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user: 3. 结果与讨论 3.1. 组成与理化性能 煤基费托合成航空燃料与石油基航空煤油RP-3的组分特性与理化性能对比如表1所示。在组分组成 图1. 燃料微观雾化特性测量位置示意图 Table 1 Components and physicochemical properties of aviation fuels and coal based aviation fuel RP-3 煤基F-T燃料 GB 6537-2006 化学组成 链烷烃(%) 60.85 99.04 - 芳香烃(%) 4.62 0 <20 环烷烃(%) 32.35 0.18 - 烯烃(%) 2.18 0.03 <5 氢碳比(mol %) 1.95 2.14 - 物理性质 密度(kg/m 3 ) 783.4 758.2 775~830 闪点(℃) 43 39 >38 冰点(℃) −45.2 −47 <−47 表面张力(mN/m) 24.1 - - 粘度(20℃， mm 2 /s) 1.72 2.22 >1.25 热值(MJ/kg) 42.9 47.4 >42.8 表1. RP-3与煤基F-T航空燃料的组成特性及理化性能 方面，相对于石油基航空煤油RP-3而言，煤基费托合成航空燃料主要由链烷烃组分构成，其含量达到99.04%，不含芳香烃组分，不饱和烯烃组分含量仅为0.03%。饱和链烷烃的组成特性决定了煤基费托合成航空燃料具有燃烧性能好、热安定性好、不易生炭等性质。但是由于不含有芳香烃组分，其管道内输运特性会较石油基航空煤油有所降低。 燃料组分决定理化性能，煤基费托合成航空燃料饱和链烷烃含量高，因此其热值更高，但是密度低，为758.2 kg/m 3 ，低于国标最低775 kg/m 3 的要求，低密度的特性会对F-T燃料的航程性能带来不利影响。此外，煤基费托合成航空燃料的闪点和冰点均低于石油基航空煤油，意味着煤基费托合成航空燃料拥有更好的点火性能和低温性能。煤基费托合成航空燃料的粘度高于石油基航空煤油，将预示其燃油喷雾的性能及流动性会与航煤有所差异。 3.2. 雾化性能 3.2.1. 雾化锥角 航空煤油RP3基准燃料与煤基F-T合成喷气燃料在不同供油压差下的雾化锥角对比如图2所示：航空煤油RP3基准燃料的雾化锥角随供油压差的增大呈增大趋势。在供油压差小于0.1 MPa时其雾化锥角迅速增大到76.3˚，当供油压差大于0.1 MPa时其雾化锥角增大速度迅速减缓，在0.45 MPa时其雾化锥角达到84.1˚，当供油压差大于0.45 MPa时其雾化锥角趋于稳定，在84˚~87˚之间。 煤基F-T合成喷气燃料的雾化锥角随供油压差的增大呈增大趋势。在供油压差小于0.2 MPa时其雾化锥角迅速增大到81.5˚，当供油压差大于0.2 MPa时其雾化锥角增大速度迅速减缓，在0.35 MPa时其雾化锥角达到87.6˚，当供油压差大于0.35 MPa时其雾化锥角趋于稳定，在82˚~87˚之间。 根据锥角分析雾化形状，F-T合成燃料与RP-3基准燃料在供油压差为0.02 MPa时，在喷嘴喷口附近有一个由旋转液膜形成的空腔，随后形成线状液滴向下方不断发散，且线状液滴随距喷嘴喷口距离的增加而不断破碎减小。在供油压差为0.05 MPa时，由液膜形成的空腔消失，喷雾炬的外轮廓为切线与轴向夹角不断减小的曲线，并且液滴不断向周向扩散。在供油压差大于0.1 MPa后，喷雾炬的外轮廓逐渐变为一条直线。由于液滴与静止空气之间的相互作用，随着供油压差的增大喷雾炬周围形成的漂浮小液滴数目越来越多，在空气升力的作用下不断向喷嘴方向移动。如图2所示，航空煤油RP-3和煤基费托合成喷气燃料的雾化锥角随供油压差的变化趋势相似。当供油压差较小时，煤基费托合成喷气燃料的雾化锥角相对较小，随着供油压差的增大，两者雾化锥角相差很小。说明在低供油压差状态，费托合成燃料的雾化锥角小，其燃烧火焰相对RP-3燃料呈现较细而长的特点，对其在燃烧室内完全燃烧带来一定不利影响。但在高供油压差下，两种燃料将具有相似的火焰形状，有利于F-T燃料适应现有航空发动机燃烧室。 3.2.2. 雾化平均粒径SMD 雾化性能的主要由燃料的雾化细度来衡量，雾化细度的评价指标中应用最广泛的是索太尔平均直径(SMD)。在压力雾化条件下燃料的雾化液滴SMD主要影响因素有燃料理化特性、喷射环境物理特性、液体喷射压力和雾化喷嘴。燃料理化特性中对燃料雾化液滴SMD影响因素主要有粘度、表面张力和密度，燃料表面张力和粘度对其雾化液滴SMD影响主要在于初次雾化阶段，并且粘度对燃料雾化液滴SMD影 图2. 不同供油压差下的雾化锥角对比 响较大，燃料表面张力和密度对其雾化液滴SMD影响主要在二次雾化阶段。在本试验中，燃料喷射环境物理特性和雾化喷嘴均相同，因而燃料雾化液滴SMD的主要影响因素是燃料理化特性和供油压差。煤基费托合成喷气燃料与于航空煤油RP-3的表面张力和粘度相差很小，但煤基费托合成喷气燃料的密度相对较低，因而燃料理化特性对燃料雾化液滴SMD的影响主要在二次雾化阶段。 RP3基准燃料在供油压差小于0.1 MPa时，其SMD值随供油压差的变化很大，在0.1 MPa到0.7 MPa之间RP3基准燃料的SMD减小速度变慢，但一直减小，当供油压差大于0.7 MPa时，RP3基准燃料的SMD值慢慢趋于稳定。在供油压差小于0.7 MPa时，随着距喷嘴喷口距离的增大RP3基准燃料的SMD值呈减小趋势，但当供油压差大于0.7 MPa时，除距喷嘴喷口25 mm测试点外，RP3基准燃料的SMD值随着距喷嘴喷口距离的增大基本没有变化，稳定在30 μm左右。 煤基F-T合成喷气燃料在供油压差小于0.1 MPa时，其SMD值随供油压差的变化很大，在0.1 MPa到0.7 MPa之间煤基F-T合成喷气燃料的SMD减小速度变慢，但一直减小，当供油压差大于0.7 MPa时，煤基F-T合成喷气燃料的SMD值慢慢趋于稳定。在供油压差小于0.7 MPa时，随着距喷嘴喷口距离的增大煤基F-T合成喷气燃料的SMD值呈减小趋势，但当供油压差大于0.7 MPa时，除距喷嘴喷口25 mm~45 mm处的测试点外，煤基F-T合成喷气燃料的SMD值随着距喷嘴喷口距离的增大基本没有变化，稳定在28.5 μm左右，如图3所示。 RP3基准燃料和合成燃料的SMD随供油压差的变化趋势相似，虽然SMD大小相差不大，但F-T合成燃料在低供油压差情况下在各个测试点有相对较好的SMD特性。随着供油压差的增大，在各个测试点RP3基准燃料和合成燃料的SMD差距逐渐减小。较小的SMD分布，预示F-T燃料在航空发动机燃烧室中的燃烧过程将更完全，与现役航空燃料RP-3相比具有更小的生成烟粒的可能性。 3.2.3. 液滴尺寸分布指数 如图4所示，RP3基准燃料的液滴尺寸分布指数随着供油压差的加大呈现先减小后增大的趋势。在供油压差小于0.1 MPa时随着供油压差的加大呈减小趋势，且距喷嘴喷口越近，其减小的值越大，然后在不同测试点趋于相近的恒定值。在供油压差超过0.55 MPa时，距喷嘴喷口95 mm处的液滴尺寸分布指数开始迅速增大。在供油压差超过0.6 MPa时，距喷嘴喷口85 mm处的液滴尺寸分布指数开始迅速增大。在供油压差超过0.7 MPa时距喷嘴喷口35 mm~75 mm处的液滴尺寸分布指数开始迅速增大。在供油压差超过0.75 MPa时距喷嘴喷口25 mm处的液滴尺寸分布指数开始迅速增大。在供油压差为0.85 MPa时各个测试点的液体尺寸分布指数均超过7，表现出了良好的雾化液滴分布效果。 F-T合成喷气燃料的液滴尺寸分布指数随着供油压差的加大呈先减小后增大的趋势。在供油压差小于0.1 MPa时随着供油压差的加大呈减小趋势，且距喷嘴喷口越远，其减小的值越大，然后在不同测试点趋于相近的恒定值。在供油压差超过0.6 MPa时，距喷嘴喷口55 mm~95 mm处的液滴尺寸分布指数开始迅速增大。在供油压差超过0.7 MPa时，距喷嘴喷口25 mm~45 mm处的液滴尺寸分布指数开始迅速增大。在供油压差为0.85 MPa时各个测试点的液体尺寸分布指数达到10左右，表现出了良好的雾化液滴分布效果。 在不同的测试点合成燃料和RP3基准燃料的液滴分布指数N值随供油压差的变化趋势基本相同，均呈先减小后增大的趋势。在不同的测试点合成燃料和RP3基准燃料的液滴分布指数N值在小于0.55 MPa供油压差条件下差别很小，当供油压差大于0.55 MPa后，在距喷嘴喷口近的测试点合成燃料的N值相对于RP3基准燃料较大，在距喷嘴喷口远的测试点合成燃料的N值相对于RP3基准燃料较小。总体来讲，F-T合成燃料的液滴分布相对于RP3基准燃料更均匀，说明其在燃烧室中燃烧时间更短，更有利于降低发生积碳的可能性。 图3. 燃料在不同供油压差下的平均粒径(SMD)对比 图4. 燃料在不同供油压差下的液滴分布指数对比