JP3539960B2 - （航空）燃料の熱安定性試験のための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば、航空タービン燃料すなわちジェット燃料などの、燃料の熱安定性試験のための方法および装置に関する。
具体的には、本発明は、（ジェット）燃料の熱安定性の小規模乱流（流動性）試験に関する。
最新の航空機では、航空タービン燃料は熱応力の範囲に依存している。これは、燃料が廃熱用シンクとしての役割を果たし、また燃料システムの特定の構成部品が高温周囲温度領域に位置しているという事実に起因している。このようにして、燃料が得た熱は、不溶性物質の形成へとつながる酸化反応を促進する。これは、たとえば熱交換器および制御機構表面上にラッカーが形成され、そのため効率が低下するような場合、明らかに望ましくなく、かつ害を及ぼす可能性がある。
燃料の高温／熱応力に関して、以下の点が関心事となっている。
ａ）航空機および試験装置内の熱応力は、燃料が気化せずに恒に液相に保たれるように、圧力下（20気圧以上）にある。
ｂ）航空機および試験装置内の温度は、燃料の酸化反応が優勢となるのに十分な高温であるが、燃料の熱分解反応が優勢となるほどに高くはない。
ｃ）実際の航空機の熱応力を受けた燃料は、最高温度の熱交換器（オイル・クーラー）内で130−150℃まで温度を上げ、燃焼ゾーンにおけるアトマイザに先立つフィード・アーム内で180−200℃まで温度を上げる。
さらに、燃料不溶性物質は、たとえば燃焼ゾーン内のアトマイザ・ヘッドのような、燃料システムの一部を妨げたり、または閉塞させる可能性さえある。
エンジン作動温度の高温化に向かう一貫した傾向は、熱誘発性堆積物の形成という問題に遭遇する可能性を、ますます増加させることになる。
エンジン熱交換器内でもたらされるものと同様の乱流条件のもとで、電気的に加熱された、滑らかな小内径チューブが使用される小スケール試験構成は、すでに提案されている。
しかし、こうした試験装置は、膨大な燃料流量（たとえば、試験あたり2000−80000リットルの燃料）を必要とする。
さらに、周智の試験装置においては、チューブの外壁温度または熱抵抗は、生成される燃料ラッカーの量を測定するために設定される。こうした周知の試験装置においては、１つないし２つの熱電対測定値が使用されて、１つの温度測定値または平均値が得られる。
しかし、燃料は、試験チューブの長さにわたり均一な厚さのラッカー層を形成するのではなく、ラッカーの厚さの分布をもたらす。
さらに、このラッカー分布のパターンは、燃料に依存しており、予測不可能である。上記のシステムは、ラッカー分布の重要な点を認識し損ねており、その結果、異なる安定性を有する２種の燃料を識別できない可能性もある。
したがって、操作上の問題を防ぐために、現実的な試験方法および装置を備えることが極めて重要となる。
本発明の目的は、たとえば、わずかなサンプルしか使用可能でないことが多い実際の場合に有用な、試験あたり約５リットルに燃料流量を減少した、乱流条件のもとで燃料の熱安定性試験を行うための方法および小規模装置を提供することである。
本発明の他の目的は、乱流条件において液体の熱安定性を評価するための方法および装置を提供し、またそれによって全ラッカー・パターンの認識と決定を可能にすることである。
したがって、本発明は、燃料の熱安定性試験を行う方法を提供し、この方法は以下のステップを含んでいる。
ａ）試験されるべき燃料サンプルを圧力下で試験セクションの小内径毛細管に供給し、試験セクション内の燃料に熱応力を生じさせるステップ。
ｂ）試験セクション内の燃料サンプルが乱流条件のもとにあることを確実にするステップ。
ｃ）非接触温度測定により、試験セクションに沿った外壁温度、および燃料劣化生成物の断熱効果によって促進される、これらの温度の引き続く上昇を測定することによって、セクション内の試験燃料の熱劣化をモニタするステップ。
ｄ）このようにして得られた温度データから、燃料の熱安定性に関する情報を導くステップ。
本発明はさらに、試験されるべき燃料サンプルを圧力下で試験セクションの小内径毛細管に供給する手段と、試験セクション内の燃料に熱応力を生じさせる手段と、試験セクション内の燃料サンプルが乱流条件のもとにあることを確実にする手段と、非接触温度測定により、試験セクションに沿った外壁温度、および燃料劣化生成物の断熱効果によって促進される、これらの温度の引き続く上昇を測定する手段と、このようにして得られた温度データから燃料の熱安定性に関する情報を導く手段とを含む、燃料の熱安定性試験を行う装置を提供する。
非接触温度測定は、走査制御赤外温度計測であることが有利である。
本発明は、添付の図を参照して例示により詳細に説明される。ここで、第１図は、本発明による実施例を示す概略図であり、第２図は、本発明により得られた毛細管試験セクションの３次元温度プロフィールを示している。
ここで第１図を参照すると、毛細管試験セクション１が示されている。
燃料Ａは、任意の本発明に適した方法により、圧力下でポンプ１によって毛細管試験セクション２に供給される。試験セクション２は、たとえば、電流を供給して試験セクション内の燃料に熱応力を生じさせる２つの電気母線（明確さを期すため図示せず）の間に留められている。システムは、任意の適した燃料温度制御機構３によって、一定の燃料流出温度に制御されている。Ｂは、流出燃料の流れを表している。試験セクションの毛細管の狭い内径（300μｍ以下、より有利には250μｍ）およびその200mm以下の長さ（より有利には152mm）は、たとえば35ml/分などの、乱流条件にある燃料の、適切な流量を確保している。試験セクション内の試験燃料の熱劣化は、次の２つの方法によってモニタされることが有利である。（１）コンピュータ制御された走査赤外温度計４が、試験セクション２に沿った外壁温度および燃料劣化生成物の断熱効果によって促進されたこれらの温度の連続的上昇を測定する。（２）燃料劣化生成物は質量のほとんどを炭素が占めるため、炭素アナライザ（図示せず）により生成された炭素の重量を評価することができる。
低安定性の燃料は、多量の重量の炭素（たとえば200μｇ）を生成し、外壁温度の急激な上昇（たとえば、燃料流出口から10mmで300℃の上昇）をもたらす。安定性の高い燃料は、生成される炭素の重量が非常に少なく（たとえば、10−20μｇ）、外壁温度の上昇が少ない（たとえば、燃料流出口から10mmで20℃の上昇）。
極めて小さい内径内の生成量を正確にモニタする機能は、外壁表面温度の走査赤外温度測定によって行われてきた。燃料内ラッカーは、生成されるにしたがい、高温金属をより温度の低い燃料から断熱し、そのため試験中に外壁温度が上昇する。
試験セクションへの温度測定の接触システム（たとえば、熱電対）は、試験セクションに生じる膨大な熱廃流のため、または熱電対の取付けによる小径の試験セクションへの損傷のため、実現可能ではない。
赤外温度計４の使用により、試験セクション２の表面温度を、非接触で測定できる。試験セクション２は、一定な高放射率（0.9に近似の）を確保するために、たとえば無光沢の黒色に塗られる。上記のように、燃料は一定の燃料流入温度で試験セクション２に流入し、試験セクション２に加えられる熱は、燃料温度制御機構３および接続線５を介する任意の適切な温度制御プログラムを介して、一定の燃料流出温度に制御される。燃料劣化生成物が毛細管の内側に付着するにつれ、高温金属をより低温の燃料から断熱する、すなわち、その点における熱耐性を増加させる。試験開始からの表面温度の変化（△Ｔ）は、熱耐性の測定値であり、これは燃料内ラッカーの厚さの測定値になる。
したがって、長手方向に沿った毛細管試験セクション内のラッカーの厚さを決定するために、毛細管試験セクションに沿った数地点において△Ｔの測定値が決定される。これは、接続線７を介する任意の適切なスキャナ制御プログラムにより、試験全体にわたり毛細管２に沿って赤外温度計４を走査する、コンピュータ（６）制御システムによって行われ、こうして得られたデータは、全テストを通じて同コンピュータ６に記録される。矢印Ｃは、スキャナの動きを表している。データＤは、コンピュータ６から取り込むこともでき、またさらにこの目的に適した任意の方法で処理することができる。
たとえば、このように長手方向に沿ってのラッカー・パターンの「マップ」を得ることができ、これが異なる安定性を有する燃料の信頼性の高い識別法である。このような「マップ」は、位置と時間に分解された、毛細管の三次元温度プロフィールをもたらす。第２図を参照されたい。第２図において、縦軸（ｚ）は△Ｔ（℃）を表し、横軸（ＸとＹ）は燃料流出口からの距離（mm）および時間（分）をそれぞれ表す。異なるシェーディングは、プロフィール温度の相違を表している。特定のシェードの各ブロックは、所与の時間の毛細管に沿った△Ｔ（温度）を表しており、たとえば、手前の第１ブロックは、時間ゼロにおける△Ｔプロフィールを表し、そのすぐ後ろのシェーディングされた次のブロックは、試験開始後10分のプロフィールを表している。このようにして、図の最後部のシェーディングされたブロックが、試験終了時のプロフィール（この例では120分）を表している。本発明の方法は、ここで以下の例を参照して示される。
このシステムでは、有利には35ml/分の流量で燃料を供給するポンプを接続した直径254ミクロン（1/100インチ）の毛細管を使用すれば有利である。実際には、２時間の試験において、4.2リットルの燃料サンプルが必要とされる。
毛細管試験セクションに沿って（有利には長さ、６インチ、152mm）、顕著な燃料温度の勾配がみられ、燃料は、有利に周囲温度（15−25℃、具体的には20℃）で流入し、有利に280−300℃、具体的には290℃で流出する。したがって、動粘性率の変化のために、試験セクションに沿って、レイノルズ数の勾配がみられる。燃料流入口において、レイノルズ数は、約2500であり、流出口においては、約14000であり、平均値は、燃料温度170℃に対応するレイノルズ数8500であろう。モニタされたすべての燃料劣化生成は、有利に燃料流出口からの21mm内であり、このため乱流条件における燃料劣化生成のみが、後に続く。
同時に小量のサンプルの使用を維持し、熱伝導／熱耐性における測定可能な変化を有しながらも、毛細管内径を変える余地はほとんどない。。
− 所与のレイノルズ数に対し、内径を半減させると、試験セクションにわたり350PSI（約25バール）から2800PSI（約196バール）まで、圧力降下を増加させることになり、こうした圧力のためのポンピング・システムを得ることは困難となろう。
− 所与のレイノルズ数に対し、内径を２倍にすると、燃料サンプルが２倍の8.4リットルになり、これは、装置がフィールドからの少量サンプルを調べる場合、あまりに大きすぎる。
− 内径が大きくなると、生成レベルを測定するための熱伝導の変化が、識別困難になる。（実際、現在のシステムでは、これは可能ですらない。）
走査システム・ソフトウェアは、走査ルーチンにおける変化を考慮に入れてあるが、ほとんどの燃料劣化生成物は、燃料流出口から１−21mmの範囲にあるため、走査では、燃料流出口からの距離が1mmと21mmの間における既定の数（たとえば、９個）の位置を読み取る。１つの位置の各走査には、（赤外温度計の安定化のための）特定の待ち時間（たとえば、10秒）が含まれており、コンピュータは、次の位置に進む前に、たとえば既定秒数（たとえば、10）にわたる10回の、この１つの位置からの読取りの平均をとる。この場合、すべての９位置は、動作に約2.5分要する走査シーケンスを形成する。走査シーケンスは、たとえば５分毎に開始するため、120分の試験においては24の走査シーケンスがあることになる。
本発明の様々な変更が、上記の説明から、当業者には明らかになろう。このような変更は、以下の請求の範囲内にあることを意図するものとする。

Claims (15)

1. ａ）試験されるべき燃料サンプルを圧力下で試験セクションの小内径毛細管に供給し、試験セクション内の燃料に熱応力を生じさせるステップと、
   ｂ）試験セクション内の燃料サンプルが乱流条件のもとにあることを確実にするステップと、
   ｃ）非接触温度測定により、試験セクションに沿った外壁温度、および燃料劣化生成物の断熱効果によって促進される、これらの温度のその後の上昇を測定することによって、セクション内の試験燃料の熱劣化をモニタするステップと、
   ｄ）このようにして得られた温度データから、燃料の熱安定性に関する情報を導くステップと
   を含む燃料の熱安定性試験を行う方法。
2. 非接触温度測定が走査制御赤外温度測定であることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の方法。
3. 燃料が、燃料流出口から、有利には１−21mmである所定の距離において、毛細管チューブの内側に固着することを特徴とする、請求の範囲第１項または第２項に記載の方法。
4. 赤外温度測定が、毛細管試験セクションに沿って、有利には９個である所定数の位置を読み取ることを特徴とする、請求の範囲第２項または第３項に記載の方法。
5. 位置の各赤外温度測定走査が、有利には10秒である所定の待ち時間を含むことを特徴とする、請求の範囲第４項に記載の方法。
6. １つの位置からの読取りの所定回数（有利には、10）が、次の位置に移る前に、所定の秒数（有利には、10）にわたり行われることを特徴とする、請求の範囲第５項に記載の方法。
7. 走査のシーケンスが行われることを特徴とする、請求の範囲第２項から第６項のいずれか一項に記載の方法。
8. 燃料サンプルの消費が、試験あたり５リットル以下であることを特徴とする、請求の範囲第１項から第７項のいずれか一項に記載の方法。
9. 炭素生成物の重量を評価するステップを含むことを特徴とする、請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項に記載の方法。
10. 試験されるべき燃料サンプルを圧力下で試験セクションの小内径毛細管に供給する手段と、試験セクション内の燃料に熱応力を生じさせる手段と、試験セクション内の燃料サンプルが乱流条件のもとにあることを確実にする手段と、非接触温度測定により、試験セクションに沿った外壁温度、および燃料劣化生成物の断熱効果によって促進される、これらの温度のその後の上昇を測定する手段と、このようにして得られた温度データから燃料の熱安定性に関する情報を導く手段とを含む、燃料の熱安定性試験を行う装置。
11. 走査制御赤外温度測定の手段が存在することを特徴とする、請求の範囲第10項に記載の装置。
12. 毛細管が、300μｍ以下の内径を有することを特徴とする、請求の範囲第10項または第11項に記載の装置。
13. 毛細管試験セクションが、200mm以下の長さを有することを特徴とする、請求の範囲第10項から第12項のいずれか一項に記載の装置。
14. 燃料が15−25℃、具体的には20℃で流入し、280−300℃、具体的には290℃で流出することを特徴とする、請求の範囲第10項から第13項のいずれか一項に記載の装置。
15. 炭素アナライザが、炭素生成物の重量を評価するために存在することを特徴とする、請求の範囲第10項から第14項のいずれか一項に記載の装置。

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