接触角，增强其对水的湿润性。试验表明，改性后的金属纤维有较为理想的聚结效果。

4.2 对聚结床厚度的影响

试验表明，随着聚结床厚度的增加，聚结程度也相应增大，当聚结床超过一定的厚度，聚结性能就不会增大，只增加过滤的压力降。

4.3 对纤维直径的影响

试验表明，采用小直径的金属纤维形成的纤维毡，具有更大的比表面积，当油包水乳化液流过纤维介质时，可粘附更多的水液滴，可以提高聚结性能，但聚结床中的相对孔隙率也变的更小，压力降也就随之增大，因此，只有在纤维直径合理的情况下才能获得最佳的聚水效果。

4.4 对表面流速的影响

表面流速是影响液滴聚结的重要因素，因为它控制着捕捉机理和液滴捕捉的可能性以及分散相液滴的分布。试验表明，随着流速的不断增大，分离效率总体呈下降的趋势，但存在着一个大致流速，在一定的范围内，具有较佳的分离效果，从而确定滤材表面过滤面积。合理的过滤面积可降低滤芯过滤的负荷比，提高滤芯的过滤性能，延长滤芯的使用寿命。

5 成型工艺

以往的玻璃纤维聚结滤芯一般为玻璃纤维毡缠绕在中心管上形成。金属纤维聚结滤芯的制作则采用将金属纤维毡及各种滤网按顺序依次叠放，再采用折波的方式进行，如图2 所示，折波是为了增加滤芯的过滤面积，以降低滤芯的过滤负荷。但一味追求牙数增多而求其面积增大，则会程现牙挤牙，牙间隙小，反而增大流通阻力[6]，合适的滤芯牙数可按下式进行计算：

式中：D 为波纹总体外圆直径，n 为波纹牙数，t 为滤层厚度，r 为波纹牙型折弯半径，L 为波纹牙间距。

图2 滤材折波图

将依次叠放好的滤材按工艺折波后，接口处采用夹条包夹，连同网孔板用固定胶密封于端盖中，形成筒状的金属纤维聚结滤芯，如图3 所示。当含水的喷气燃料经过金属烧结聚结滤芯时，分散的微小水滴吸附在金属表面，微小水滴在金属表面聚结，并依次通过金属纤维破乳烧结毡层、金属纤维聚水烧结毡层，在油液曳力和液滴重力的共同作用下，实现脱落分离，从而实现高效分离。

图3 金属纤维聚结滤芯结构图

6 在实船上的应用

金属纤维聚结滤芯已成功应用于各类型号的舰船上，其可有效去除喷气燃料中的水分，为充分发挥动力装置技术性能提供了强有力的保障。金属纤维聚水技术促使舰船重大装备国产化取得进展，为国家节约大量的外汇，大幅提升了舰船海上作战能力。

7 结论

金属纤维聚结技术比玻璃纤维聚结技术有着更高的净化效率，金属纤维抗微生物侵蚀能力强、不易老化、使用寿命长，其柔韧性及表面粗糙度均比玻璃纤维好。金属纤维采用烧结方式，使纤维粘结可靠，形成稳定的无数不规则空隙通道和一定厚度的纤维毡，具有高过滤精度、高纳污容量、较低的压力降和耐高压等特点，具有极强的推广价值和广阔的市场前景。