金屬纖維聚水性能在噴氣燃料中的應(yīng)用

（南通航海機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 南通 226000）

0 前言

隨著我國(guó)海軍向藍(lán)水遠(yuǎn)洋海軍的方向發(fā)展，艦船須攜帶大量的噴氣燃料以滿足作戰(zhàn)的需求。但噴氣燃料中的水分含量超標(biāo)會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)帶來危害，直接影響作戰(zhàn)任務(wù)的完成，且噴氣燃料的供給呈現(xiàn)出大流量化、高精度化的特點(diǎn)，因此，也對(duì)過濾凈化技術(shù)提出了更高的要求，要杜絕燃料質(zhì)量低劣引起的發(fā)動(dòng)機(jī)故障。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，在噴氣燃料過濾領(lǐng)域，玻璃纖維是主要的聚結(jié)過濾材料，玻璃纖維的纖維氈機(jī)械強(qiáng)度低、壽命短、易脫落，容易造成油液的二次污染。雖然浸膠可以改變玻璃纖維表面對(duì)水的潤(rùn)濕性能，但仍限制著聚結(jié)技術(shù)的發(fā)展。無論是從國(guó)外進(jìn)口還是國(guó)內(nèi)購(gòu)進(jìn)，其聚結(jié)脫水材料均采用玻璃纖維制成。由于材料的批次不同、生產(chǎn)工藝水平不同等，其過濾的性能、質(zhì)量也有著很大差異，且存儲(chǔ)到一定年限后會(huì)產(chǎn)生老化變質(zhì)，從而導(dǎo)致其性能下降，甚至失效。

2 噴氣燃料的性質(zhì)對(duì)燃油系統(tǒng)的影響

噴氣燃料的質(zhì)量不僅影響了發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)性能的發(fā)揮及其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，而且直接影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性和安全性。特別是燃料中的水分為微生物提供了合適的生存環(huán)境[1]，這樣就會(huì)導(dǎo)致燃料受到污染，而且在低溫環(huán)境下，水析出結(jié)成冰晶，堵塞油濾從而導(dǎo)致供油不穩(wěn)，甚至中斷[2]。

3 金屬纖維聚水原理

水滴的聚結(jié)過程主要有3 個(gè)步驟。1）液滴接近纖維或接近已附著在纖維上的液滴。2）液滴粘附在纖維上或粘附在已附著在纖維上的液滴。3）增大的液滴從纖維表面釋放[3]。液滴聚結(jié)方式包括攔截、沉淀、擴(kuò)散、慣性碰撞和范德華力等[4]。

水滴粘附效率取決于金屬纖維表面的濕潤(rùn)性、纖維直徑等。水滴在達(dá)到一定的尺寸時(shí)，在油液曳力和液滴重力的共同作用下，水滴從聚結(jié)材料表面脫落分離，金屬纖維聚水原理如圖1 所示。

范德華力是分子之間的作用力，在油水分離中起著重要作用。范德華力在許多現(xiàn)象中也都起著重要作用，如金屬纖維表面張力、附著力、表面浸潤(rùn)特性等。從分子的運(yùn)動(dòng)角度看，微細(xì)顆粒的運(yùn)動(dòng)都符合分子運(yùn)動(dòng)理論，不同的是細(xì)顆粒比分子大得多，因此運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度小。擴(kuò)散現(xiàn)象是顆粒布朗運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，其可用愛因斯坦第一擴(kuò)散公式來描述：

式中：D 為擴(kuò)散系數(shù)，d 為顆粒粒度，μ 為介質(zhì)黏度，NA為常數(shù)，R 為氣體常數(shù)，T 為絕對(duì)溫度。由此可見，顆粒粒徑越小，擴(kuò)散速度越快，擴(kuò)散能力越強(qiáng)。

圖1 金屬纖維聚水原理

當(dāng)顆粒在重力作用下作自由沉降運(yùn)動(dòng)時(shí)，且Rep ＜1 時(shí)，沉降速度可用斯托克斯沉降公式來描述：

式中：U1為沉降速度，△ρ 為兩項(xiàng)密度差，a 為重力加速度，Rep 為顆粒雷諾數(shù)，d2為顆粒密度，μ 為介質(zhì)黏度。

一般來說，分散在液體中的顆粒都受2 種力的作用，即重力和擴(kuò)散力。當(dāng)顆粒較大時(shí)，重力起主要作用，顆粒將發(fā)生沉降分離。當(dāng)顆粒較小時(shí)，擴(kuò)散力起主要作用，顆粒在介質(zhì)中的分布將趨于均勻。當(dāng)這2 種作用力相等時(shí)，混合體系就達(dá)到平衡狀態(tài)，能達(dá)到沉降平衡的顆粒直徑，沉降極限可用下式進(jìn)行描述：

式中：dmin為最小直徑，K 為波茨曼常數(shù)，T 為絕對(duì)溫度，△p為兩項(xiàng)密度差（就是2 種液體的密度差），a 為重力加速度。

4 金屬纖維參數(shù)對(duì)聚水性能的影響

金屬纖維機(jī)械強(qiáng)度大、不易變形，采用燒結(jié)的方式使金屬纖維形成固定的形態(tài)[5-6]，且改性材料與金屬纖維集體結(jié)合良好，抗微生物侵蝕能力強(qiáng)，不易老化，有較好的柔韌性及表面粗糙度。在聚水性能方面，其對(duì)金屬纖維表面性質(zhì)、聚結(jié)床厚度、纖維直徑以及表面流速等都有著非常顯著的影響。

4.1 對(duì)金屬表面性質(zhì)的影響

金屬纖維表面未改性之前，既親油又親水，分離效果差。對(duì)金屬纖維表面進(jìn)行改性，減小金屬纖維對(duì)水的接觸角，增強(qiáng)其對(duì)水的濕潤(rùn)性。試驗(yàn)表明，改性后的金屬纖維有較為理想的聚結(jié)效果。

4.2 對(duì)聚結(jié)床厚度的影響

試驗(yàn)表明，隨著聚結(jié)床厚度的增加，聚結(jié)程度也相應(yīng)增大，當(dāng)聚結(jié)床超過一定的厚度，聚結(jié)性能就不會(huì)增大，只增加過濾的壓力降。

4.3 對(duì)纖維直徑的影響

試驗(yàn)表明，采用小直徑的金屬纖維形成的纖維氈，具有更大的比表面積，當(dāng)油包水乳化液流過纖維介質(zhì)時(shí)，可粘附更多的水液滴，可以提高聚結(jié)性能，但聚結(jié)床中的相對(duì)孔隙率也變的更小，壓力降也就隨之增大，因此，只有在纖維直徑合理的情況下才能獲得最佳的聚水效果。

4.4 對(duì)表面流速的影響

表面流速是影響液滴聚結(jié)的重要因素，因?yàn)樗刂浦蹲綑C(jī)理和液滴捕捉的可能性以及分散相液滴的分布。試驗(yàn)表明，隨著流速的不斷增大，分離效率總體呈下降的趨勢(shì)，但存在著一個(gè)大致流速，在一定的范圍內(nèi)，具有較佳的分離效果，從而確定濾材表面過濾面積。合理的過濾面積可降低濾芯過濾的負(fù)荷比，提高濾芯的過濾性能，延長(zhǎng)濾芯的使用壽命。

5 成型工藝

以往的玻璃纖維聚結(jié)濾芯一般為玻璃纖維氈纏繞在中心管上形成。金屬纖維聚結(jié)濾芯的制作則采用將金屬纖維氈及各種濾網(wǎng)按順序依次疊放，再采用折波的方式進(jìn)行，如圖2 所示，折波是為了增加濾芯的過濾面積，以降低濾芯的過濾負(fù)荷。但一味追求牙數(shù)增多而求其面積增大，則會(huì)程現(xiàn)牙擠牙，牙間隙小，反而增大流通阻力[6]，合適的濾芯牙數(shù)可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：D 為波紋總體外圓直徑，n 為波紋牙數(shù)，t 為濾層厚度，r 為波紋牙型折彎半徑，L 為波紋牙間距。

圖2 濾材折波圖

將依次疊放好的濾材按工藝折波后，接口處采用夾條包夾，連同網(wǎng)孔板用固定膠密封于端蓋中，形成筒狀的金屬纖維聚結(jié)濾芯，如圖3 所示。當(dāng)含水的噴氣燃料經(jīng)過金屬燒結(jié)聚結(jié)濾芯時(shí)，分散的微小水滴吸附在金屬表面，微小水滴在金屬表面聚結(jié)，并依次通過金屬纖維破乳燒結(jié)氈層、金屬纖維聚水燒結(jié)氈層，在油液曳力和液滴重力的共同作用下，實(shí)現(xiàn)脫落分離，從而實(shí)現(xiàn)高效分離。

圖3 金屬纖維聚結(jié)濾芯結(jié)構(gòu)圖

6 在實(shí)船上的應(yīng)用

金屬纖維聚結(jié)濾芯已成功應(yīng)用于各類型號(hào)的艦船上，其可有效去除噴氣燃料中的水分，為充分發(fā)揮動(dòng)力裝置技術(shù)性能提供了強(qiáng)有力的保障。金屬纖維聚水技術(shù)促使艦船重大裝備國(guó)產(chǎn)化取得進(jìn)展，為國(guó)家節(jié)約大量的外匯，大幅提升了艦船海上作戰(zhàn)能力。

7 結(jié)論

金屬纖維聚結(jié)技術(shù)比玻璃纖維聚結(jié)技術(shù)有著更高的凈化效率，金屬纖維抗微生物侵蝕能力強(qiáng)、不易老化、使用壽命長(zhǎng)，其柔韌性及表面粗糙度均比玻璃纖維好。金屬纖維采用燒結(jié)方式，使纖維粘結(jié)可靠，形成穩(wěn)定的無數(shù)不規(guī)則空隙通道和一定厚度的纖維氈，具有高過濾精度、高納污容量、較低的壓力降和耐高壓等特點(diǎn)，具有極強(qiáng)的推廣價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。