§ 18. Определение люминометрического числа и высоты некоптящего пламени реактивных топлив

Горение — процесс окисления, сопровождаемый появлением пла­мени или накала вещества и выделением тепловой и лучистой энер­гии. Пламя образуется при горении тех веществ, которые выделяют газообразные горючие продукты. В зависимости от состава горючих веществ пламя бывает ярким, хорошо видимым или бледным.

Для горения веществ необходимо присутствие кислорода. В обы­денной жизни кислород поступает из воздуха. Он проникает, как бы диффундирует к месту горения. Такое пламя имеет определенное строе­ние и называется диффузионным.

Если внимательно присмотреться к пламени лабораторной го­релки, работающей на газе или на карбюраторном жидком топливе, то в нем легко можно различить три составные части: внутреннюю — темную, среднюю — светлую и наружную в виде бледного ободка. Введя в это пламя пластинку из стекла или металла, можно наблю­дать как она сейчас же покроется копотью, т. е. частицами сажи. Это объясняется тем, что водород топлива полностью сгорает и образует светлую часть пламени, а частицы углерода сгорают с меньшей ско­ростью. Их наличие и обусловливает яркость пламени, так как его излучение является следствием накаливания этих твердых частиц. Со временем частицы углерода, соединяясь с кислородом воздуха, сгорают в наружной части пламени. Впуская большее количество воздуха, можно отрегулировать горелку так, чтобы пламя стало мало светя­щимся и очень горячим. Очевидно, что с увеличением количества пода­ваемого кислорода скорость сгорания углерода увеличивается и свече­ние пламени становится слабее.

В обычной осветительной лампе, работающей на керосине, топ­ливо из резервуара по капиллярам фитиля поднимается вверх к го­релке. После зажигания фитиля образуется коптящее пламя. При на­девании на горелку лампового стекла создается тяга и через решетки горелки к пламени начинает поступать наружный воздух. Частицы углерода, накопившиеся в коптящем пламени, при этом полностью сгорают, копоть исчезает и пламя становится ярко светящимся, так как раскаленные частицы углерода остаются только в центральной ча­сти пламени.

В условиях работы турбореактивных двигателей также возможно накопление в горящем газовом потоке пылинок углерода (нагара или сажи), которое приводит к увеличению интенсивности излучения пла­мени, т. е. яркости. Исследования показали, что этому способствует наличие в топливе углеводородов с большим отношением С : Н и осо­бенно бициклических ароматических углеводородов. Для оценки ха­рактеристики и эффективности сгорания реактивного топлива, как уже говорилось выше, принято люминометрическое число. Оно зависит от ряда факторов, среди которых немалое значение имеет химический состав топлива. Наибольшие люминометрические числа характерны для нормальных парафиновых углеводородов, затем идут изопара-фины, нафтены, олефины, диолефины и, наконец, ароматические угле­водороды. Внутри каждого гомологического ряда значение люмино-метрического числа убывает по мере увеличения числа атомов угле­рода в молекуле.

Люминометрические числа реактивных топлив определяют мето­дом сравнения с эталонными топливами. В качестве эталонных топлив выбраны тетралин (тетрагидронафталин) и изооктан. Их люминомет­рические числа соответственно приняты за 0 и 100. Для установления люминометрического числа измеряют температуру над пламенем испы­туемого и эталонных топлив в условиях сгорания в фитильной диффу­зионной горелке в стандартной камере. При этом необходимо, чтобы температура газов над пламенем изооктана и испытуемого топлива фиксировалась при интенсивности свечения их пламени, равной интен­сивности свечения пламени тетралина в точке дымления, т. е. при такой высоте пламени, когда появляется копоть. Интенсивность (яркость) пламени измеряется люминометром в зелено-желтой полосе видимого спектра (400—700 им).

Люминометрическое число подсчитывается по характеристикам теплового излучения пламени испытуемого и эталонных топлив, кото­рые представляют собой разность между температурой газов над пла­менем в условиях испытания и температурой воздуха, поступающего в горелку, Δt. Разность между Δt испытуемого топлива и Δt тетралина, отнесенная к разности между Δt обоих эталонных топлив и умно­женная на 100, является искомым люминометрическим числом.

Очевидно, что при максимальной интенсивности излучения пла­мени тетралина (в точке дымления, т. е. при максимальной концентра­ции в пламени частиц сажи) температура над пламенем (вернее Δt ) у него будет минимальной, так как часть теплоты рассеивается в ре­зультате радиации от раскаленных частиц сажи. При этой же интен­сивности (яркости) пламени замеряется Δt у испытуемого топлива и изооктана. В их пламени сажи гораздо меньше или вовсе нет, теп­лоты на радиацию расходуется меньше и Δt, естественно, выше. А чем выше Δt тем эффективнее горение и выше скорость газов перед тур­биной, следовательно, больше и реактивная тяга. Поэтому, чем выше люминометрическое число, тем качество топлива лучше.

В стандартной фитильной лампе, с помощью которой определяется люминометрическое число, можно определить и высоту некоптящего пламени. Эта величина фиксируется в тот момент, когда появляется копоть, выходящая из верхней части пламени. Численное значение высоты некоптящего пламени (в мм) у большинства реактивных топ­лив приблизительно в 2,4 раза меньше люминометрического числа.

Устройство люминометра

Д ля определения люминометрического числа и высоты некоптящего пламени* ГОСТ 17750—72 рекомендует прибор ПЛЧТ-69, который состоит из люминометра, комплекта горелок, стабилизатора напряжения, электронного самопишущего потенциометра типа КПС-4 и ка­либров из органического стекла 25 и 50 мм.

Рис. 28. Общая схема люминометра:

1—горелка; 2—механизм перемещения горелки; 3—направляющая фитиля; 4—камера сгорания; 5—электрозапал; 6 — фитиль горелки; 7 — дымоуловитель; 8 — термоуловитель; 9 — термопара; 10—электронный потенциометр; I — измерительная схема индикатора яркости; II — измерительная схема начала дымления.

* Для отдельного определения показателя «высота некоптящего пламени» поль­зуются прибором, описанным в ГОСТ 4338—74.

.

Рис. 29. Панель управления люминометром.

Общая схема люминометра изображена на рис. 28. В теп­лоизоляционной камере сгорания 4 помещается диффузионная горелка с топливом 1, которая с помощью механизма 2 может перемещаться вертикально. От электрозапала 5 происходит зажигание фитиля го­релки 6. В верхней части камеры имеется система по определению момента начала дымления, состоя­щая из фотосопротивлений ФС₁ и ФС₂ и лампочки Л₁ Результирующий сигнал от фотоприемников ФС₁ и ФС₂ посредством измерительной схемы системы начала дымления фиксируется нижним микроамперметром мА_1.

Яркость пламени фиксируется системой индикатора яркости. Свет от пламени горелки попадает на фотоприемник ФС₃, а от лампочки Л₂ — на фотоприемник ФС₄. Результирующий сигнал от фотоприем­ников ФС₃ и ФС₄ через измерительную схему также фиксируется ниж­ним микроамперметром мА₁ который может подключаться к той или другой системе с помощью переключателя П (дым — яркость). Напря­жение на лампочке Л₂ осветителя яркости фиксируется верхним мик­роамперметром мА₂. Над пламенем горелки находится термоулови­тель 8 с термопарой 9, ЭДС которых записывается электронным по­тенциометром КСП-4.

Все перечисленные детали люминометра: электрическая система управления прибором, оптическая система измерения высоты пламени с индикатором начала дымления, система для оценки яркости пла­мени и температуры газов над ним — помещены в футляр, состоящий из двух частей. Верхняя часть футляра съемная. Под ним смонтиро­ваны микроамперметры, фотоприемники, термопара, зажигатель и по­воротный сектор, на котором укреплен тубус с измерительным фото­приемником системы индикатора яркости. Во избежание отклонения пламени от вертикальной оси люминометр снабжен уровнем и регули­ровочными винтами, с помощью которых прибор устанавливается в го­ризонтальном положении.

Управление люминометром выведено на лицевую панель футляра (рис. 29).

Реактивы и материалы

Изооктан.

Тетралин. Плотность 0,959—0,870 г/см³; показатель преломления п 1,5445; массовая доля нафталина — не более 5 %, декалина — не более 19 %. Этиловый спирт ректификованный. Петролейный эфир или авиационный бензин Б-70. Фитиль из шторного шнура (артикул 190) длиной 13—14 см.1,5330

Подготовка прибора

Очищают камеру сгорания от копоти, осевшей внутри камеры на дымоуловителе, втулке направляющей фитиля и термоуловителе, ер­шом или зубной щеткой. Смоченный в этиловом спирте тампон берут пинцетом и протирают защитное стекло и шкалу экрана.

Проверяют юстировку люминометра, для чего снимают верхнюю часть футляра и. устанавливают люминометр в горизонтальное поло­жение при помощи уровня и регулировочных винтов.

Проверяют юстировку системы оптического отсчета высоты пла­мени. Для этого калибр 50 мм с конусным срезом обращают к экрану и устанавливают во втулку направляющей фитиля. Со стороны пово­ротного сектора калибр освещают настольной лампой. Проекция ка­либра должна располагаться по центру экрана и совпадать с рисками нулевого отсчета шкалы экрана, а изображение верхнего среза совпа­дать с риской 50 мм. Если эти точки не совпадают, проводят подъюстировку, регулируя положение зеркала, для чего отвинчивают крышку, расположенную под экраном на лицевой панели прибора.

Для проверки положения термоуловителя калибр 50 мм заменяют на калибр 25 мм. При переводе клювика термопары в рабочее поло­жение термоуловитель должен находиться на расстоянии 0,1 мм от острия калибра, а острие калибра должно располагаться по центру термоуловителя. По окончании проверки калибр удаляют и надевают верхнюю часть футляра.

Юстировку оптических систем прибора проводят по инструкции, прилагаемой к прибору.

В вытяжном шкафу на кювете заправляют горелки топливом. Для испытания необходимо иметь не менее трех горелок для испытуемого и эталонных топлив. Горелки и фитиль чистят от нагара и промывают бензином Б-70, высушивают в сушильном шкафу при 105 °С (не менее 30 мин), после чего продувают воздухом. Отмеряют по 10 мл испы­туемого и эталонных топлив и наливают их в горелки.

Смоченные соответствующим топливом фитили помещают в разъ­емные трубки горелок, стараясь, чтобы в верхней части трубки фитиль выступал из нее на 5—8 мм. После сборки горелки выступающую часть фитиля снова смачивают соответствующим топливом. Затем фи­тиль подрезают ножницами так, чтобы он выступал из трубки на 3 мм и после 10-минутной выдержки при комнатной температуре горелку можно установить в люминометр.

Для включения прибора включают вилку штепсельной колодки в сеть. При поднятии рычажка левого тумблера вверх загорается ин­дикаторная лампочка¹, а стрелка микроамперметра мА₂ показывает напряжение на лампочке осветителя яркости. Отсутствие света в лам­почке свидетельствует о том, что- либо перегорели предохранители или лампочка, либо неправильно включены колодки стабилизатора напря­жения С-009.

После прогрева прибора в течение 15—20 мин проворачивают ручку «чув» (регулировка чувствительности) вправо на 15—20° от на­чального положения, а ручкой «нак» (регулировка накала) устанав­ливают стрелку микроамперметра мА₂ около деления «45—50».

При обоих положениях переключателя «д—я» («дым — яркость») устанавливают стрелку прибора мA₁ на нулевое деление соответствую­щими ручками «о—д» и «о — я». При этом стрелка прибора мА₂ должна находиться на делении «45—50». Если стрелка микроамперметра мА₁ не устанавливается на нуль в положении «о — д», то про­чищают щели дымоуловителя, а в положении «о — я» — регулируют винтами заслонок.

Методика определения

После включения прибора на лицевой его панели открывают дверцы и устанавливают в гнездо лампы горелку с тетралином. С по­мощью штифтов горелку закрепляют пружинным замком в подвижной втулке ламповой камеры и дверцу закрывают. Перемещение горелки для регулирования высоты пламени осуществляется вращением ручки «пламя», которую в данный момент поворачивают влево на 2—3 обо­рота для опускания горелки.

Поворотом клювика «запал отключ.» слева направо до упора уста­навливают петлю из нихромовой проволоки над фитилем. Плавным вращением ручки «пламя» вправо подводят фитиль к нити электро­запала до появления бездымного пламени, которому дают гореть 3—5 мин. Затем клювик отпускают и запал возвращается в исходное положение. Контроль за появлением пламени осуществляется по эк­рану прибора.

Устанавливают яркость лампы осветителя, соответствующую яр­кости пламени тетралина в точке дымления. Для этого переводят переключатель «д — я» («дым — яркость») в положение «д» («дым»), медленно вращая ручку «пламя» вправо, увеличивают высоту пламени до тех пор, пока стрелка прибора мA₁ не начнет отклоняться от нуля. В этот момент поворотом ручки «пламя» влево регулируют пламя так, чтобы стрелка этого прибора отклонилась на 1—2 деления. Затем пе­реводят переключатель «д — я» в положение «яркость», клювик пово­ротного сектора — на «измерение», а ручкой «накал» регулируют на­пряжение в осветителе по прибору мА₁ устанавливая его стрелку на нулевое деление. При этом прибор мА₂ покажет напряжение, при котором яркость лампочки Л₂ будет идентична яркости пламени тетра­лина в точке начала дымления. Все последующие измерения темпера­туры газов над пламенем топлив следует проводить при установив­шемся показании прибора мА₂.

Определение люминометрического числа сводится к последова­тельному определению характеристик теплового излучения (Δt, °С) пламени тетралина, изооктана и испытуемого топлива.

Характеристика теплового излучения пламени тетралина опреде­ляется с горелкой, ранее заправленной тетралином. Включают потен­циометр КСП-4 и поворотом клювика справа налево переводят термо­пару в положение «термо». Затем, регулируя ручкой «пламя», поддер­живают постоянной интенсивность излучения пламени тетралина в те­чение 3—5 мин. При этом стрелка прибора мА₁ должна находиться около нулевого деления. За это время на диаграмме потенциометра в виде кривой будет записываться изменение температуры и после выхода ее на прямолинейный участок записывается Δt тетралина. После этого поворотом клювика слева направо отключают термопару и, вращая ручку «пламя» влево, опускают горелку с тетралином и вы­нимают ее из прибора.

Таким же путем устанавливают горелку с изооктаном, а затем с испытуемым топливом. Определение проводят в той же последова­тельности, как и при установлении характеристики теплового излуче­ния пламени тетралина. При этом сохраняют постоянным около нулевого деления показание микроамперметра мА₁ а по записям на диа­грамме электронного потенциометра находят Δt изооктана и Δt испы­туемого топлива.

Люминометрическое число х подсчитывают по формуле:

Определение люминометрического числа проводят до трех раз и берут среднее арифметическое из полученных значений. Расхождение результатов между параллельными определениями допускается не бо­лее единицы.

Для определения максимальной высоты некоптящего пламени включают люминометр и выполняют все операции, изложенные выше в разделе «Подготовка прибора».

На лицевой панели прибора открывают дверцу и устанавливают в гнезде лампы горелку с испытуемым топливом, укрепляя ее пружин­ным замком. Дверцу закрывают. Поворачивают ручку «пламя» влево на 2—3 оборота. Вращают клювик «запал — отключ.» слева направо до упора. Плавным вращением ручки «пламя» вправо подводят нить электрозапала к фитилю до появления некоптящего пламени и уста­навливают высоту пламени около 10 мм.

Изображение пламени проектируется на матовом экране в мас­штабе 2 : 1 на шкале с делениями. Для отсчета шкала снабжена ви­зирным устройством, ручка «указ.» которого расположена под экра­ном. Переключатель «д - я» переводят в положение «д» («дым»), а ручкой «о — д» устанавливают стрелку прибора мА₁ на нуль.

Через 5 мин от начала горения топлива, медленно поворачивая ручку «пламя» вправо, увеличивают высоту пламени до тех пор, пока стрелка прибора мA₁ не начнет отклоняться от нуля, а затем, вращая ручку влево, возвращают стрелку в исходное положение. В этот мо­мент, пользуясь визирным устройством («указатель»), по шкале эк­рана фиксируют максимальную высоту некоптящего пламени (в мм) с точностью до 0,5 мм.

Измерение максимальной высоты некоптящего пламени испытуе­мого топлива повторяют до 5 раз и среднее арифметическое значение из полученных результатов принимают за окончательный результат.