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

•— не коррозировать детали топливной системы; -- иметь высокую стабильность в условиях хранения, транспор­

тировки и применения.

Кроме рассмотренных выше требований, качество реактивного топлива должно наиболее полно отвечать условиям реактивного принципа работы авиационных силовых установок.

Расход топлива

Удельная тяга, т. е. тяга двигателя, отнесенная к единице мас­ сы рабочего тела — воздуха и топлива, составляет

Удельный расход топлива равен

Из уравнений следует, что чем больше теплота сгорания топ­ лива и меньше воздуха требуется для его полного сгорания, тем выше удельная тяга. Тяга зависит также от эффективного к. п. д. -це, который пропорционален термическому к. п. д. -qt. Последний определяется составом продуктов сгорания и степенью их расши­ рения.

С учетом принципов реактивного движения топливо должно от­ вечать следующим требованиям:

—иметь возможно более высокую теплоту сгорания и неболь­ шое количество воздуха для полного сжигания единицы массы го­ рючего;

—продукты сгорания должны быть с малой молекулярной массой и устойчивыми к диссоциации;

—иметь высокую плотность, так как расход топлива велик, а его запасы на летательных аппаратах ограничиваются объемом топливных баков.

Для двигателей сверхзвуковой авиации необходимо, чтобы топ­ ливо, имея высокую теплоту сгорания, плотность и термическую стабильность, одновременно обеспечивало полноту сгорания, не вызывало нарушений в подаче и потери от испарения.

Для воздушно-реактивных двигателей используются преимуще­ ственно углеводородные топлива, полученные из нефти.

По фракционному составу эти топлива делятся на три основ­ ные группы:

— типа керосина, например, топлива Т-1, ТС-1, Т-7, Т-8 и РТ;

— типа широкой фракции, включающее помимо керосиновых и бензиновые фракции;

210

— утяжеленные топлива узкого фракционного состава типа топ­ лива Т-6, имеющие большую плотность и низкое давление насы­ щенных паров.

Большую часть топлив получают прямой перегонкой из мало­ сернистых и сернистых нефтей.

По объему производства наиболее массовыми являются топли­ ва ТС-1 и Т-7. Топливо Т-7 — гидроочищенное, содержит не более 0,05% серы, в том числе меркаптановой не более 0,001%.

Утяжеленные топлива типа Т-6 получают как прямой перегон­ кой, так и путем гидрирования газойлей каталитического крекинга, в результате чего ароматические углеводороды превращаются преимущественно в циклановые.

Высококачественные реактивные топлива с преимущественным содержанием циклановых углеводородов можно получать гидриро­ ванием керосиновых дистиллятов прямой перегонки.

Дальнейшее развитие авиации связано не толь­ ко с увеличением количе­ ства потребляемого реак­ тивного топлива, но и улучшением его эксплуа­ тационных свойств. Этим требованиям в известной степени будет удовлетво­ рять топливо Т-8 с преде­ лами выкипания 164— 264° С и плотностью не менее 0,825 г/см3, полу­ чаемое на базе гидро­ очистки дистиллятов сер­ нистых и малосернистых нефтей.

они теряют подвижность, лежит ниже обычных минимальных темпе­ ратур северных районов Советского Союза (ниже — 60°С). Повы­ шение вязкости до 30—50 сст при охлаждении (рис. 58) увеличи­ вает гидравлические сопротивления при движении по топливопро­ водам, но не вызывает нарушений в перекачке. Затруднения в по-

даче возникают при фильтровании топлива в процессе заправки самолета и в топливной системе двигателя.

Фильтруемость нарушается вследствие кристаллизации высо­ коплавких углеводородов, выделения кристаллов льда при низких температурах, присутствия смолистых веществ и механических при­ месей. Выделение из топлива при низких температурах высоко­ плавких углеводородов является одной из причин, затрудняющих фильтрацию топлив. Из всех углеводородов, входящих в состав реактивного топлива, наиболее высокую температуру помутнения и начала кристаллизации имеют алкановые (табл. 21).

Керосиновые фракции (140—280° С) из парафинистых нефтей имеют температуру начала кристаллизации до минус 40° С. Для того чтобы получить реактивное топливо с началом кристаллиза­ ции ниже минус 60° С, необходимо ограничивать температуру кон­ ца кипения до 230—260° С.

Основной причиной нарушения фильтруемости реактивных топ­ лив при охлаждении является образование кристаллов льда. Вода в реактивном топливе в любой форме опасна для эксплуатации самолета, так как может замерзнуть и нарушить подачу топлива к двигателю. Кроме того, в присутствии воды усиливается коррозия

ричества. Эмульгаторами могут быть смолы и другие поверхност­ но-активные вещества.

Главная опасность эмульсионной воды заключается в том, что она может вызвать обмерзание фильтров. Капли воды в реактив­ ном топливе способны к переохлаждению. Так, капли диаметром !0 мкм могут переохлаждаться до минус 40° С, а капли диаметром 100 мкм — до минус 30° С.

Помимо эмульсионной во всех реактивных топливах имеется растворенная вода. Содержание воды зависит от состава топлива, температуры, влажности воздуха и атмосферного давления: с по­ нижением температуры, влажности и внешнего давления содержа­ ние воды в топливе уменьшается. Так, в топливе Т-1 при темпе­ ратуре от +10 до 0°С может раствориться до 60—80 г воды на 1 т, а при температуре минус 20° С в 2—3 раза меньше. При охлажде­

212

нии топлива, например в холодную погоду, при заполнении назем* ных емкостей теплым топливом из подземных резервуаров или ле­ том в дозвуковом полете на большой высоте растворенная вода выделяется в виде мелких капель. Эти капли при отрицательной температуре топлива превращаются в кристаллы льда.

используются эксплуатационные и физико-химические методы. Эксплуатационные методы включают подогрев топлива или фильт­ ра, впрыск специальной жидкости на фильтр, вымораживание. При низких температурах топливо перед заправкой самолетов вы­ держивается в течение 2—3 суток в наземных расходных емкостях. При этом происходит его охлаждение. Выделяющаяся из топлива вода превращается в кристаллы льда, которые удаляются при фильтрации топливозаправщиком. Но при этом не вся вода выде­ ляется: часть ее остается в топливе и выделяется при более глубо­ ком охлаждении, в процессе полета самолета.

Для борьбы с кристаллами льда, образующимися в процессе

присадками могут быть спирты, эфиры и другие соединения. Наибольшее распространение получили этилцеллозольв — монб-

этиловый эфир этиленгликоля — и тетрагидрофурфуриловый спирт

По внешнему виду этилцеллозольв прозрачная, бесцветная жид­ кость с плотностью при 20° С 0,93—0,95 г/см3; 94% перегоняется в пределах от 128 до 140° С. Очень гигроскопична. При обводнении теряет свои свойства по предотвращению кристаллообразования. Поэтому ее хранят в бочках под двумя пробками и добавляют, как правило, перед полетами в следующих количествах: при темпера­ туре окружающей среды до минус 15°С — 0,1%, от минус 15°С до. минус 25° С — 0,2% и ниже минус 25° С — 0,3%. Введение такого количества обеспечивает фильтрацию всех стандартных реактив­ ных топлив до минус 50°С.

Для самолетов с продолжительным временем полета независи­ мо от температуры окружающей среды к топливу добавляется 0,3'% этилцеллозольва.

Аналогичным свойством обладает тетрагидрофурфуриловый спирт.

Механизм действия этих присадок заключается в том, что они увеличивают растворимость воды в топливе и растворяют уже об­ разовавшиеся кристаллы льда или инея, осыпающегося со стенок емкости. Когда содержание воды в топливе превышает ее раство­

213

римость в присутствии присадки, последняя частично выпадает из топлива, образуя с водой низкозамерзающие растворы.

Небольшие количества смолистых веществ в стандартных топ­ ливах практически не отлагаются на фильтрах. Однако если в топ­ ливе присутствует свободная вода, то смолистые вещества ассо­ циируются с капельками воды и отлагаются на фильтрах.

Загрязнение реактивных топлив механическими примесями, продуктами коррозии, мылами нафтеновых кислот ухудшает фильтруемость топлив. Особенно сильно снижает фильтруемость на­ личие в топливах липких солей нафтеновых кислот, способных за ­ бивать поры фильтра. Эти соли могут присутствовать в реактивных топливах при недостаточной их промывке водой после щелочной очистки.

Прокачиваемость при высоких температурах. Основной причи­ ной нарушения прокачиваемое™ в результате нагрева топлива яв­ ляется образование осадков, наиболее интенсивно протекающее в пределах температур 150—190° С. При хранении максимальный на­ грев реактивных топлив невелик и даже в южных районах страны реактивные топлива практически не изменяют своих свойств в те­ чение 3—4 лет. Но при сверхзвуковой скорости полета происходит значительный нагрев топлива. Так, при скорости полета М > 2 ,5 температура топлива перед форсункой достигает 250° С.

При температуре выше 100° С топлива интенсивно окисляются, в результате чего образуются нерастворимые осадки, смолы и кис­ лые продукты, которые забивают топливные фильтры, нарушая нормальную работу системы питания.

Образование осадков в реактивных топливах зависит от их со­ става и температуры нагрева. Для каждого топлива существует температура максимального осадкообразования. Начальная тем­ пература образования осадков является практически предельно возможной для применения данного топлива.

Снижение осадкообразования при нагреве топлива выше опре­ деленного максимума объясняется:

—изменением направления химических и физических превра­ щений топлива и повышением растворимости образующихся про­ дуктов;

—снижением концентрации кислорода вследствие повышения давления насыщенных паров над топливом и образования зоны их оттока.

Помимо температуры осадкообразование в топливах зависит от каталитического действия металлов, наличия гетероорганических соединений и группового углеводородного состава.

Большое влияние на осадкообразование оказывает химический состав горючего. Повышенное содержание бициклических, арома­ тических, особенно с ненасыщенными боковыми цепями, и непре­ дельных углеводородов, а также различных гетероорганических со­ единений резко повышает склонность к образованию осадков.

214

Для реактивных топлив основным источником осадкообразова­ ния являются азот-, серу- и кислородсодержащие соединения. Сре­ ди гетероорганических соединений наибольшее влияние на обра­ зование осадков оказывают сернистые соединения. Наиболее опас­ ны меркаптаны и элементарная сера.

Образующиеся при нагревании топлива смолистые вещества ухудшают прокачиваемость. Поскольку фильтрация топлив при высоких температурах зависит от образующихся продуктов окис­ ления и уплотнения, то в среде инертных газов фильтруемость улучшается.

Улучшить прокачиваемость топлив при повышенной темпера­ туре можно:

—очисткой от нестабильных компонентов;

—тщательной фильтрацией перед заправкой;

—применением присадок, предотвращающих осадко- и смоло­ образование;

—удалением воздуха из топливной системы и заменой его

инертным газом. ; Нестабильные сернистые соединения удаляются гидроочисткой.

С целью получения высококачественных топлив для сверхзвуковой авиации используется гидрирование.

Другой причиной, вызывающей нарушение прокачиваемое™ на больших высотах и при высоких температурах, является образо­

215

мерно 17 км, а на топливе широкого фракционного состава на высоте 12 км.

Образование паровых пробок можно уменьшить созданием из­ быточного давления в системе питания и предварительным охлаж­ дением топлива.

ИСПАРЯЕМОСТЬ

Влияние испаряемости на работу двигателя. Испаряемость ре­ активного топлива влияет на запуск, полноту и устойчивость сго­ рания, дальность полета и потери от испарения на больших высо­

нагарообразования топливо должно обладать легким фракцион­

требуется утяжеление фракционного состава. Характеристика ре­ активных топлив по испаряемости приведена в таблице 23.

Топлива с высокой испаряемостью обеспечивают запуск на бо­ лее бедных смесях.

Пусковые свойства в известной степени характеризует темпе­ ратура перегонки 10% топлива. Так, на топливе, 10% которого вы­ кипает до 70° С, двигатель легко запускается при минус 55—60° С,

исключительно большое значение для повторного запуска заглох­ шего двигателя в полете.

более 25 сет полнота сгорания заметно снижается. Причина это­

го— ухудшение раопыливания и качества смесеобразования

(рис. 59).

217

Потери от испарения. В дозвуковых реактивных самолетах топ­ ливные баки соединены с окружающей средой, что ведет к значи­ тельным потерям топлива на больших высотах. Хотя топливные баки сверхзвуковых самолетов имеют наддув, потери от испарения топлива при увеличении температуры могут быть также велики.

218

Для снижения потерь реактивных топлив в высотных условиях используются предварительное охлаждение топлива и герметиза­ ция топливных баков. Хорошие результаты дают герметизация топ­ ливных баков и создание избыточного давления до 0,2 кг/см2, что

О 20 40 60 80 1001ZQ 140160180 200

Температуратоплибо,°с

Рис. 60. Влияние температуры топлива на давление насыщенного пара и вскипание топ­ лива при открытом дренаже и наддуве баков.

позволяет использовать топливо широкого фракционного состава на высоте до 18 000 м. На сверхзвуковых самолетах, рассчитанных на длительные полеты, желательно применять топливо узкого фракционного состава— 195—300°С. Для уменьшения взрывоопас­ ности при накоплении паров горючего и кислорода воздуха в баках применяются насыщение топлива и наддув баков азотом. Насы­ щение топлива азотом повышает также термическую стабильность и улучшает противоизносные свойства.

ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬ И НАГАРООБРАЗУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ

Воспламеняемость. Процессы воспламенения и горения топли­ ва в ВРД и ГТ в значительной степени определяются процессами испарения и смешения. Влияние химического состава топлива за­ метно сказывается лишь в неблагоприятных условиях пуска и ра­ боты двигателя, особенно на режимах, когда резко снижаются давление и температура воздуха на входе в камеру сгорания.

219