利用OBIGGS降低飛機(jī)燃油箱內(nèi)水分管

天麟

【摘 要】飛機(jī)燃油箱內(nèi)水分影響飛機(jī)安全并增加維護(hù)負(fù)擔(dān)。目前只能通過定期手動(dòng)地面排空油箱以防止油箱腐蝕和細(xì)菌生長(zhǎng)。與此同時(shí)，為降低飛機(jī)燃油箱可燃性，機(jī)載制氮系統(tǒng)（OBIGGS）被引入到最新研飛機(jī)中，通過產(chǎn)生富氮?dú)怏w（NEA）對(duì)油箱進(jìn)行惰化。由于富氮?dú)怏w干燥且溫度較燃油稍高，可有效降低飛機(jī)燃油箱內(nèi)水分。

【關(guān)鍵詞】燃油污染物；機(jī)載制氮系統(tǒng)；富氮?dú)怏w；無(wú)油空間

Water Reduction within Fuel Tanks Using OBIGGS

GUAN Tian-lin

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Powerplant and Fuel Systems Dept.， Shanghai 201210， China）

【Abstract】Water contamination affects the aircraft safety and increase the maintenance cost. Currently aircraft have to be drained manually on ground at regular intervals to prevent corrosion and bacterial growth. Meanwhile， in order to reduce the aircraft fuel tank flammability， an On Board Inert Gas Generation System （OBIGGS） was applied to provide inert gas into the fuel system in the modern aircraft. Since the OBIGGS introduces dry and warm Nitrogen Enriched Air into the tank， it reduces the humidity of the ullage air. Hence it is considered to be a potential solution to the water contamination.

【Key words】Fuel contamination； OBIGGS； NEA； Ullage

0 引言

飛機(jī)燃油系統(tǒng)是飛機(jī)上最為關(guān)鍵的機(jī)載系統(tǒng)之一，為發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置安全可靠地所需燃油。然而，燃油內(nèi)水分和微生物等燃油污染物不可避免地會(huì)影響飛機(jī)飛行安全，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車、油量測(cè)量系統(tǒng)故障以及燃油泵入口結(jié)冰等情況。這一問題已日漸受到飛機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員以及地面維護(hù)人員的關(guān)注。

2008年英國(guó)航空BA38航班一架B777從北京飛往倫敦途中準(zhǔn)備進(jìn)場(chǎng)著陸時(shí)，由于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油滑油熱交換器內(nèi)的冰晶導(dǎo)致燃油流動(dòng)受阻無(wú)法改變發(fā)動(dòng)機(jī)推力，最后飛機(jī)在希斯羅機(jī)場(chǎng)緊急著陸。飛機(jī)途經(jīng)蒙古、西伯利亞以及北歐的上空，環(huán)境溫度可低至-74°C，盡管飛機(jī)燃油溫度持續(xù)受到監(jiān)控并無(wú)低溫告警，但是燃油中含有的水分結(jié)冰仍可導(dǎo)致巨大危險(xiǎn)。

同時(shí)，飛機(jī)燃油系統(tǒng)起火或爆炸也是導(dǎo)致飛機(jī)失事的主要原因之一。1996年，環(huán)球航空TWA800號(hào)班機(jī)一架B747在紐約肯尼迪國(guó)際機(jī)場(chǎng)起飛后約12分鐘在紐約長(zhǎng)島上空由于油箱內(nèi)燃油蒸汽產(chǎn)生火花導(dǎo)致爆炸。此后，美國(guó)適航當(dāng)局對(duì)適航條款進(jìn)行了修訂，增加了降低油箱可燃性的相關(guān)條款。目前，最近新研飛機(jī)比如B787和A350均安裝飛機(jī)惰化系統(tǒng)，采用機(jī)載制氮系統(tǒng)（On Board Inert Gas Generation System）降低油箱可燃性，通過OBIGGS產(chǎn)生的富氮?dú)怏w（Nitrogen Enriched Air）不斷替代燃油箱中無(wú)油空間內(nèi)的空氣，使得此空間內(nèi)的氧氣濃度值低于適航條款所要求的最高氧氣濃度值。

1 燃油污染物

飛機(jī)燃油箱內(nèi)燃油污染物通常以水、微粒和微生物存在，污染物的累積可能會(huì)導(dǎo)致燃油箱腐蝕、燃油泵濾網(wǎng)結(jié)冰堵塞等情況。

1.1 燃油中的水分

飛機(jī)燃油箱中的水通常以三種形式存在：溶解水、懸浮水和游離水。溶解水是燃油的正常組成部分，并不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供油性能造成影響。溶解水并不能通過沉淀、過濾或分離的方法去除。懸浮水通常呈云霧狀，懸浮在燃油中。由于水密度比航空燃油大，游離水在飛機(jī)燃油箱底部單獨(dú)占據(jù)了一部分空間。游離水和懸浮水會(huì)對(duì)燃油箱造成潛在危險(xiǎn)，這兩種形式的水可能會(huì)吸附在系統(tǒng)部件表面，在低溫狀態(tài)下結(jié)冰。

1.2 水分的來(lái)源

飛機(jī)燃油箱中可能產(chǎn)生潛在危險(xiǎn)的水分主要是以下兩種方式引起的：燃油中溶解水的沉淀以及濕冷空氣產(chǎn)生的凝結(jié)水。

水在燃油中的溶解度主要取決于燃油溫度的變化，溫度越高，燃油溶解水的能力越強(qiáng)。在飛機(jī)爬升或巡航階段，由于高海拔導(dǎo)致燃油溫度降低，水分從燃油中沉淀。凝結(jié)水由于潮濕的空氣進(jìn)入油箱而產(chǎn)生，尤其是在飛機(jī)下降的過程中，潮濕的熱空氣從通氣口進(jìn)入油箱內(nèi)，與冷的油箱壁面接觸產(chǎn)生凝結(jié)水。

1.3 水分的影響

1.3.1 結(jié)冰

盡管對(duì)于一般航空燃油，冰點(diǎn)遠(yuǎn)小于零攝氏度，比如Jet A為-40°C，Jet A1為-47°C，但是隨著燃油溫度的降低，燃油中的水滴濃度在 4°C ～10°C 附近時(shí)開始減少。 當(dāng)溫度接近水的冰點(diǎn)時(shí)，冰晶開始形成。然而，由于水中存在雜質(zhì)，結(jié)冰通常發(fā)生在-3°C～-1°C。這些冰晶最終會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)部件的阻塞，影響供油性能。圖1顯示了引言部分所提到的一架B777由于結(jié)冰阻塞的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油/滑油熱交換器。

1.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)停車

盡管燃油中的溶解水并不會(huì)影響供油性能，但是大量的游離水和懸浮水可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車。此外，如果燃油泵濾網(wǎng)阻塞，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)入口燃油流量，一旦不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)耗油需求，發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)停車。

1.3.3 燃油箱腐蝕

研究表明，燃油箱腐蝕主要來(lái)源于水分，水分中的氯離子會(huì)破壞鋁合金結(jié)構(gòu)上的氧化膜。

1.3.4 微生物生長(zhǎng)

飛機(jī)燃油箱內(nèi)的水分為微生物增長(zhǎng)提供了環(huán)境，如圖2所示。微生物通過環(huán)境與燃油接觸，最終導(dǎo)致各種各樣的問題，例如堵塞、油箱結(jié)構(gòu)腐蝕、燃油測(cè)量故障等。

1.4 減少水分的措施

目前，消除飛機(jī)燃油箱內(nèi)水分主要有以下兩種途徑：油箱加油前標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量控制檢測(cè)手段和定期排空油箱維護(hù)。

在對(duì)飛機(jī)燃油箱進(jìn)行加油前，對(duì)于燃油中水分含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一般水分含量不超過30ppm。對(duì)于排空油箱維護(hù)，飛機(jī)主制造商一般建議每天進(jìn)行維護(hù)，各航空公司根據(jù)其不同航線以及不同飛機(jī)有所不同。

2 機(jī)載制氮系統(tǒng)（OBIGGS）

美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）在1996年一架B747在紐約長(zhǎng)島上空由于燃油箱爆炸失事的事故后對(duì)運(yùn)輸類飛機(jī)頒布了一系列新的條款，旨在滿足燃油箱可燃性的要求。雖然條款中并沒有建議用什么方法實(shí)現(xiàn)這一要求，但是現(xiàn)役最新飛機(jī)波音787以及空客A350都采用了機(jī)載制氮系統(tǒng)（OBIGGS），通過產(chǎn)生富氮?dú)怏w，對(duì)油箱內(nèi)無(wú)油空間進(jìn)行惰化，使之降低氧氣濃度，滿足燃油箱可燃性要求。

FAA也對(duì)增加燃油箱安全性作了一系列的研究，包括基于A320和B747的中央翼油箱的惰化系統(tǒng)影響分析。圖3為FAA為B747SP設(shè)計(jì)的一個(gè)OBIGGS的系統(tǒng)構(gòu)架。通過一組三個(gè)空氣分離器（ASM）分離氧氣和氮?dú)猓罱K將產(chǎn)生的富氮?dú)怏w充入燃油箱內(nèi)。圖中紅色部分的熱空氣源為發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，而在波音787中，由于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)，因而采用客艙引氣并用壓氣機(jī)增壓的形式作為OBIGGS的氣源。在富氮?dú)怏w進(jìn)入燃油箱前，設(shè)置雙流量閥，其作用是在不同的飛行階段控制不同的富氮?dú)怏w流量。低流量模式下，在相對(duì)較低的流量下產(chǎn)生相對(duì)高純度的富氮?dú)怏w，而在高流量模式下，在相對(duì)較高的流量下產(chǎn)生相對(duì)較低純度的富氮?dú)怏w。這兩種模式分別為滿足爬升/巡航和下降階段的無(wú)油空間的氧氣濃度要求。

3 利用OBIGGS降低油箱內(nèi)水分的潛在能力

由于OBIGGS提供干燥和溫度相對(duì)較高的富氮?dú)怏w，因而在飛機(jī)不同飛行階段，產(chǎn)生的富氮?dú)怏w可能會(huì)有效地減少燃油中水的沉淀以及外部濕冷空氣產(chǎn)生的凝結(jié)水。

首先，需假設(shè)OBIGGS的NEA富氮?dú)怏w出口浸沒在燃油中，如圖4所示。OBIGGS通過產(chǎn)生干燥的NEA富氮?dú)怏w，在燃油中形成氣泡，帶走一部分水分。溶解水?dāng)U散的速度和溫度以及燃油和氣體間的接觸面積有關(guān)。通過持續(xù)不斷的NEA供給，能有效地減少原本從燃油中沉淀的水分。此外，OBIGGS通過降低無(wú)油空間內(nèi)的相對(duì)濕度，增加了空氣在水蒸氣飽和前的含水能力，所以能有效延緩或減少凝結(jié)水的形成。不斷充入燃油箱內(nèi)的NEA也能使得外界進(jìn)入燃油箱內(nèi)的空氣減少。所以，利用OBIGGS產(chǎn)生的富氮?dú)怏w，在首先滿足其本身降低燃油箱可燃性的功能下，有效地減少燃油箱內(nèi)的水分，起到附加的效果。

當(dāng)然，對(duì)于OBIGGS所產(chǎn)生的富氮?dú)怏w，其本身溫度相對(duì)燃油溫度較高，由于燃油溫度對(duì)于燃油箱可燃性是一個(gè)重要的影響指標(biāo)，所以NEA出口浸沒于燃油內(nèi)導(dǎo)致的油溫增加對(duì)于燃油箱可燃性的影響還需要進(jìn)一步分析。

4 相對(duì)濕度的計(jì)算

無(wú)油空間中的濕空氣可以看成是干空氣和水蒸氣的混合物，故

Pair=Pdry+Ph

其中，Pair：空氣壓力（Pa）；

Pdry：干空氣壓力（Pa）；

Ph：水蒸氣壓力（Pa）。

而水蒸氣的分壓可以表示為：

Ph=？籽h×T×R/

其中，？籽h：水蒸氣密度（kg/m3）；

T：溫度（K）；

R：理想氣體常數(shù)8.314 J/（K·mol）；

MH2O：水的摩爾質(zhì)量0.018kg/mol。

飽和水蒸氣壓可用下式計(jì)算：

Psat=exp（13.7-5120/T）×101325

假設(shè)為ISA標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)，大氣溫度和高度之間的關(guān)系如下式：

T=T0-0.0065h

其中，T0為海平面溫度

相對(duì)濕度可通過下式得出

？漬=Ph/Psat

5 結(jié)論

本文對(duì)飛機(jī)機(jī)載制氮系統(tǒng)（OBIGGS）對(duì)于降低飛機(jī)燃油箱內(nèi)水分的影響進(jìn)行了理論分析，首先對(duì)燃油箱中水分的來(lái)源、影響及現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，然后對(duì)OBIGGS系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述，闡明了OBIGGS是作為降低燃油箱可燃性的一種有效地方式。最后，通過分析利用OBIGGS降低燃油箱內(nèi)水分的潛在能力，理論上可以得出，OBIGGS所產(chǎn)生的干燥的富氮?dú)怏w能有效減少燃油中水的沉淀以及由于外界濕熱空氣進(jìn)入所產(chǎn)生的凝結(jié)水，并給出相對(duì)濕度的計(jì)算方法。但是，對(duì)于燃油溫度升高對(duì)于燃油箱可燃性的影響還需要進(jìn)一步分析，畢竟， OBIGGS的主要功能是為了滿足降低燃油箱可燃性的要求，對(duì)于降低燃油箱內(nèi)的水分，只是附加的效果。其具體水分減少量還需后續(xù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]