基于无莱顿效应的液态碳氢燃料低温稳定燃烧方法与流程

本发明涉及的是一种航空燃料领域的技术，具体是一种基于无莱顿效应的液态碳氢燃料低温稳定燃烧方法。

背景技术：

液态碳氢燃料相对于氢燃料具有更高的体积能量密度，在环境储存性、安全可靠性、经济性以及运输等方面优势突出，逐渐成为先进航空发动机的燃料首选。然而，在低温等恶劣工况条件下，液态碳氢燃料的化学反应活性较低，其点火延迟时间长、最小点火能大、燃料燃烧特性恶化，使得先进吸气式发动机低温稳定燃烧困难。这主要是由于燃料从注入燃烧室到完全燃烧需经过雾化、蒸发、混合和化学反应等物理化学过程，燃料液滴在这一过程中普遍存在莱顿效应，会导致液态碳氢燃料低温蒸发和燃烧的不稳定，特别是与燃料液滴与热表面环境接触相关的传热传质过程会对可靠着火、稳定燃烧和有害污染物的形成产生重大影响，制约着先进飞行器的发展。

现有技术通过外加流场控制和强制点火在一定程度上能够解决点火和燃烧问题，但这些技术会给发动机的燃烧组织和结构设计增加难度，同时也会牺牲发动机的推力性能。因此，通过化学和物理协同调控的方式消除液态碳氢燃料整个燃烧过程中的莱顿效应，提高燃烧过程中的能量输出和传热效率是解决液态碳氢燃料低温燃烧不稳定和点火困难的有效途径。

技术实现要素：

本发明针对现有液态碳氢燃料增强导热以提升蒸发传热速率的方式效果有限以及宽范围温度下着火延迟时间的局部负增长现象，提出一种基于无莱顿效应的液态碳氢燃料低温稳定燃烧方法，具有稳定性高、自燃温度低、着火延迟时间短、燃烧稳定、常温下接触空气保持良好安定性等优点，可实现液态碳氢燃料宽范围温度下高效稳定燃烧的调控。操作简便，实用性强。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于无莱顿效应的液态碳氢燃料低温稳定燃烧方法，通过设计金属有机化合物和纳米颗粒与基底燃料的优选配比，利用金属有机化合物低温自氧化放热和纳米颗粒的导热性能加快燃料蒸发传热速率，从而消除低温燃烧过程中的莱顿效应。

所述的金属有机化合物优选采用二乙基甲氧基硼烷。

所述的纳米颗粒优选采用纳米银，进一步优选为平均颗粒尺寸为20nm～40nm。

所述的优选配比是指：二乙基甲氧基硼烷的质量分数为10％～30％，纳米银的质量分数为0.1％～0.5％，余量为基底燃料。

所述的基底燃料包括：正癸烷、正十六烷或rp-3航空煤油。

本发明涉及一种具有无莱顿效应的液态碳氢燃料，包括作为基底的液态碳氢燃料和作为燃烧促进剂的二乙基甲氧基硼烷和纳米银的混合液。

所述的液态碳氢燃料的组分及含量具体为：二乙基甲氧基硼烷的质量分数为10％～30％，纳米银的质量分数为0％～1％，基底燃料为69％～90％。

本发明涉及上述液态碳氢燃料的制备方法，通过配选基底和燃烧促进剂并在惰性气氛保护下经物理方式均匀混合得到。

技术效果

本发明整体解决了宽范围温度下液态碳氢燃料无莱顿效应的高效活化的技术问题。

与现有技术相比，本发明选用具有协同作用的燃烧促进剂，能够高效、稳定地实现液态碳氢燃料的低温燃烧，燃料制备操作简便、安全，燃料安定性良好。

附图说明

图1为纯正癸烷和实施例2、3中复合碳氢燃料在热板表面的着火温度；

图2为纯正癸烷和实施例2、3中复合碳氢燃料在热板表面的着火延迟时间；

具体实施方式

实施例1

本实施例按如下比例配置复合碳氢燃料：

步骤一、向氮气密封的燃料瓶中加入二乙基甲氧基硼烷，质量百分含量为10％；

步骤二、向上述添加了二乙基甲氧基硼烷的燃料瓶中加入正癸烷，质量百分含量为90％。

步骤三、通过物理方式将燃料瓶中的燃料组分均匀混合，即可得到所需的复合碳氢燃料。所述的物理方式可以是但不限于：手动混合。

本实施例采用液滴-热板实验装置测试复合燃料的燃烧特性数据来说明燃烧促进剂对液态碳氢燃料的低温稳定燃烧的增强作用。

本实施例中的10％二乙基甲氧基硼烷/正癸烷复合燃料对应的最低着火温度是145℃，对应的着火延迟时间为674ms；当着火温度为600℃时，着火延迟时间时间可从纯正癸烷燃料的4027ms降至29ms。

实施例2

本实施例按如下比例配置复合碳氢燃料：

步骤一、向氮气密封的燃料瓶中加入二乙基甲氧基硼烷，质量百分含量为18％；

步骤二、向上述添加了二乙基甲氧基硼烷的燃料瓶中加入正癸烷，质量百分含量为82％。

步骤三、通过物理方式将燃料瓶中的燃料组分均匀混合，即可得到所需的复合碳氢燃料；所述的物理方式可以是但不限于：手动混合。

本实施例采用液滴-热板实验装置测试复合燃料的燃烧特性数据来说明燃烧促进剂对液态碳氢燃料的低温稳定燃烧的增强作用。

如图1～图2所示，本实施例中18％二乙基甲氧基硼烷/正癸烷复合燃料的最低着火表面温度从纯正癸烷燃料的600℃降至115℃；着火延迟时间随温度升高呈单调递减趋势，无局部负增长行为，当着火温度为600℃时，着火延迟时间时间可从纯正癸烷燃料的4027ms降至15ms。因此，与添加10％的燃烧促进剂二乙基甲氧基硼烷相比，在浓度较高的情况下，燃烧过程中产生的自氧化放热能够有效消除燃烧过程中产生的莱顿效应，提升燃料的低温稳定燃烧性能。

实施例3

本实施例按如下比例配置复合碳氢燃料：

步骤一、向氮气密封的燃料瓶中加入纳米银粉，质量百分含量为0.5％；

所述的纳米银粉平均颗粒尺寸为20nm～40nm，有效含量>99.9％；

步骤二、向上述添加了纳米银粉的燃料瓶中进一步加入二乙基甲氧基硼烷，质量百分含量为18％。

步骤三、向上述添加了纳米银粉和二乙基甲氧基硼烷的燃料瓶中加入正癸烷，质量百分含量为81.5％。

步骤四、通过物理方式将燃料瓶中的燃料组分均匀混合，即可得到所需的复合碳氢燃料；

所述的物理方式可以为但不限于：超声搅拌分散。

本实施例采用液滴-热板实验装置测试复合燃料的燃烧特性数据来说明燃烧促进剂对液态碳氢燃料的低温稳定燃烧的增强作用。

如图2所示，本实施例中18％二乙基甲氧基硼烷/0.5％纳米银/正癸烷复合燃料的最低着火表面温度从纯正癸烷的600℃降至112℃；着火延迟时间随温度升高呈单调递减趋势，无局部负增长行为，当着火温度为600℃时，着火延迟时间时间可降至10ms。

本实施例与作为对比的实施例2添加18％的燃烧促进剂二乙基甲氧基硼烷相比，在低浓度纳米银的存在条件下，复合燃料在宽范围温度条件下的着火性能得到进一步提升，具体表现为：相同温度下的着火延迟时间下降15％～35％。因此，燃烧过程中二乙基甲氧基硼烷和纳米银对提高液态碳氢燃料自氧化释热和蒸发传热速率的作用明显，能够有效消除燃烧过程中产生的莱顿效应，提升燃料的低温稳定燃烧性能。

综上可见，本发明能够有效降低最低着火表面温度，实现宽温度范围的高效稳定燃烧。具体表现为，通过燃烧促进剂的低温自氧化释热和界面传热作用消除了莱顿效应对燃料蒸发和燃烧稳定性的负面影响，着火延迟时间随温度变化的局部负增长行为消失；通过燃烧促进剂浓度的调节，可以有效降低传统液体碳氢燃料的着火延迟时间和着火温度，且着火延迟时间随着火温度升高呈单调递减的趋势；本发明所选用的燃烧促进剂可稳定分散于基底燃料中，稳定性高，在惰性气氛保护下对基底燃料和促进剂进行简单的手动摇匀混合和超声分散，即可制得所需性能的复合碳氢燃料，该燃料在惰性气氛保护下可稳定储存，制备操作简便、安全，在常温环境下不会自燃，安定性好。本发明得到的燃料对于增强液态碳氢燃料的低温稳定燃烧、解决先进吸气式发动机的高空点熄火和低马赫数启动等具有重要意义。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。