CN109758932A - 一种低温燃油定量配水混合装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低温燃油定量配水混合装置及方法。本发明包括混合器、微锥孔振动雾化喷水装置，恒温水浴热交换系统，以及外部连接装置。其中，混合器包括加湿混合管道、收缩加速段管道；微锥孔振动雾化喷水装置包括雾化喷头、微锥孔振动膜片；恒温水浴热交换系统包括加热水箱、加热电阻模块、热电偶温度计、叶轮泵以及软管；外部连接装置包括信号发生器、功率放大器、示波器、微量注射泵。本发明可以实现在低温环境下燃油与微量水分的均匀混合，可以实现含水量的精确控制，可以解决传统低温燃油配水过程发生的结冰堵塞管路现象，使燃油配水系统工作范围扩展到‑20℃‑30℃，为大飞机燃油管路系统结冰试验提供含水燃油的配制装置及方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温燃油定量配水混合装置及方法，属于燃油管路系统及防除冰领域。
背景技术
燃油在贮存、运输、加注等过程中，由于种种原因可能混入水分，使得燃油中参杂水分。另外，飞机在下降过程中，通气系统吸入潮湿空气，接触低温浸渍的油箱和燃油时会被冷凝，增加燃油中的含水量。当飞机在高空持续飞行时(11000m高度，温度为-56℃)或者长时间在寒冷低温条件下飞行时，低温会导致燃油中的水分冻结成冰，引起油滤或输油管发生堵塞，其后果使流向发动机的燃油部分或完全被阻断，从而引起发动机出现供油不足或熄火，严重威胁飞行安全。可见，燃油结冰试验对于飞行安全是必不可少的。其中，如何配制含水燃油才能使燃油中的含水量符合规范和设计要求，是飞机结冰试验中要解决的首要难题。因此，发明低温燃油定量配水装置及方法显得尤为重要。
目前常用燃油配水的方法主要有：静态混合法、高压空气雾化水混合法、超声波雾化水与油喷淋混合法。所述静态混合法使燃油在管线中流动并冲击各种类型板元件，形成湍流，与水混合；所述高压空气雾化水混合法直接利用高压气体将水雾化再喷入燃油中；所述超声波雾化水与油喷淋混合法利用陶瓷雾化片高频谐振将液态水打散成水雾，在由风机泵入油箱中与燃油混合。以上方法为实现燃油配水提供了有效手段，但是还存在以下问题：
(1)常规燃油配水装置及方式使燃油和微量水分混合并不均匀；
(2)常规燃油配水装置及方式无法实现定量控制燃油含水量；
(3)常规燃油配水装置及方式无法直接实现对低温燃油进行配水；
(4)常规燃油配水装置及方法结构复杂，操纵困难；
因此为了能够更好得使燃油中的含水量达到规范和设计要求，建立一种新型高效的低温燃油定量配水装置及方法就成了必然要求。
发明内容
本发明目的是针对上述问题提供一种低温燃油定量配水混合装置及方法，实现在低温环境下燃油与微量水分的充分均匀混合，并且可以实现水含量的精确控制，可以解决传统低温燃油配水过程发生的结冰堵塞管路现象，使燃油配水系统工作范围扩展到-20℃-30℃，解决燃油管路结冰试验中的关键问题。
本发明为实现上述目的，采用如下方案：
一种低温燃油定量配水混合装置，该混合装置包括混合器、微锥孔振动雾化喷水装置，恒温水浴热交换系统，以及外部连接装置：
所述微锥孔振动雾化喷水装置安装于混合器顶部，并伸入混合器的加湿混合管道中，向内部喷射雾化水；所述试验燃油经过距离混合器顶部53mm处开设的若干个等高等面积的表面矩形孔，形成湍流，涌入混合器内与雾化水均匀混合，从底部出油口流出；所述恒温水浴热交换系统，热水从水浴槽下端流入上端流出，与混合器壁面进行对流换热，避免低温燃油与雾化水混合区域发生壁面结冰。
所述混合器分为收缩加速段管道和加湿混合管道。所述收缩加速段管道，从上往下，依次为收缩段、平直段、加速段以及连接段。所述收缩段和加速段，采用不锈钢卫生级大小同心异径管焊接接头，管道截面积收缩，燃油流速增大，有利于防止壁面结冰；平直段，采用不锈钢管，根据设定液面高度确定其长度；连接段具有内螺纹，用于与外部管道连接。收缩段、平直段与加速段之间采用熔焊连接方式，加速段与连接段采用套焊连接方式，内壁面无明显焊点。
所述加湿混合管道，在距离顶部53mm-63mm之间沿周向均匀开设若干个等高等面积的表面矩形孔，设定试验燃油液面刚好没过矩形孔，使空气无法进入管路中，试验燃油经过矩形孔，形成湍流后涌入加湿管道部分与雾化水均匀混合，从底部出油口流出。在距离顶部
3mm-48mm之间加装有水浴槽，分别在水浴槽顶部和底部区域开设管道用于恒温热水循环。所述恒温热水从水浴槽下端流入，上端流出，与壁面进行对流换热，上下燃油液面的壁面进行传导传热，使低温燃油和雾化水混合区域壁面温度提高，消除加湿混合段结冰现象，同时对燃油温度影响较小。
所述微锥孔振动雾化喷水装置为中空圆柱，外壁侧面开设有贯穿圆柱轴向的1×1mm2矩形槽。底部安装振动膜片，电阻线经过侧面矩形槽伸出，与外部功率放大器等设备连接；顶部固定安装滴定软管与外部微量注射泵连接，水滴准确落在振动膜片中心区域并雾化，雾化水雾滴直径可控制在5μm-50μm；微锥孔振动雾化喷水装置安置在加湿混合管道内根据需要调整高度位置。
所述恒温水浴热交换系统，主要包括加热水箱、加热电阻模块、热电偶温度计、叶轮泵以及软管。设定恒温热水温度，并通过伸入水箱内的热电偶温度计实时监测。叶轮泵驱动，为混合器加湿混合管道水浴槽提供可循环恒温热水。
所述外部连接装置主要包括信号发生器、功率放大器、示波器、微量注射泵、注射器等。微锥孔振动膜片接收信号发生器发出的电脉冲信号，通过功率放大器调节供电电压，使得膜片的振动幅度发生变化，调节雾化速率。同时设定微量注射泵注射速率，使落在振动膜片中心的水滴快速雾化，无残留，此时振动膜片雾化速率与滴定速率一致。确定振动膜片雾化速率，实现配水过程中燃油含水量可控制。
本发明还提供基于上述低温燃油定量配水混合装置的试验方法，该方法包括以下步骤：
(1)连接仪器、设备，将低温燃油定量配水混合装置安装在配比油箱内，对整个燃油管路结冰试验装置进行检测；
(2)打开防爆燃油涡轮泵，根据试验要求设定为A L/min，运行燃油管路结冰试验装置，使燃油匀速降温至设定试验温度；
(3)接通恒温水浴热交换电阻模块，设定水温为70-80℃，热电偶温度计实时监测水温。打开叶轮泵，为混合器加湿混合管道水浴槽提供可循环热水，加热壁面；
(4)接通微锥孔振动雾化喷水装置，设定注射泵速率为B mL/min，预设过饱和燃油含水量为Cppm，已知试验温度下燃油饱和含水量为Dppm，则注射泵速率为B ml/min＝A×(C-D)；
(5)用离心管在低温燃油定量配水混合装置下游取样口采集试验燃油样本，利用库伦法卡尔费休水分仪测量系统，准确得到燃油样品中的水含量。
(6)试验结束后，关闭低温燃油定量配水混合装置，停止运行燃油管路结冰试验装置。
本发明采取上述技术方案有如下技术效果：
1)采用低温燃油定量配水混合装置及方法，可以实现将水雾化成体积量级非常小的水雾，最小直径可达到5μm，并且经过含水量测试结果显示，燃油样品含水量结果稳定，即认为燃油和液态水混合均匀；
2)采用低温燃油定量配水混合装置及方法，通过调节微量注射泵的滴定速率和微锥孔振动膜片输入电压，使雾化水量可以控制，实现定量控制燃油含水量；
3)采用低温燃油定量配水混合装置及方法，通过恒温水浴热交换系统和混合器，使燃油配水工作温度范围扩展到-20℃-30℃；
4)采用低温燃油定量配水混合装置及方法，结构简单，操纵容易；
本发明通过低温燃油定量配水混合装置混合器、微锥孔振动雾化喷水装置、水浴热交换系统等设计，实现在低温环境下燃油与微量水分的充分均匀混合，并且可以实现水含量的精确控制，可以解决传统低温燃油配水过程发生的结冰堵塞管路现象，使燃油配水系统工作范围扩展到-20℃-30℃，解决燃油管路结冰试验中的关键问题。
附图说明
图1为本发明一种低温燃油定量配水混合装置示意图；
图2为本发明一种低温燃油定量配水混合装置结构示意图；
图3为微锥孔振动雾化喷水装置雾化喷头；
图4为微锥孔振动膜片示意图；
图5为一种低温燃油定量配水混合装置工作示意图；
图中，1-微锥孔振动雾化喷水装置，2-加湿混合管道，3-收缩加速段管道，3.1-收缩段，3.2-平直段，3.3-加速段，3.4-连接段，4-水浴槽，5-矩形孔，6-盖板
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
如图1至图5所示，本发明提供一种低温燃油定量配水混合装置，该混合装置包括混合器、微锥孔振动雾化喷水装置1，恒温水浴热交换系统，以及外部连接装置：
所述混合器由收缩加速段管道3和2构成；
所述1由雾化喷头和微锥孔振动膜片构成；
所述恒温水浴热交换系统由加热水箱、加热电阻模块、热电偶温度计，叶轮泵以及软管构成；
所述相关外部连接装置主要包括信号发生器、功率放大器、示波器、微量注射泵、注射器等。
其中，φ：外径，d：内径，h：高，b：壁厚
进一步的，收缩加速段管道3整体呈收缩状。其中，3.1为不锈钢卫生级大小同心异径管焊接接头，外部尺寸为：63*133*105*2mm(φ小、φ大、h、b)；3.2为不锈钢管，外部尺寸为：63*38*2mm(φ、h、b)；3.3为不锈钢卫生级大小同心异径管焊接接头，外部尺寸为：32*63*78*2mm(φ小、φ大、h、b)；3.4为具有内螺纹钢管外部尺寸为：40*40*4(φ、h、b)。
进一步的，2为不锈钢管，外部尺寸为：32*98*2mm(φ、h、b)，底部斜切45°；在距离顶部3mm-48mm之间加装有4，分别在4顶部和底部区域开设6mm(d)管道用于恒温热水循环；在距离顶部53mm-63mm之间沿周向均匀开设3个等高等面积的5，试验燃油经过5，形成湍流后涌入加湿管道部分与雾化水均匀混合，从底部出油口流出。
进一步的，1雾化喷头为有机玻璃，外部尺寸：19*28*35mm(d、φ、h)，外壁侧面开设截面为1×1mm2贯穿圆柱轴向的矩形槽。底部安装微锥孔振动膜片，顶部固定安装滴定软管，1安置在2内根据需要调整位置。图4中，4(a)为微锥孔振动膜片上微锥孔布散器的坐标示意图，4(b)为单个微锥孔的示意图。
具体实例：
选取3#航空燃油进行低温燃油过饱和配水试验，试验燃油温度设定为-10℃(-10℃温度下3#航空燃油饱和含水量为42ppm)，工作时长设定为30min。
参照上述试验状态进行的配制步骤为：
1.连接仪器、设备，将低温燃油定量配水混合装置安装在配比油箱内，对整个燃油管路结冰试验装置进行检测，仪器设备工作正常。
2.打开防爆燃油涡轮泵，设定流量为10L/min(600L/h)，运行燃油管路结冰试验装置，使燃油匀速降温至设定-10℃。
3.接通恒温水浴热交换电阻模块，设定水温为75℃，热电偶温度计实时监测水温。打开叶轮泵，为混合器加湿段4提供可循环热水，加热壁面。
4.接通低温燃油定量配水混合装置，微锥孔振动膜片外接信号发生器(117mV，200kHz)，功率放大器，以及示波器；滴定软管外接微量注射器，设定注射泵速率为2.5mL/min，水滴经过雾化，喷入2，与燃油均匀混合，从底部出油口流出。
5.工作30min后，关闭低温燃油定量配水混合装置，用离心管在装置下游取样口快速采集燃油样本。试验结束，停止运行燃油管路结冰试验装置。
6.经过库伦法卡尔费休水分仪计测量，得到燃油样品中的水含量平均值为264ppm，误差率在10％以内。
中国民航规章CCAR-25《运输类飞机适航标准》中关于燃油结冰提出具体要求：“燃油先在27℃时用水饱和，并且每10L燃油含有所添加2mL游离水，然后冷却到在运行中很可能遇到的临界结冰条件。”本发明提供在对-20℃-30℃温度下的燃油定量配水混合装置及方法，同时避免低温燃油配水过程中出现结冰堵塞管路现象，为大飞机燃油管路系统结冰试验提供含水燃油的配制装置及方法。
以上所述为本发明较好的具体实施方案，但本发明所要求的保护范围不局限于此种方案。在熟悉本领域的工程技术人员所选定的具体参数，在本发明要求的技术范围之内的，都应包含于本发明要求的保护范围之中。
Claims (5)
1.一种低温燃油定量配水混合装置，其特征在于，所述混合装置包括混合器、微锥孔振动雾化喷水装置，恒温水浴热交换系统，以及外部连接装置；其中，
所述微锥孔振动雾化喷水装置安装于混合器顶部，并伸入混合器的加湿混合管道中，向内部喷射雾化水；所述试验燃油经过混合器顶部开设的若干个等高等面积的表面矩形孔，形成湍流，涌入混合器内与雾化水均匀混合，从底部出油口流出；
所述恒温水浴热交换系统中设有恒温水箱，在所述加湿混合管道燃油液面以上部分处，外壁加装有水浴槽，恒温热水从水浴槽下端流入，上端流出，与外壁面进行对流换热，避免低温燃油与雾化水混合区域发生壁面结冰。
2.根据权利要求书1所述的一种低温燃油定量配水混合装置，其特征在于，
所述混合器分为收缩加速段管道和加湿混合管道，所述收缩加速段管道，从上往下，依次为相互连接的收缩段、平直段、加速段以及连接段，所述收缩段和加速段，管道截面积收缩，燃油流速增大，有利于防止壁面结冰；所述平直段根据设定液面高度确定其长度；所述连接段具有内螺纹，用于与外部管道连接；
在所述加湿混合管道燃油液面以下部分周向均匀开设若干个等高等面积的矩形孔，试验燃油经过矩形孔，形成湍流后涌入加湿混合管道与雾化水均匀混合，从底部出油口流出。
3.根据权利要求书2所述的一种低温燃油定量配水混合装置，其特征在于，
所述收缩段、平直段、加速段以及连接段的管道均采用套焊或熔焊连接方式，使内壁面无明显焊点，防止冰晶聚集成冰。
4.根据权利要求书1-3任一项所述的一种低温燃油定量配水混合装置，其特征在于，
所述微锥孔振动雾化喷水装置为中空圆柱，外壁侧面开设有贯穿圆柱轴向的矩形槽，底部安装微锥孔振动膜片，电阻线经过侧面矩形槽伸出，与外部设备连接；顶部固定安装滴定软管与外部微量注射泵连接；所述微锥孔振动雾化喷水装置安置在加湿混合管道内根据需要调整高度位置。
5.根据权利要求书4所述的一种低温燃油定量配水混合装置的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：
步骤一，连接仪器、设备，将低温燃油定量配水混合装置安装在配比油箱内，对整个燃油管路结冰试验装置进行检测；
步骤二，打开燃油管路结冰试验装置的防爆燃油齿轮泵，根据试验要求设定为A L/min，运行燃油管路结冰试验装置，使燃油匀速降温至设定试验温度；
步骤三，接通恒温水浴热交换电阻模块，设定水温为70-80℃，热电偶温度计实时监测水温；打开叶轮泵，为混合器加湿混合管道水浴槽提供可循环热水，加热壁面；
步骤四，接通微锥孔振动雾化喷水装置，设定注射泵速率为B mL/min，预设过饱和燃油含水量为C ppm，已知试验温度下燃油饱和含水量为D ppm，则注射泵速率为B ml/min＝A×(C-D)；
步骤五，用离心管在低温燃油定量配水混合装置下游取样口采集试验燃油样本，利用库伦法卡尔费休水分仪测量系统，准确得到燃油样品中的含水量；
试验结束后，关闭低温燃油定量配水混合装置，停止运行燃油管路结冰试验装置。
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