книги из ГПНТБ / Эксплуатационные свойства и применение горючего, смазочных материалов и специальных жидкостей учебное пособие

С К Л О Н Н О С Т Ь К Л А К О - И Н А Г А Р О О Т Л О Ж Е Н И Я М

Влияние свойств топлив на отложения. При применении дизель­ ных топлив наблюдается образование различных отложений в си­ стеме питания и камере сгорания двигателей. Образование этих отложений зависит как от режима работы и состояния двигателя, так и от качества топлива. Изношенные дизельные двигатели с на­ рушенной регулировкой системы питания дымят, загрязняя воз-; душные бассейны особенно крупных городов.

Склонность дизельных топлив к образованию лака и нагара связана с их химической стабильностью. Дизельные топлива, полу­ ченные прямой перегонкой, не содержат непредельных углеводоро­ дов, поэтому достаточно стабильны и практически не изменяют своих свойств даже при длительном хранении. На образование различных отложений сказывается в большой степени присутствие в дизельном топливе фактических смол. Наличие большого коли­ чества смол приводит к выпадению смолистых пленок на по­ верхности фильтрующих элементов, вследствие чего уменьшается подача. По этой же причине наблюдается зависание игл распыли­ телей форсунок из-за образования на их поверхности лакоподоб­ ных пленок. В результате зависания прекращается подача топли­ ва или ухудшается его распыливание.

Засмоление игл происходит не только при использовании топ­ лива с высоким содержанием фактических смол, но и топлив, со­ держащих непредельные углеводороды или серу (рис. 52) Как из-

«5 $

,5э с

Рис. 52. Влияние непредельных углеводородов и сернистых соединений на величину отложений на игле распылителей форсунок:

/ —малосернистое топливо; 2 —сернистое топливо с меркап­ танами; 3 —топливо, содержащее непредельные углеводоро­ ды и меркаптаны.

вестно, образование смолистых и лаковых отложений является результатом окислительной полимеризации углеводородов; этот процесс ускоряется в присутствии непредельных углеводородов, смол, активных сернистых соединений, в частности меркаптанов, а также при повышении температуры.

200

Из графика видно, что толщина смолистой пленки на поверх­ ности запорной иглы форсунок при использовании топлив различ­ ного состава неодинаково увеличивается с повышением их тем­ пературы.

Для прямогонных малосернистых топлив минимальная темпе­ ратура, при которой толщина смолистой пленки достигает крити­ ческой величины (2 мкм) и вызывает зависание иглы, превышает

Температура распылителя форсунки быстроходных дизелей со­ ставляет 160—165° С.

При работе двигателей наблюдается также образование нага­

вания из-за повышенной вязкости, тяжелого фракционного соста­ ва, большого содержания фактических смол, большой зольности; повышенного содержания серы и низкого качества масла.

Наибольшее количество нагара дают топлива, содержащие по­ вышенное количество смолистых веществ, ненасыщенных и арома­ тических углеводородов. Исходя из этого, содержание фактиче­ ских смол в дизельном топливе ограничивается для зимнего не бо­ лее 40 мг/100 мл и летнего не более 60 мг/100 мл топлива.

При сгорании топлив, содержащих серу, не только увеличива­ ется количество отложений, но и меняется их характер. С увеличе­ нием содержания серы в топливе углистые отложения становятся твердыми и плотными, что способствует повышенному износу дви­ гателя.

С повышением вязкости и утяжелением фракционного состава способность топлива к образованию нагара увеличивается.

Косвенным показателем оценки содержания в топливе смоли­ стых и нестабильных соединений, вызывающих повышенное нагарообразование в двигателе, является коксуемость топлива или 10%-ного остатка топлива после его перегонки. Коксуемость вы­ ражается в процентах и показывает количество кокса, оставше­ гося в результате испарения и разложения топлива при его про­ каливании без доступа воздуха. Но этот показатель лишь косвенно характеризует склонность топлива к нагарообразованию. Поэтому разработан метод непосредственного определения нагарообразую- ш.ей способности на лабораторных и полноразмерных двигателях.

Нагарообразующая способность по этому методу оценивается по количеству нагара, образовавшегося за определенное время при постоянных условиях испытания на специальных нагарниках, по­ мещенных в камеру сгорания установки ИТ-9/3, ИТ-9-Зм (метод ПЗИ).

Методы уменьшения склонности топлив к отложениям. Для по­ вышения полноты сгорания дизельных топлив, снижения 'дымле-

201

ния и отложений в двигателе используют следующие методы: уда­ ление нестабильных соединений, смол и сернистых соединений; введение присадок. Испытано и предложено большое количество присадок к топливам, особенно на основе металлоорганических со­ единений цинка, бария, кальция.

Противонагарные свойства этих присадок обусловливаются на­ личием незначительного количества металла, выполняющего роль катализатора и обеспечивающего полноту сгорания, и органиче­ ского компонента, который делает нагар более рыхлым, что облег­ чает удаление его потоками воздуха при продувке камеры сгорания.

Однако такие присадки пока не дают большого эффекта и не нашли широкого применения.

Значительное уменьшение лакообразования в дизелях дости­ гается применением присадок к маслам, обладающим моющими свойствами. Повышение полноты сгорания дизельных топлив и уменьшение дымности отработавших газов следует добиваться пу­ тем дальнейшего совершенствования рабочего процесса и приме­ нения топлив облегченного фракционного состава.

КОРРОЗИОННОСТЬ

Влияние сернистых и кислородных соединений. Коррозионность дизельных топлив обусловливается теми же причинами, что и кор­ розионность бензинов, с той лишь разницей, что в дизельном топ­ ливе коррозионных агентов, как правило, больше.

При прямой перегонке нефти в бензиновых дистиллятах оказы­ вается сравнительно мало нафтеновых кислот, но в газойлевых ди­ стиллятах (дизельное топливо) их намного больше. Такое же яв­ ление имеет место и в отношении сернистых соединений: в бензи­ новых дистиллятах содержание серы относительно невелико, в то время как в дизельных топливах достигает значительных величин.

Ресурсы малосернистых нефтей ограничены, и в настоящее вре­ мя основная часть топлива получается из сернистых нефтей, в ре­ зультате чего дизельные топлива, не подвергнутые гидроочистке, имеют большое содержание общей серы. Это сильно сказывается на их коррозионности. Активными коррозионно-агрессивными веще­ ствами могут быть водорастворимые кислоты и щелочи. Поэтому присутствие их в топливах недопустимо.

Присутствие в дизельных топливах органических кислот вызы­ вает коррозию тары и топливной аппаратуры. Например, при хра­ нении топлив с высокой кислотностью в оцинкованной таре обра­ зуются соли (нафтенат цинка), что повышает зольность топлив. Коррозионный износ топливной аппаратуры обычно наблюдается при кислотности топлива выше 12 мг КОН/100 мл.

В таблице 20 приводятся результаты испытаний работы двига­ теля на топливах с различной кислотностью. Коррозионность ди­ зельного топлива, не содержащего активную серу, незначительна.

Коррозионное действие топлива, содержащего сернистые сое­ динения, проявляется в трех направлениях:

2 0 2

—коррозия и изнашивание топливной аппаратуры;

—кислотная и газовая коррозия;

—абразивный износ продуктами отложений в двигателе. Присутствие меркаптанов резко повышает коррозионность топ­

лив. Например, износ плунжерных пар при работе на топливе с содержанием RSH 0,025% увеличивается вдвое по сравнению с износом при работе этой же пары на топливе без меркаптанов, а

с содержанием общей серы не более 1% и меркаптаковой 0,01%. Этими величинами и ограничивают содержание серы в дизельном топливе. Значительно сложнее обстоит дело с коррозией двигате­ лей продуктами сгорания сернистых топлив.

При сгорании образуется серный и сернистый ангидриды. При высокой температуре в условиях камеры сгорания они взаимодей­ ствуют с металлом верхней части цилиндра и компрессионного кольца. Газовая коррозия тем сильней, чем выше температура и больше содержание в газовой фазе SO2 и S 0 3. По мере расшире­ ния газов в цилиндре дизельного двигателя их температура сни­ жается и газовая коррозия уменьшается.

При конденсации паров воды окислы серы начинают растворять­ ся в воде, образуя серную и сернистую кислоты. Эти кислоты всту­ пают в реакцию с металлами интенсивно, разрушая их. При проме­ жуточных температурах, когда взаимодействие металла с окислами замедляется, а конденсация паров еще не происходит, коррозия, обусловленная продуктами сгорания, минимальная.

При кислотной коррозии особенно сильно разрушаются подшип­ ники дизелей, изготовленные из свинцовистой бронзы, так как кис­

203

Г л а в а 13. РЕ А К Т И В Н О Е Т О П Л И ВО

УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ, ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ

О б л а с т ь п ри м ен ен и я и с о р т а . Реактивное топливо используется как источник энергии авиационных воздушно-реактивных двига­ телей (ВРД). Иногда это топливо применяется в качестве горюче­ го для газотурбинных двигателей.

Воздушно-реактивные двигатели, включающие турбореактив­ ные |ТРД) и прямоточные (ПВРД), позволяют обеспечить боль­ шие скорости полета самолетов. Турбореактивные и газотурбинные двигатели начинают использовать в качестве силовых установок наземной техники и некоторых кораблей ВМФ, а также в народ­ ном хозяйстве.

Широкое распространение этих двигателей в авиации объясня­ ется их большими преимуществами по сравнению с поршневыми:

—небольшим удельным весо?,1 , габаритами и возможностью развивать высокую тягу;

—использованием топлива более тяжелого фракционного со­

става в сравнении с авиационным бензином.

В настоящее время почти вся авиация стала реактивной. Основ­ ной величиной, характеризующей реактивный двигатель как сило­ вую установку, является сила тяги. Последняя возникает вследст­ вие преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию газовой струи, вытекающей из реактивного сопла.

Продукты сгорания с большой скоростью вытекают через реак­ тивное сопло двигателя в атмосферу. Скорость истечения газов определяется их термодинамическими характеристиками и тепло­ той сгорания топлива.

Область использования того или иного вида ВРД в авиации за­ висит от того, какие удельные расходы топлив и скорости полета обеспечивают данные типы двигателей (рис. 53).

лучшие показатели. С увеличением скорости полета преимущества турбовинтового двигателя уменьшаются: при М =1 турбовинтовой двигатель имеет примерно такой же расход топлива, как и турбо­ реактивный, а при М > 1 турбореактивный двигатель характери­ зуется меньшими удельными расходами топлива.С ростом скорости полета диаметр воздушного винта должен неизбежно уменьшаться, чтобы снизить лобовое сопротивление воздуха. Но при уменьшении диаметра винта уменьшается сечение отбрасываемой им струи воз­ духа. Чтобы сохранить тягу при меньшем количестве отбрасы­ ваемого воздуха, винт, хотя и уменьшают, но помещают в трубу, увеличивая этим скорость отбрасываемого воздуха. Такая система по существу представляет собой вентилятор, а двигатели называ­ ются трубовентиляторными. Эти двигатели превосходят по эконо­ мичности турбовинтовые при М =1.

205

Прямоточный ВРД при М < 2 имеет наибольший удельный рас­ ход, однако при М > 3—4 его удельный расход меньше, чем у тур­ бореактивного, особенно с форсажной камерой. Поскольку в совре-

Скорсстьполета, числа Маха

Рис. 53. Удельные расходы топлива для двига­ телей различных типов:

1—поршневой двигатель; 2—турбореактивный; 3—турбовин­ товой; 4—турбовентиляторный; 5—турбореактивный с фор­ сажной камерой; б—прямоточный; 7—линия температуры нагрева топлива в самолете.

менной авиации используютсзя преимущественно турбореактивные двигатели, применительно к ним рассмотрим особенности воспла­ менения и горения реактивного топлива.

Воспламенение и горение. Горение в ВРД протекает с большой теплонапряженностью:

Теплонапряженность камер сгорания ТРД составляет 100-106 — 250 - 106, а сверхзвуковых ПВРД — до 600 • 10е ккал/м3ч.

Горение в ГГД развивается как непрерывный процесс в быст­ ро движущемся газовоздушном потоке. Скорость движения пото­ ка может достигать 60—100 м/с, а максимальная скорость горения составляет около 40 м/с. Для повышения устойчивости горения з камере устанавливаются стабилизаторы, завихрители, экраны

206

и обтекатели. Схема, иллюстрирующая физическую картину раз­ вития процессов смесеобразования и горения в ТРД, приведена на рис. 54. В камере сгорания условно можно выделить три зоны.

Рис. 54. Схема развития процесса горения в воздушно-реактивном двигателе:

/ —зона распыливания и испарения; / / —зона воспламенения и горения; III—зона разбавления

иупорядоченного движения газов.

Впервой происходит распыливание, испарение, смешение и обра­

Во второй осуществляется воспламенение и горение. Образовав­ шиеся газы имеют высокую температуру и не могут направляться непосредственно на лопатки турбины. В третьей зоне продукты сго­ рания смешиваются с воздухом и поступают далее в направляю­ щий аппарат турбины с температурой 800—900° С.

Основным нарушением процесса горения в воздушно-реактив­ ном двигателе является срыв пламени. Особенно неблагоприятные условия для протекания процесса горения создаются на больших высотах, при понижении температуры и давления. С подъемом на высоту плотность воздуха падает и его массовый расход уменьшается. Сохранение необходимого состава горючей смеси приводит к снижению расхода топлива, уменьшению давления впрыска и ухуд­ шению качества распыливания. Это нарушает стабильность сго­ рания.

Факторы, влияющие на полноту и устойчивость сгорания. Пол­ нота сгорания характеризуется коэффициентом выделения тепла, представляющего собой отношение действительно выделившегося тепла в камере сгорания к теплу, подведенному с топливом. Пол­ нота сгорания является важной характеристикой рабочего процес­ са ВРД и ГТД и на эксплуатационных режимах для основных ка­ мер составляет 0,97—0,98, а для форсажных и ПВРД k=0,9 —0,95.

Устойчивость сгорания оценивается предельными значениями коэффициентов избытка воздуха при обеднении и обогащении, ког­ да наступает срыв пламени. Обычно за предел допустимого обога­ щения принимается состав смеси, при котором появляется пламя

207

на срезе камеры, так как горение в зоне направляющего аппарата и лопаток турбины не допускается.

ются скорости испарения и предпламенных химических превращекий топлива, увеличивается задержка воспламенения. Время раз­ вития процесса воспламенения и горения увеличивается, поэтому часть несгоревшего топлива уносится в зону разбавления, где вследствие смешения с воздухом нет условий для осуществления полного сгорания.

ТемператураЬоздуха,°С

Рис. 56. Изменение коэффициента выделения тепла в зависимости от темпе­ ратуры воздуха на входе в камеру сгорания экспериментальной установки:

1 и 2—топлива различного состава.

208

Резкое снижение полноты сгорания топлива наблюдается при температуре воздуха на входе в камеру сгорания ниже 80° С (рис. 56).

Влияние состава смеси. Для каждой камеры сгорания сущест­ вует оптимальное значение коэффициента избытка воздуха, при котором полнота сгорания топлива наибольшая (рис. 57). Откло-

ной установке при различных давлениях воздуха.

нение от этого значения в сторону обогащения или обеднения топ­ ливо-воздушной смеси вызывает уменьшение полноты сгорания. При обогащении смеси горение происходит с недостатком кислоро­ да и не создаются требуемые условия для полного смесеобразова­ ния, необходимого для нормального сгорания. Причиной снижения полноты сгорания с обеднением смеси является снижение скорости горения. При значительном отклонении состава смеси от оптималь­ ного значения коэффициента избытка воздуха в сторону обогаще­ ния или обеднения скорость горения настолько падает, что проис­ ходит срыв пламени.

Требования к качеству топлива. Исходя из условий эксплуата­ ции и особенностей протекания процесса сгорания, топлива для авиационных воздушно-реактивных и газотурбинных двигателей должны удовлетворять следующим требованиям:

—обеспечивать надежный запуск двигателя в наземных и вы­ сотных условиях;

—хорошо прокачиваться по топливной системе самолета приразличных температурах на больших высотах полета и не вызы­ вать износа агрегатов топливной системы;

—устойчиво, полно и с высокой скоростью сгорать, не обра­ зуя нагара;