A320飞机燃油系统惰化气体除水模型研究

雷桃

摘 要：随着机载惰化系统越来越多的引入商用飞机，美国国家航空航天局（NASA）提出了使用惰化气体除去燃油系统中水的设想。美国机械工程师协会（ASME）就这一想法开展了初步验证的实验。实验显示，由于油箱内冷凝作用，惰化气体除水效率极低。本文以空中客车A320飞机燃油箱为基础，建立了飞机典型飞行任务下的热力学模型，提出了解决冷凝问题的方法，并通过计算机程序进行了模拟验证。

关键词：航空燃油;惰化系统;蒸汽压;导热系数

1 特性分析

1.1水在燃油中的特性

一般来说水在燃油中有三种存在形式，一是以溶质形式溶解于燃油中的水分子;二是以细小水滴或冰晶形式存在的悬浮水;三是沉降在油箱底部的游离水。一般来讲，对飞机产生危害的主要是悬浮水和游离水。

1.2惰化系统特性

惰化系统工作模式可分为低流量模式和高流量模式。以空中客车A320飞机为例，低流量模式下，系统每分钟产生5立方英尺含氧量为5%的富氮空气，高流量模式下为15立方英尺含氧量为11%。水蒸汽分子会穿过膜纤维，排放到废气管中，因而富氮空气极为干燥。

2 可行性论证

一般情况下，惰化气体从飞机油箱的顶部注干燥的惰化气体降低了油箱内水蒸汽的分压，从而使得燃油表面的水分子蒸发到燃油箱内的空气中。如果将惰化气体从油箱底部直接以气泡的形式注入燃油中可以大幅提升蒸发效率。美国汽车工程师协会的实验中，惰化空气从装有潮湿航空煤油的玻璃管的底部注入。气压环境和温度环境也根据飞机飞行剖面变化。结果显示，燃油中水的含量迅速下降到物理干燥的极限。

3 存在的问题

在飞机爬升过程中，油箱内空气温度下降比燃油温度下降快得多。通过模拟计算发现水蒸汽在接触到冰冷的燃油箱内壁时基本全部凝结并以游离水的形式坠落回燃油中。根据美国机械工程师协会的研究，最多只有不超过15%的水蒸气可以排放到大气中。

4 解决水冷凝的潜在可行方案

水在燃油中和空氣中的溶解度都是温度的函数。热力学过程对水冲燃油中析出和蒸发到空气中有绝对影响。增加惰化气体除水效率有如下几种方式：

a.使用加热装置提升油箱和通气系统内空气温度。

b.提升惰化气体流量

c.防止湿润的惰性气体在邮箱内接触冷空气

加装加热装置提升惰化系统流量都会增加系统重量和飞机维护成本。如果能通过对现有惰化系统合理布局提升惰化系统排水的效率，对飞机的安全性、可靠性和经济性有较大意义。

4.1关于气模型隔热法的应用

在航空发动机中，为确保涡轮叶片处于相对低温的运行环境，一般使用气膜法在涡轮叶片表面形成一层1到2mm厚度的空气薄膜隔绝冷高温燃气与涡轮叶片。于是本文尝试使用类似办法隔绝低温油箱壁。

4.2解决问题的方法

将注入燃油箱的惰化空气分为两路，其中一路直接从燃油箱底部注入，另外一路从中央翼油箱顶部四周向中央部位注入，在油箱顶部形成稳定的气膜，防止油箱内热量向机翼上表面传导，则可以彻底解决水蒸汽冷凝的问题。

5 基于A320飞机的热力学模型

空中客车A320飞机的中央翼燃油箱接近一个长3.35米、宽2.74米、高0.91米的长方体盒子。为简化计算，可以将A320的燃油箱简化为以下模/型。

通过推导，燃油温度、低温区温度、高温区温度的变化可分别通过以下迭代公式进行计算。

其中Tif表示燃油箱温度，Tiu2表示低温气膜温度，Tiu1表示高温空气温度。

以英国航空2016年8月18日飞行剖面数据为样本，通过计算机程序计算可得到燃油温度、低温区温度、高温区温度的变化情况。

可以看到，燃油的温度随着飞机高度的增加不断降低，在飞机开始下降的阶段，温度快速回升只275K左右;气膜温度迅速下降;高温区的温度在初始阶段跃升后缓慢下降。在飞机下降阶段又快速上升至310k左右。这些数据和空中客车公司公布的燃油温度飞行试验数据基本一致。选取通气系统末端温度曲线计算排放空气的绝对湿度，可得以下曲线。

6 结论

在中央翼油箱内部形成一层隔热气膜，利用空气的不良热传导性质，可以有效提升惰化系统吸收燃油中的水分并排放至大气中的能力。运用这一方法，可以将惰化气体除水的效率大幅提升。

参考文献：

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[2]Cavage， W. M. （n.d.）. Development and Testing of the FAA Simplified Fuel Tank Inerting System. FAA.

[3]Council， C. R. （2004）. CSC Report No.635， 3rd Edition. Handbook of Aviation Fuel Properties.

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（中国商飞民用飞机试飞中心，上海 201323）