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

Воспламеняемость топлива оказывает некоторое положитель­ ное влияние на запуск двигателя и устойчивость горения.

топлива и условий протекания процесса горения. Образование нагара является опасным и вредным, так как вызывает местный перегрев и коробление камер сгорания; осыпающиеся со стенок камеры кусочки нагара могут быть причиной усиленного износа лопаток турбины.

Основное влияние на нагарообразование в реактивных двигате­ лях оказывает химический состав топлива (рис. 62). Наибольшей склонностью к нагарообразованию обладают бициклические аро­ матические углеводороды. Содержание их не должно превышать 3%. Моноциклические ароматические углеводороды менее склонны

Нагарообразующая способность различных классов углеводо­ родов, определенная в лабораторных условиях, подтверждается испытаниями на полноразмерных двигателях топлив различного химического состава (табл. 26).

Нагарообразующая способность топлива зависит также от фракционного состава, содержания смол и серы. С утяжелением фракционного состава и увеличением содержания в топливе серы,

220

Т а б л и ц а 26

Нагарообразующая способность топлив

смолистых веществ и нестабильных соединений нагарообразозание усиливается. При сгорании сернистых топлив образуется твердый нагар с высокой температурой плавления, обладающий сильным зррозионным действием.

Углеводороды реак­ тивных топлив в порядке увеличения их нагарооб­ разующей способности можно расположить в та­ кой последовательности: алканы, цикланы, бициклановые, моноциклические ароматические, бициклические ароматиче­ ские.

Нагарообразу ю щ у ю способность можно оце­ нить по содержанию в топливе ароматических углеводородов по отно­ шению С : Н и по высоте некоптящего пламени в специальной фитильной лампе.

221

Эта эмпирическая зависимость может быть использована для сравнительной оценки влияния химического состава топлива на нагарообразование.

В США и Англии оценку нагарообразующей способности топ­ лив характеризуют показателем — точка дымления, который, по существу, является высотой некоптящего пламени.

Нагарообразующую способность можно оценивать по интенсив­ ности излучения пламени. Для этого определяют люминометрическое число на приборе, оборудованном приспособлениями для из­ мерения яркости пламени и температуры в нем. Чем выше темпе­ ратура при одинаковой яркости, тем лучше считается топливо, вы­ ше его люминометрическое число. Сущность определения люминометрического числа сводится к сжиганию в лампе по 20 мл испы­ туемого и эталонных топлив и определению разности температур при одинаковой интенсивности излучения пламени. В качестве эта­ лонных топлив используется тетралин и изооктан, люминометрические числа которых приняты равными соответственно 0 и 100.

Люминометрическое число испытуемого топлива вычисляется по формуле

где £г, tw tm — температуры соответственно для испытуемого топ­ лива, изооктана и тетралина, взятых при постоян­ ной интенсивности излучения пламени, соответст­ вующего излучению пламени тетралина в начале дымления.

Наиболее высокие люминометрические числа у нормальных ал­ канов, затем в убывающем порядке идут изоалканы, цикланы и ароматические углеводороды. Внутри каждого гомологического ряда люминометрическое число убывает с увеличением числа ато­ мов углерода в молекуле.

Люминометрические числа топлив ТСН и Т-7 колеблются в пре­ делах 70—77, а топлива Т-1 — 50—60.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Теплота сгорания. Влияние теплоты сгорания на тягу и эко­ номичность работы ВРД дают уравнения на стр 209.

Дальность полета самолета L с ВРД рассчитывается по фор­ муле

222

где К — аэродинамическое качество самолета; Ga — начальный вес самолета перед взлетом; Gr— вес топлива.

Из формулы следует, что чем выше теплота сгорания, тем боль­ ше дальность полета при заданном запасе топлива на борту.

Применение топлив с высокой теплотой сгорания позволяет уменьшить потребный запас, улучшив тем самым летно-техниче­ ские характеристики самолетов.

Изменение массовой и объемной теплоты сгорания в зависи­ мости от фракционного и группового углеводородного состава по­ казано в таблицах 27 и 28.

22а

Если лимитирующим фактором является объем баков, то лучire использовать топливо с высокой объемной теплотой сгорания. Если же ограничивающим фактором является масса, а объем ба­ ков велик, то дальность полета будет больше на топливе с более высокой массовой теплотой сгорания. Так, если условно принять

тивного топлива может быть повышена добавлением растворимых в нем соединений с высокой теплотой сгорания, а также введением металлов в тонкодисперсной фазе.

Высокую теплоту сгорания имеют некоторые соединения бора с

зующаяся при сгорании, имеет плохие термодинамические качест­ ва, испарение окиси бора требует больших затрат тепла.

Теплота сгорания ряда элементов в кислороде приведена в таб­ лице 29.

Энергетические показатели существующих топлив путем под­ бора углеводородного состава могут быть улучшены на 5—7%. Наиболее перспективными являются топлива алкано-цикланового основания, выкипающие в интервале температур 200—350° С. Для повышения термоокислительной стабильности и полноты сго­ рания, снижения нагарообразования из топлив должны удаляться ароматические углеводороды.

На основе синтезированных углеводородов также можно полу­ чить реактивные топлива с хорошими эксплуатационными свойст­ вами и высокой теплотой сгорания. Наибольший интерес представ­

224

ляют циклановые углеводороды, особенно полициклические, напри­ мер 1, 3, 5-трициклопентилциклогексан. Эти углеводороды помимо высокой плотности обладают хорошими низкотемпературными свойствами и термической стабильностью.

Энергетические показатели этих топлив на 13—15% выше, чем у керосина. Недостатком топлив на основе циклановых угле­ водородов является их высокая стоимость; производство их дорого, а применение не вышло за рамки лабораторных испытаний.

ратуру горения смеси. Однако основная трудность в использова­ нии металлизированных топлив является стабилизация суспензий порошкообразных металлов в углеводородной среде. В настоящее время в качестве компонентов металло-топливных суспензий ис­ следованы бериллий, алюминий, магний, бор, литий и др. Их при­ менение дает возможность увеличить тягу двигателя и скорость полета самолета. Другое преимущество этих топлив заключается в высокой объемной теплоте сгорания, превышающей в 1,5 раза объемную теплоту сгорания керосина. Это позволяет увеличить дальность полета самолета.

КОРРОЗИОННОСТЬ

Содержание сернистых соединений. Среди реактивных топлив наибольшей коррозионностью обладают те, которые получают из сернистых нефтей. Присутствие сероводорода в топливе недопу­ стимо: он полностью удаляется при получении топлив. Удаление же элементарной серы и меркаптанов представляет значительные трудности, поэтому в небольших количествах они остаются в реак­ тивных топливах. Большой коррозионной агрессивностью облада-

ют меркаптаны, причем низкокипящие меркаптаны (60—130° С) имеют большую коррозионную агрессивность в сравнении с теми,, которые выкипают в интервале температур 150—250° С. С повыше­ нием температуры топлива меркаптаны оказывают более активное коррозионное действие на металлы.

Нейтральные сернистые соединения: сульфиды, дисульфиды, тиофаны, тиофены — при температурах до 100—120° С не вызывают коррозии топливной аппаратуры. Но при температурах 150—250° С их коррозионность увеличивается. Причиной повышенной коррози­ онности при этих температурах является распад некоторых соеди­ нений с образованием коррозионно-агрессивных веществ: меркап­ танов и сероводорода. Процесс коррозии сопровождается разъеда­ нием поверхности, образованием взвешенных в топливе мелкодис­ персных коричневых хлопьев и частиц, содержащих до 10—15% ме­ талла и 6—10% серы. Общее содержание серы в топливе из мало­ сернистой нефти не должно превышать 0,1%, а в топливах из сер­ нистых нефтей — 0,25%, в том числе меркаптанов не более 0,005%.

Газовой коррозии подвергаются жаровые трубы камер сгорания и лопатки газовой турбины. Интенсивность газовой коррозии за­ висит от качества деталей и свойств топлив. Обычно детали газо­ вого тракта двигателей изготавливают из жаропрочных сгалей на хромоникелевой основе. Иногда для повышения жаропрочности добавляют молибден и ванадий. Однако молибден и ванадий склон­ ны к интенсивному высокотемпературному окислению.

Микробиологическая коррозия. Реактивные топлива из-за спе­ цифических условий применения (большой контакт с цветными ме­ таллами, повышенные температуры применения, особенно в тропи­ ках) наиболее подвержены поражению микроорганизмами.

В результате их жизнедеятельности интенсифицируется про­ цесс окисления сернистых соединений до серной кислоты, а угле­ водородов — до карбоновых кислот, обусловливающих повышение коррозионности топлива.

Микроорганизмы способны усиливать электрохимическую кор­ розию не только за счет образования агрессивных веществ, но так­ же в результате повышения аэрации и концентрации кислорода на определенных участках металлической поверхности, катодной деполяризации, разрушения предохранительных покрытий и разло­ жения ингибиторов коррозии.

Борьба с коррозионной агрессивностью ведется в двух нанравлениях:

—повышение коррозионной стойкости металлов;

—снижение коррозионной агрессивности реактивных топлив.

—уменьшения количества общей серы;

—добавления антикоррозионных присадок.

226

Для предотвращения биохимической коррозии применяются присадки, подавляющие деятельность микроорганизмов. Хороши­ ми бактерицидными свойствами обладают растворимые в топливе борорганические соединения. Высокоэффективной присадкой ока­ зался этилцеллозольв.

ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА

Характеристика противоизносных свойств. В процессе эксплуа­ тации реактивных двигателей наблюдается износ топливной аппа­ ратуры. Способность топлива как рабочей жидкости снижать сте­ пень износа трущихся деталей механизмов во время работы при­ нято называть противоизносными свойствами. Наименьший износ наблюдается при работе на топливах Т-1 и Т-6, а наибольший на топливе Т-7.

Противоизносные свойства реактивных топлив определяются химическим составом. При работе на одном и том же топливе с по­ вышением температуры, удельных нагрузок в зоне трения, а также с понижением скоростей взаимного скольжения трущихся пар износы увеличиваются, поскольку ухудшаются условия сохранения смазывающей пленки топлива на трущихся поверхностях.

С уменьшением вязкости топлива износ, как правило, возрас­ тает. Так, если износ плунжеров насоса-регулятора на топливе ТС-1 с >20 = 1,31 сст принять за 100%, то на топливе с v20 =1,05сст износ равен 136%, а с v20 =0,95 сст износ составляет 141%. Одна­ ко противоизносные свойства реактивных топлив не определяются только их вязкостью, поскольку в узлах трения топливной аппара­ туры ВРД обычно отсутствуют условия гидродинамической смазки.

Противоизносные свойства топлива определяются в основном наличием в нем поверхностно-активных веществ, обладающих спо­ собностью адсорбироваться на поверхности металла. Тем самым исключается сухое трение деталей топливного насоса на участках высокого контактного давления, выжимающего жидкость из зазо­ ра. Наиболее высокой поверхностной активностью обладают веще­ ства, молекулы которых имеют большой дипольный момент. Угле­ водороды топлива обладают небольшим дипольным моментом, их противоизносные свойства низкие. Из веществ, которые могут со­ держаться в топливе, большими дипольными моментами отлича­ ются смолы, органические кислоты и другие кислородсодержащие соединения, сернистые и азотистые соединения, т. е. те вещества, которые способствуют интенсивному осадкообразованию при вы­ соких температурах. Глубокая очистка топлива от этих веществ снижает его противоизносные свойства. Так, гидроочищенное топ­ ливо Т-7 по противоизносным свойствам хуже топлива ТС-1, которое вырабатывается из того же сырья. По-видимому, существует такое оптимальное содержание гетероорганических соединений в топли­ ве, которое обеспечивает смазку деталей насосов и не опасно с точ­ ки зрения осадкообразования.

Сложное влияние на смазку и износ деталей оказывает раство­ ренный в топливе кислород. Реагируя при повышении температуры с топливом, он участвует в образовании полезных для граничной смазки гетероорганических соединений, но, с другой стороны, окис­ ляя металл в зоне высоких нагрузок, способствует разрушению по­ верхности деталей. При температуре топлива 90—100° С наблюда­ ется повышенный износ. При более высоких температурах топлива износ снижается, что, по-видимому, объясняется образованием большого количества поверхностно-активных веществ во всем объе­ ме топлива, в том числе и таких, которые химически взаимодейст­ вуют с металлом и создают антифрикционный слой на его поверх­ ности. Искусственное уменьшение содержания растворенного кис­ лорода в топливе путем обработки топлива азотом существенно снижает износ насосов.

Противоизносные свойства топлива ухудшаются в присутствии мккрозагрязнений. Имеет значение не только общее количество частиц, а также их размер и состав. Микрозагрязнения включают 50—70% твердых продуктов — окислов железа, кремния, кальция, магния, алюминия, натрия и меди, имеющих явно выраженные аб­ разивные свойства.

Способы улучшения противоизносных свойств. Стремление к увеличению срока службы реактивных двигателей привело к необ­ ходимости повышения противоизносных свойств реактивных топлив.

Это может быть достигнуто следующими способами:

—подбором сырья для получения топлив оптимального угле­ водородного состава,

— очисткой топлива на оптимальных режимах;

—применением противоизносных присадок.

Соответствующим подбором сырья и улучшением технологии производства топлив можно значительно повысить их смазываю­ щую способность. Под оптимальной очисткой следует понимать из­ бирательное удаление только нежелательных гетероорганических соединений или снижение их концентраций до оптимальных вели­ чин, обеспечивающих выполнение требований по термической ста­ бильности и противоизносным свойствам.

Для повышения противоизносных свойств топлив применяются присадки: сополимеры эфиров метакриловой кислоты, алифатиче­

228