低温下航空燃油中水的存在形式和特性研究

屈元元

【摘 要】飞机燃油中不可避免地会混入水，这些水会在低温时达到饱和并析出变成游离水，然后结冰，进而危害到飞机供油系统的运行，对飞行安全造成危害。因此，适航条款对飞机燃油系统应对燃油中水结冰的状况均有相关规定。本文介绍了水在喷气燃油中的存在形式，以及温度对其溶解性的影响。此外，还分析了飞机油箱中的水循环、燃油系统上的冰聚集、低温下水成核现象以及对细微滤网的影响。

【关键词】低温；航空燃油；水

中图分类号： TQ517；TQ223.122 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）05-0045-002

【Abstract】In the jet fuel will inevitably mixed with water，the water will reach saturation at low temperature and precipitation into free water，and ice，and harm to the operation of the aircraft fuel supply system，cause a harm to the flight safety.Therefore，the airworthiness provisions have relevant provisions for the aircraft fuel system to deal with the freezing of water in fuel.This paper introduces the existence form of water in jet fuel and the effect of temperature on its solubility.In addition，the water circulation in the fuel tank，the ice accumulation on the fuel system，the nucleation phenomenon of low temperature water and the effect on the fine mesh are analyzed.

【Key words】Low temperature；Aviation fuel；Water

0 概述

研究表明，燃油中缺少芳香族化合物将引起密封剂或O型圈等橡胶材料的弹性萎缩，而导致燃油泄漏。另一方面，研究表明芳香族化合物中的水溶解性非常卓越[1]，芳香族化合物含量过高，容易导致燃油中水含量增大。综合权衡两方面的影响，用于商业飞行的航空燃油中的芳香族化合物含量一般约为8%。因此，航空燃油中不可避免地会有适量水分。在飞机的飞行过程中，这些水分可能转化成冰，进而危害到飞机供油系统的安全运行。2008年1月一架波音777飞机在希思罗机场坠毁，空难调查部门最终的报告认为喷气燃油中的水导致了此次事故的发生[2]。因此，适航条款对飞机燃油系统应对燃油中水结冰的状况均有相关规定，众多部门及学者开始对航空燃油中水的特性及冰的形成机理进行研究[3]。

1 水在航空燃油中的混合形式

低温下，航空燃油中的水以三种形式存在：溶解水、乳状水和自由水。具体如下：

a）溶解水裸眼无法看到，是燃油的组成部分。溶解水难以用机械方法将其去除，只能在燃烧时被蒸发；

b）乳状液体是两种或多种不能互相融合液体的混合物，其中一种液体被离散成很小的颗粒，尺寸细微，其他液体保持连续状态。燃油中的乳状水显现出浑浊、朦胧状，需要一定時间才会凝结或沉淀。悬浮在燃油中的乳状水可通过油水分离器或滤网从燃油中去除，这些油水分离器设备中含有的纤维具有亲水层，能将水滴积聚成大的液滴，使其不能长时间悬浮在燃油中，形成不稳定的乳状，从而可以轻易被去除；

c）自由水往往由乳状水沉淀而成，其密度高于燃油，在燃油箱底部形成一个独立层。飞机飞行过程中，燃油保持一段时间后，乳状水将沉淀到燃油箱底部，在积液槽积聚成自由水。自由水通常被以燃油混合物的形式供给发动机消耗掉，此外，在日常维修中，积液槽中的自由水也可被排出。

其中，悬浮在燃油中的乳状水和自由水被认为是燃油污染物，需通过严格的质量控制测量进行管理。

2 温度对水的溶解性的影响

研究表明，水在碳烃化合物中的溶解度随着温度的上升快速变化。

水从燃油中释放出来，显现出微小液滴的云雾状。Lao等人[4]通过研究测量20L含有饱和水的JET A-1燃油的透明度发现，温度高于14℃，水完全溶解，燃油有清晰的外观；温度低于14℃，多余的水沉淀形成一个雾状现象，因此降低了燃油透明度。

3 水对燃油系统的影响

3.1 飞机油箱中的水循环

飞机中燃油的含水量会受到温度变化以及油箱内潮湿空气的影响。在低温下，水从燃油中蒸发，直至其在燃油中的浓度达到与燃油箱内空气中水分浓度的平衡。这种蒸发之后是水在无油空间油箱的金属壁上以及燃油的冷表面上进行冷凝。建立了连续的燃油蒸发过程和燃油以上空间中剩余水汽的冷凝。蒸发过程持续到燃油上方的水蒸汽压力达到由空气湿度和温度建立的平衡为止。在低于冰点的温度下，燃油中的小液滴变成冰晶或冷凝的水在壁上冻结，或者通过成核过程在燃油表面上形成小的冰颗粒。

3.2 油箱壁和飞机燃油系统上的冰积聚

燃油中的水会在飞机油箱的金属表面及燃油系统设备上以霜的形式进行凝结。研究表明，结霜的形成可以分为三个阶段[5]：

a）晶体生长期；

b）霜层生长期；

c）霜层充分生长期。

随着结霜过程的进展，霜层厚度和表面温度会逐渐增加，直到达到冰水的熔融温度。而霜层的密度和厚度取决于时间、空气温度、空气速度、空气湿度和表面温度等因素。此外，过冷条件下的冰积聚其表面粘附强度非常小。在积冰附近较小的流体扰动就可以将其从表面上去除。

3.3 低温下燃油中的水成核现象

低温下燃油中的水成核现象是指通过在燃油中形成晶核的过程。在燃油中处于液体状态能级以上的水，倾向于转化为更稳定的状态，即冰。这一过程，需要少量的能量来转变到更稳定的状态。对于新的成核阶段，必须先存在一个可以依托的介质。根据介质不同，水的成核现象可以分为以下两种：

a）细菌或水分子的微晶成核（均匀成核）；

b）在外来颗粒如灰尘、锈或污垢上形成的细菌成核（异质成核）。

经典成核理论表明，在均匀成核的初始阶段，冰晶胚芽由于自发密度或组成波动而形成。临界尺寸的冰晶胚芽处于不稳定的平衡状态，需要能量来形成特定的分子簇；小于临界尺寸的冰晶胚芽自发收缩，将能量释放回溶液，而大于临界尺寸的冰晶胚芽则能够自发生长。

虽然在液态水中，H2O分子是一个个分离的簇。但是在大多数情况下，可以通过用一粒小颗粒的外部介质将它们转化成冰。这便是异质成核的本质。飞机油箱中的航空燃油可能含有微量的异物颗粒物质，如灰尘、锈尘颗粒以及微生物等杂质，可能为分散在燃油中的水成核提供结晶核。引入外来异质，使得燃油中水成核现象变得更加模糊、复杂。它增加了许多不同的参数，这些参数目前是许多科学研究和工业项目的研究热点。

3.4 低温下水对细微滤网的影响

水对燃油系统细微滤网的影响主要取决于以下3个因素：温度、水含量以及燃油压力。

对于温度的影响，试验研究表明，随着温度的降低，滤网堵塞速度显著增加[6]。

低溫下，燃油的含水量对冰堵塞过滤器的速率具有明显的影响：含水量越大，越易发生堵塞。此外，这种堵塞与存在的水量不成正比，但随着含水量的增加，堵塞发生之前通过过滤器的燃油变得越来越少。

低温下，当燃油流速恒定时，过滤器两端的压降是燃油流量的函数：起初，当压降很低，流量缓慢上升；之后，经过一个断点，在此之后相对小的总流量产生维持流速所需的压降快速增加。即：随着燃油流量的上升，滤网两侧的燃油压差呈指数形式上升。

4 总结

航空燃油中无法避免地会存在水分，随着温度的降低，水分在燃油中的溶解性降低。因此，水分会逐渐析出，形成乳状水或自由水。这两种水由于核化现象会凝结成霜或者冰，从而堵塞滤网以及管路等燃油系统设备。温度越低、燃油中水含量越大、设备两端燃油压差越小，越容易发生堵塞。

【参考文献】

[1]S.Baenaa，S.L.Repettob，Dr C.P.Lawsona，et al.Behaviour of Water in Jet Fuel A Literature Review[J].Aerospace Sciences， 2013，（60）：35-44.

[2]Report on the accident to Boeing 777-236ER，G-YMMM， at London Heathrow Airport on 17 January 2008，Technical Report，Air Accident Investigation Branch，Department of Transport （UK），2010.

[3]李勇.对英航B777飞机希思罗机场跑道外坠地事故的追踪研究[J].中国民用航空，2010，（116）：52-53.

[4]L.Lao，C.Ramshaw，H.Yeung，M.Carpenter，J.Hetherington，J.K.-W.Lam，S.Masters，S.Barley，in：SAE Technical Paper 2011-01-2794，2011.

[5]Y.Hayashi，A.Aoki，S.Adachi，K.Hori，ASME Journal of Heat Transfer Vol.99，No.1（1977）pp.239-245.

[6]John A.Krynitsky，John W.Crellin，and Homer W.Carhart. The Behavior of Water in Jet Fuels and the Clogging of Micronic Filters at Low Temperatures[J].NAVAL RESEARCH LABORATORY，1950.