Эксплуатационные свойства авиационных топлив

К эксплуатационным свойствам принято относить следующие: теплоту сгорания, испаряемость, вязкость, стабильность, коррозионные свойства, низкотемпературные свойства, воспламеняемость, электризацию.

Дадим краткую характеристику каждому из указанных свойств.

3.1. Теплота сгорания

Для оценки эффективности топлива большое значение имеют теплота сгорания, потребное количество окислителя, объём и температура продуктов сгорания.

Горение топлива – это цепная химическая реакция окисления топлива кислородом воздуха, в ходе которой химическая энергия превращается, в основном, в тепловую с образованием газообразных продуктов реакции.

Топливная смесь находится в камере сгорания двигателя всего 0,002…0,01 секунды. За это время должны быть завершены все подготовительные процессы и собственно процесс горения. Подготовительные процессы заключаются в распылении, испарении и перемешивании паров горючего с окислителем. Одновременно с физической подготовкой протекают химическая подготовка смеси, заключающаяся в протекании начальных предпламенных реакций между молекулами горючего и окислителя, приводящих к образованию различного рода активных частиц – свободных радикалов.

Подробно физико-химические особенности процесса горения рассматриваются при изучении дисциплины “Теория горения и взрыва”.

Остановимся на определении теплоты сгорания.

Различают высшую и низшую теплоты сгорания.

Высшая теплота сгорания (Н_о) – количество тепла, выделяемое при сгорании 1кг(или 1л) топлива с учётом теплоты конденсации водяного пара при стандартной температуре.

В двигателях продукты сгорания не охлаждаются до начальной температуры и уносят с собой часть тепла (например, тепло конденсации паров воды, образовавшихся при горении водорода топлива), поэтому принято различать две теплоты сгорания: высшую (Н_о) и низшую (Н_и). Низшая теплота сгорания меньше высшей на величину теплоты конденсации паров воды. Эта теплота составляет примерно 2,5 МДЖ на 1 кг воды.

Н_и = Н_о-2,5W, МДж/кг ,

где W - количество воды, образуемой при сгорании 1 кг топлива.

Его легко определить по содержанию водорода в топливе: W=9[Н_Т], где [Н_Т] – массовая доля водорода в топливе.

Для авиационных бензинов и керосинов, имеющих [Н_Т]=0,13…0,15 (кг водорода/кг топлива), W=1,15…1,35 (кг воды/кг топлива)

Следовательно, теплота конденсации паров воды составляет 2,5*W=2,9…3,4(МДж/кг топлива).

Теплота сгорания углеводородного топлива известного состава С_nН_m может быть определена с помощью закона Гесса по тепловым эффектам реакции разложения топлива на углерод и водород и затем раздельного сгорания этих простых веществ с образованием СО₂ и Н₂О.

Затраты энергии на разложение топлива равны стандартной теплоте его образования - энтальпии i_Т одного килограмма топлива.

Низшая теплота сгорания и теплота образования (энтальпия) некоторых топлив представлена в таблицу 3,1.

Таблица 3.1

Низшая теплота сгорания и теплота образования (энтальпия) некоторых топлив. Плотность топлив

Наименование топлива	Hu, МДж/кг	iT, МДж/кг при 293 К	ρ, кг/м3
Парафины CnH2n+2 (среднее значение n=5…18)	44,0	-2,1
Нафтены, олефины CnH2n (среднее значение n=5…18)	43,6	-1,7
Ароматические углеводороды CnH2n-6 (среднее значение n=7…10)	41,1	-0,6
Бензины (керосины) (среднее значение)	43,4	-1,9	715(778)
Метан CH4 жидкий при температуре кипения 111,4 К	49,6	-5,28
Метан CH4 газ	50,2	-4,65	0,716
Метиловый спирт CH3OH	19,9	-7,45
Этиловый спирт C2H5OH	26,7	-6,08
Водород жидкий при температуре кипения 20К	116,3	-4,61	70,8
Водород газ	120,4		0,0846
Углерод - графит твердый	32,8
Бериллий	66,6
Бор	58,6

Стандартная теплота разложения (образования) керосинов и бензинов равна:

i_T, = -1,9 МДж/кг

Теплота сгорания углерода с образованием СО₂ составляет 32,8 МДж/кг углерода. Для водорода - 120,4 МДж/кг водорода. Следовательно, выражение для низшей теплоты сгорания Н_и будет иметь вид:

Н_и=32,8[C_T]+120,4[H_T]+i_T, МДж/кг

где [C_T] – содержание углерода в (кг/кг топлива),

[H_T] - содержание водорода в (кг/кг топлива).

Пример 1:

Определить низшую теплоту сгорания метана СН₄, энтальпия которого равна i_Т=-4,65 КДж/кг.

Определим [C_T] и [H_T]:

[C_T]=

[H_T]= (8),

Тогда Н_и=32,8*0,749+120,4*0,251-4,65=?МДж/кг.

Располагаемый запас энергии в баках ВС, т.е. максимальное количество тепла, которое может быть получено за счет сгорания топлива, равно произведению объема баков V на плотность топлива ρ и на его теплоту сгорания Н_и.

Энергоемкость топлива(H_V) – количество тепла, выделяемое при сгорании1 м³ топлива. В ряде пособий энергоемкость называют удельной объемной теплотой сгорания. Оно равно произведению удельной массовой теплоты сгорания Н_и на плотность топлива ρ:

H_V=H_и*ρ,

где H_V– объемная удельная теплота сгорания, МДж/ м³

H_и – удельная массовая теплота сгорания; МДж/кг

ρ – плотность топлива .

Для самолетов определяющим показателем является объемная теплота сгорания, т.к. объем баков ВС ограничен.

Пример:

Сравнить удельную массовую Н_и и объемную H_Vтеплоты сгорания газообразного и жидкого водорода.

- Газообразный водород: Н_и=120 ;

- плотность газообразного водорода: ρ=0,0846 ;

- H_V=H_и*ρ=120*0,0846=?

- жидкий водород (t=20К) Н_и=116 ;

- плотность жидкого водорода (t=20К): ρ=70,8 .

Для жидкого водорода:

H_V=H_и*ρ=120*70,8=? .

Данные табл.3.1 показывают, что наибольшей массовой теплотой сгорания обладает водород, наименьшей – углерод.

Объемная теплота сгорания наоборот в данном примере наибольшая у углерода и наименьшая у водорода.

Ароматические углеводороды (арены) по сравнению с алканами и цикланами обладают наименьшей массовой теплотой сгорания, но наибольшей – объемной.

Анализ табл.3.1 позволяет также сформулировать пути повышения теплоты сгорания топлив:

Увеличение содержания водорода в топливе за счет гидрирования ароматических углеводородов.

Изомеризация нормальных парафинов, позволяющая расширить диапазон температур жидкого состояния высокономерных парафинов.

Алкилированиециклановых углеводородов.

Добавка в топливо высокоэнергетических компонентов на основе металлоорганических соединений из группы производных бора, бериллия, магния и алюминия.

3.2. Испаряемость топлива

Испаряемость топлива является одной из главных эксплуатационных характеристик, влияющей на лёгкость запуска двигателя, полноту сгорания, нагарообразование. Испаряемость вызывает потери топлива при хранении на складах ГСМ и в высотных полётах, а так же может быть причиной кавитации в топливной системе и отказа двигателя.

Испарение – это процесс перехода вещества из жидкого или твёрдого состояния в газообразное.

Наиболее интенсивен процесс испарения при кипении жидкости. Каждое химическое вещество кипит при определённой температуре, представляющей физическую константу этого вещества (при стандартных атмосферных условиях).Авиационное топливо по химическому составу представляет собой смесь взаиморастворимых углеводородов, выкипающих в определённом диапазоне температур. Поэтому испаряемость топлива зависит от химического состава и может быть оценена по кривой фракционной разгонки.

Экспериментально кривую фракционной разгонки получают путём перевода топлива в пар и последующей конденсации паров с одновременной регистрацией температуры пара и объемного процента отогнанной фракции (рис.3.1.).

В технических условиях на авиационное топливо кривая фракционной разгонки задаётся в табличном виде. При этом выделяются следующие её характерные точки: -t_н- температура начала перегонки; t₁₀, t₅₀, t₉₀, t₉₈ – температуры выкипания 10%; 50%; 90%; 98% топлива соответственно.

Между указанными точками кривой фракционной разгонки и эксплуатационными характеристиками двигателя и топливной системы имеется определённая связь.

Температура t_н определяет потери топлива на испарение при хранении в резервуарах складов ГСМ и при высотных полётах. Чем ниже t_н, тем эти потери больше. Кроме того, температура t_н характеризует условия возникновения кавитации (холодного кипения). Кавитация возникает при падении давления в жидкости ниже давления насыщенных паров и растворенных газов. Обычно кавитация возникает на входе в насос, где имеется разряжение и вероятность её появления наибольшая.

Рис.3.1. Схема установкидля получения кривой фракционной разгонки.

1 - нагреватель; 2 - колба с топливом (100 мл); 3-термометр; 4-холодильник; 5-мерный цилиндр.

Результаты испытаний изображают в виде графика зависимости температуры кипения от процента выкипания (рис.3.2).

Рис.3.2. Примерная кривая фракционной разгонки керосина ТС-1.

Чем ниже t_н, тем раньше возникает кавитация при высотных полётах. При её возникновении подача топлива в двигатель практически прекращается и происходит отказ двигателя.

Температура t₁₀ – характеризует пусковые свойства двигателя на этом топливе. Чем ниже эта температура, тем быстрее испаряется и воспламеняется топливо–воздушная смесь, тем легче запускается двигатель.

Для облегчения запуска ГТД при отрицательных температурах иногда применяют специальные пусковые топлива с пониженным значением t_н. Так на самолётах ТУ-104 для запуска двигателя РД-3М-500 в качестве пускового топлива использовать бензин Б-70 с добавкой 1% масла МК-8.

Температура t₅₀ характеризует быстрый прогрев двигателя после запуска и его приёмистость.

Приёмистость – это свойство двигателя переходить с режима минимальной мощности (малый газ) на максимальный (взлётный) режим. Приёмистость характеризуется временем. Время приёмистости газотурбинных двигателей составляет 8…10с, поршневого двигателя 1…2с. Чем ниже t_{50 ,}тем приёмистость лучше (а время – меньше).

Температуры t₉₀ и t₉₈ характеризуют содержание высокомолекулярных углеводородов и, соответственно, полноту сгорания топлив.

Чем выше эти температуры, тем труднее испаряются тяжелые фракции топлив, ниже полнота сгорания, выше дымление, саже- и нагарообразование.

Таким образом, повышение испаряемости топлива имеет свои преимущества и недостатки.

Преимущества:-облегчается запуск двигателя; -повышается полнота сгорания топлива; -расширяются пределы устойчивого горения топливо – воздушной смеси.

Недостатки: -возрастают потери топлива на испарение при эксплуатации и хранении; -понижается высотность топливной системы вследствие возникновения кавитации; -ухудшаются условия работы топливных насосов и возрастает их износ.

В то же время, снижение испаряемости топлива приводит к ухудшению пусковых свойств двигателя, снижению полноты сгорания и увеличению нагарообразования.

Состав применяемого топлива зависит от типа двигателя, высоты и скорости полёта самолёта.

Для сверхзвуковых самолётов типа ТУ-144 применяют тяжёлые топлива Т-6 и Т-8В. Для дозвуковых газотурбинных самолётов (типа ИЛ-86, ИЛ-62, ТУ-204, ИЛ-114 и др.) применяют керосины ТС-1 и РТ. Эти топлива являются взаимозаменяемыми; разрешается заправка и дозаправка самолёта любым из этих топлив, а также их смесями.

Для самолётов с поршневыми двигателями (АН-2, ИЛ-14, ЯК-18Т) применяются бензины марок Б-91/115 и Б-95/130, в обозначении которых первая цифра обозначает октановое число, вторая – сортность.

3.3. Стабильность авиатоплив

Под стабильностью топлив понимается их способность сохранять постоянным химический состав и физические свойства в процессе хранения, транспортировки и подачи в камеру сгорания двигателя.

При длительном хранении углеводородные топлива подвергаются автоокислению. Скорость процесса автоокисления тем выше, чем выше температура топлива и содержание кислорода в надтопливном пространстве.

В результате автоокисления топлива образуются альдегиды, кетоны и органические кислоты, приводящие к появлению в топливе смолистых веществ, образующих жидкие и твёрдые осадки.

Наиболее устойчивы к окислению алканы (парафины) и циклоалканы, наименее – непредельные и ароматические углеводороды. При окислении непредельных углеводородов помимо спиртов, альдегидов и кислот образуются значительные количества полимерных и смолоподобных веществ.

К факторам, определяющим стабильность авиатоплив, следует отнести;температуру хранения;содержаниекислорода в надтопливном пр-ве и растворенного в топливе; наличие воды и механических примесей;кислотность топлива;содержание непредельных углеводородов;каталитическое действие металлов; содержание серы; время хранения.

Оценка стабильности авиатоплив производится по наличию в нем фактических смол, по показателю термической стабильности.

Фактические смолы – это продукты, которые остаются в виде твёрдого или полужидкого осадка в стеклянном стакане после быстрого и полного выпаривания из него топлива. В основном, это смолы, которые находились в топливе в растворённом состоянии, а также смолы, образовавшиеся в процессе проведения опыта.

Выпаривание керосинов проводят при t=180°C, бензинов –при 150°С, т.е. при температурах наиболее интенсивного окисления углеводородов, входящих в состав этих топлив. Выпаривание проводят либо в воздушном потоке, либо под струёй водяного пара.

Содержание образовавшихся фактических смол определяется по формуле:

c=[(G₂ – G₁)*100]/25,

где c - количество фактических смол в мг/100мл топлива;

G₁ –масса чистого сухого стакана, мг;

G₂ –масса стакана со смолами, мг;

25 –объем испытуемого топлива, мл.

Индукционный период – это время (мин) до начала интенсивного окисления 100мл топлива при выдержке его при t=100°C и давлении кислорода над топливом р=7кгс/см².

Схема испытания приведена на рис.3.3. 100мл топлива наливают в стеклянную колбу, которую погружают в сосуд с кипящей водой. В колбу предварительно подают кислород под давлением 7кгс/см² и закрывают кран 4. Колбу выдерживают в кипящей воде до падения давления кислорода, фиксируемого по манометру 3. Падение давления свидетельствует о резком увеличении скорости окисления топлива и образования смол. Чем больше индукционный период, тем более длительно можно хранить топливо, тем стабильнее его свойства при прокачке по топливной системе, тем меньше количество осадков при повышенных температурах.

Рис. 3.3. Схема установки по определению индукционного периода:

1 - нагреватель; 2 - сосуд с кипящей водой; 3 - манометр; 4 – кран; 5 - колба с испытуемым топливом

Термическая стабильность определяетсяв статических и динамических условиях.В первом случае оно оценивается по количеству мг осадка на 100мл топлива, образующегося на бумажном фильтре после нагрева 50см³ топлива при температуре 150°С в течение 4 часов в присутствии каталитической меди и последующей фильтрации охлажденного топлива.Во втором случае…….(ДТС-1М

Термостабильность характеризует эксплуатационные свойства при повышенных температурах, например, в механизмах управления створками регулируемого сопла при t=180°С, в топливных коллекторах форсажных камер, обдуваемых горячими газами при t=600…800°С.

Конструкционные материалы – металлы агрегатов топливной системы оказывают каталитическое (ускоряющее) действие на процессы окисления топлив и образование в них нерастворимых смолистых соединений, особенно при повышенных температурах.

По интенсивности окисления металлы можно расположить в ряд: Pb>Cu>Sn>…>Fe>Al; т.е. наибольшим каталитическим эффектом обладают свинец и медь, наименьшим железо и алюминий.

Ингибирующее (защитное) действие на окисление реактивных топлив оказывают металлы:

V>Mo>Mg>W>Ni.

Термоокислительная стабильность снижается в присутствии сернистых соединений, особенно, меркаптанов. В их присутствии снижается индукционный период, образуются нерастворимые продукты окисления. Это обстоятельство заставляет снижать максимальную эксплуатационную температуру прямогонных топлив типа ТС-1 до 100…120°С.

Гидроочищенные и гидрированные топлива (РТ, Т-6, Т-8В) с высокой степенью очистки от сернистых соединений и непредельных углеводородов можно применять при t=330…350°С не опасаясь образования большого количества нерастворимых осадков.

Нежелательные последствия термоокисления топлива связаны с нарушением теплопередачи и перегревом масла в топливо–масляном радиаторе, забивкой фильтров, отложениями на деталях топливных насосах, изготовленных из сплавов, содержащих медь, свинец.

3.4. Коррозионные свойства топлив

Коррозия – это разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды. Коррозия обычно начинается на поверхности металла и в дальнейшем распространяется внутрь, существенно изменяя исходные прочностные свойства металлов.

Из химических соединений, входящих в состав топлив, наибольшей агрессивностью обладают соединения, содержащие меркаптановую серу (метилмеркаптан, этилмеркаптан, пропилмеркаптан), сероводород и свободную серу. Такие серосодержащие соединения, как тиофены, дисульфиды и др. не являются коррозионно-агрессивными веществами, но их содержание в топливе должно быть минимальным, чтобы уменьшить загрязнение атмосферы.

Из других органических соединений, которые являются коррозионно-агрессивными компонентами, следует отметить органические кислоты и щелочи.

Процессы коррозии деталей и агрегатов самолетных систем, контактируемых с топливом и продуктами его сгорания, подразделяются на два типа: жидкофазную коррозию, протекающую в жидкой среде, и высокотемпературную или газовую коррозию, протекающую при высоких температурах в среде продуктов сгорания.

Жидкофазная коррозия по механизму разрушающего действия подразделяется на химическую, электрохимическую и биохимическую.

Химическая коррозияимеет место непосредственно на участках контакта топлива с материалами деталей и агрегатов топливной системы и осуществляется за счет химического взаимодействия металла конструкции с коррозионно-активной средой в топливе, в качестве которой выступают сернистые соединения, а также минеральные и органические кислоты.

Наиболее часто химической коррозии подвергаются детали топливных агрегатов из сплавов меди, имеющие кадмиевое покрытие, свинец, цинк и другие сплавы. Указанные металлы, взаимодействуя с меркаптанами, образуют меркаптиды, с серой – сульфиды:

Cu + 2(R – H – S) ® Cu(R – S)₂ + H₂­

меркаптанмеркаптидмеди

Cd + 2(R – H – S) ® Cd(R-S)₂ +H₂­

меркаптидкадмия

Cu + S –®CuS

cульфидмеди

Образовавшиеся продукты реакции легко отделяются от поверхности металла и разносятся по топливной системе, засоряя фильтры и ухудшая работу топливорегулирующей аппаратуры.

Ввиду коррозионной активности сернистых соединений их содержание в топливе ограничивается. Так для топлива РТ содержание серы может быть не более 0,1%, в том числе меркаптановой – не более 0,001%.

Окисление углеводородов топлива, идущее наиболее интенсивно при повышенных температурах, приводит к значительному возрастанию кислотности топлива. Образовавшиеся органические кислоты и другие кислые продукты при взаимодействии с металлами образуют мыла, способные засорять топливные фильтры и тонкие щелевые каналы агрегатов. Кроме того, кислые соединения, образующиеся в топливе, размягчают и разрушают герметики кессон-баков, уплотнительные резиновые прокладки, манжеты плунжерных насосов и других резиновых деталей.

Электрохимическая коррозияимеет место при воздействии на металлы (сплавы) растворов электролитов или влажных газов. При этом одновременно происходят два процесса – окислительный и восстановительный, сопровождающиеся перемещением электронов в металле и ионов в растворе от одного участка к другому.

Электрохимическая коррозия агрегатов топливных систем двигателей наблюдается при обводнении топлива и окислении его до органических кислот и оснований, способствующих увеличению электропроводности топлива. Электрохимическому разрушению подвержены стали, бронзы, латуни, дюралюминий и другие сплавы. Этому виду коррозии способствует нарушение защитного оксидного слоя металла и действие ее наблюдается в виде отдельных пятен ржавчины, местных потемнений и неглубоких очагов.

Биохимическая коррозиясвязана с жизнедеятельностью в реактивных топливах различных микроорганизмов (свыше 100 видов бактерий, грибков, спор и других). Питательной средой для них служат углеводороды. Способствует развитию микроорганизмов наличие воды и умеренных положительных температур в пределах +15 ... +35°С.

Органические и другие кислоты, выделяемые микроорганизмами в процессе жизнедеятельности, вызывают коррозию металлических стенок топливных баков, разрушение герметика, способствуют забивке топливных фильтров и форсунок продуктами коррозии. Для борьбы с развитием микроорганизмов в топливо добавляется микробиоцидная присадка, являющаяся одновременно и пртивоводокристаллизационной жидкостью (ПВКЖ) – жидкость «И-М». За рубежом в качестве бактерицидной применяется присадка, изготовленная на основе бора - «Биобор».

Газовая коррозияпредставляет собой химическую коррозию, протекающую в газовой среде при высоких температурах. Газовой коррозии подвергаются жаровые трубы камер сгорания, сопловые и рабочие лопатки газовых турбин, детали реактивных сопел.

В результате газовой коррозии могут проходить процессы обезуглероживания (и, как следствие, разупрочнения) углеродистых сталей по механизму:

Fe₃C + O₂ ® 3 Fe + CO₂

Fe₃C + H₂O ®3 Fe +CO +H₂ ­

Химические процессы при протекании газовой коррозии связаны с присутствием в продуктах сгорания соединений серы SO₂ , SO₃ и натрия Na₂O, а также соединений ванадия и молибдена.

При температурах выше 800°С никель, составляющий основу жаропрочных сплавов, при взаимодействии с SO₂ образует сернистый никель (NiS), который отлагается по границам зерен и способствует развитию межкристаллитной коррозии. При более высокой температуре может образовываться сульфид никеля (Ni₂S₂), дающий с никелем легкоплавкую эвтектику (t пл.=625°С), что приводит к снижению прочностных характеристик.

Присутствие молибдена способствует поглощению сплавом кислорода. Окисел MоO₃ легколетуч (t пл.= 750°C); его испарение разрушает защитную окисную пленку и открывает доступ к металлу новых порций горячих газов.

Присутствие в топливах следов ванадия и молибдена также способствуют развитию газовой коррозии. Попадая на поверхность сталей пятиокись ванадия (V₂O₅) образует легкоплавкие соединения, приводящие к разрушению стальных жаропрочных конструкций:

4V + 5O₂® 2V₂O₅

V₂O₅ + Fe ®V₂O₄ +Fe O

V₂O₄ + O₂®V₂O₅

Коррозионные свойства авиатоплив оценивают по испытанию на медной пластинке, количеству серы в топливе, содержанию меркаптановой серы, кислотности.

При испытании на медной пластинке стандартную пластинку из чистой электролитической меди выдерживают в топливе в течение 3-х часов при t=50°C. Появление на пластинке черных, темно-коричневых или серо-стальных налетов и пятен указывает на содержание в топливе активных сернистых соединений. При отсутствии изменения цвета пластинки топливо считается выдержавшим испытание.

Количество серыв топливе определяется путем сжигания 1,5….5,0 мл топлива и измерении объема образующегося сернистого ангидрида.

Содержание меркаптановой серы определяется путем титрования испытуемого образца топлива аммиачным раствором CuSO₄. При этом меркаптаны превращаются в меркаптиды, выпадающие в осадок и отделяемые фильтрованием:

2 RSH + [Cu (NH₃)₂]SO₄® Cu(RS)₂ + (NH₄)₂ SO₄

меркаптид меди

При испытании на кислотность определенный объем топлива обрабатывают кипящим этиловым спиртом, который растворяет органические кислоты. Полученную вытяжку оттитровывают раствором KOH. Кислотность выражают в количестве мг KOH, требующихся для нейтрализации 100 мл топлива.

3.5. Низкотемпературные свойства

Понижение температуры топлива вызывает непрерывное повышение его вязкости. При этом наибольшей вязкостью обладают ароматические углеводороды, наименьшей - парофиново-циклановые. Прокачка высоковязких топлив по топливной системе самолета сопровождается высокими гидравлическими потерями, уменьшением производительности топливных насосов, снижением качества распыла и испарения топлива при подаче в камеру сгорания.

Кроме того, при снижении температуры топлива происходит образование кристаллов углеводородов или льда. При этом фильтрующая способность топливных фильтров ухудшается вплоть до забивки фильтров и прекращения подачи топлива к форсункам.

О низкотемпературных свойствах топлива судят по температуре помутнения, кристаллизации.

Температура помутнения – это температура, при которой топливо начинает мутнеть вследствие выделения микроскопических кристаллов льда или углеводородов.

Температурой кристаллизацииназывают максимальную температуру, при которой в топливе появляются первые кристаллы, видимые невооруженным глазом.

Температура кристаллизации отечественных топлив ТС-1, РТ составляет –60°С.

3.6. Растворимость воды в топливах (cм. Химмо-ию, ф-ла Генри)

Растворимость воды или гигроскопичность в топливе зависит от химического состава, молекулярного веса углеводородов, влажности, температуры и атмосферного давления. Различают обратимую и необратимую гигроскопичность топлив.

Под необратимой гигроскопичностью понимается поглощение воды топливом, связанное с образованием устойчивых химических соединений воды и компонентов топлива. В этом случае вода не выделяется в свободном состоянии даже при резких колебаниях температуры и давления.

Обратимая гигроскопичность определяется способностью топлива поглощать воду и выделять ее в виде отдельной фазы при колебаниях температуры и давления.

Механизм поглощения воды при обратимой гигроскопичности связан со способностью воды заполнять межмолекулярное пространство без химического взаимодействия. Колебания температуры будут менять межмолекулярный объем и поглощенная вода будет либо вытесняться из него, либо заполнять.

Количество воды, растворенное в топливе, согласно закону Генри определяется уравнением:

С = Смах Р/Рнас,

где С – концентрация воды в топливе;

Смах – максимально возможная концентрация воды в топливе при данной температуре;

Р – парциальное давление паров воды в воздухе (абсолютная влажность);

Рнас – давление насыщенного пара воды при температуре раствора (максимальная влажность).

Отношение Р/Рнас называется относительной влажностью. При повышении влажности воздуха количество растворенной воды возрастает и достигает максимума при 100% влажности.

При понижении температуры относительная влажность воздуха уменьшается, гигроскопичность топлив также снижается. При этом молекулы воды, выделяющиеся из межмолекулярного пространства частично испаряются в надтопливное пространство, а основная часть выделяется в виде эмульсии типа “вода в топливе”. Под влиянием температуры, механического перемешивания микро капли эмульсионной воды коагулируют, т.е. образуют более крупные капли воды в топливе. На определенной стадии укрупнения капель воды начинается ее отстаивание. Такой процесс образования эмульсионной воды происходит в баках летательных аппаратов при наборе высоты, и вызывается он снижением влажности воздуха, давления и температуры в надтопливном пространстве.

Понижение температуры топлива ниже 0°С может привести к превращению эмульсии воды в суспензию льда. При высокой чистоте заправляемого топлива эмульсионная вода может находиться в переохлажденном (до –40°С) состоянии. Образование льда в этом случае происходит при встрече капель переохлажденной воды с сеткой топливного фильтра, что приводит к забивке фильтра, прекращению подачи топлива и выключению двигателя.

Для предупреждения образования кристаллов льда в топливе применяют конструктивные и физико-химические методы.

Конструктивные методы предусматривают подогрев топливных фильтров при их забивке льдом. Подогреватели топливных фильтров установлены на современных отечественных и зарубежных самолетах.

Физико-химические методы предусматривают:

- впрыск жидкостей, растворяющих кристаллы льда на фильтре;

- вымораживание топлива с последующей фильтрацией и удалением кристаллов льда при подготовке топлива к заправке;

- введение в топливо специальных присадок, растворимых как в топливе, так и в воде и образующих в растворе с водой антифриз.

В качестве таких присадок на отечественных самолетах предыдущих поколений (Ту-154, Ил-62, Ил-18, Ту-134 и т.п.) получила применение противоводокристаллизационная жидкость (ПВКЖ) марки “И-М”. Она состоит из этилцеллозольва (50% масс) и метанола (50% масс) и добавляется в топливо при заправке в количестве 0,1-0,15% в тщательно перемешанном виде. Конкретное количество добавляемой ПВКЖ “И-М” зависит от типа самолета, продолжительности рейса, температуры воздуха в аэропорту вылета и определяется нормативной документацией по заправке ВС (см.126-й приказ).

3.7. Загрязнение авиационных топлив

Основными источниками загрязнений топлив являются материалы, вещества и среды, контактирующие с топливом. Такими загрязнениями могут быть: - минеральные примеси, попадающие в топливо из перерабатываемой нефти; - продукты коррозии и износа технологического, транспортного и складского оборудования при производстве, транспортировке и хранении топлив; - загрязнения, попадающие в топливо из воздуха через “дыхательную” систему резервуаров и дренажную систему топливных баков; - продукты окисления нестабильных компонентов топлив; - продукты коррозии деталей топливной аппаратуры.(см.стр.36 Химмотологии)

Результаты спектрального анализа твердых частиц в топливе показывает, что в их состав входят такие элементы как Si, Fe, Cu, Sn, Pb, Mg, Al, Zn, Cr, Ni, Ti, Mn, P и др. Форма и размер частиц загрязнений различны и находятся в пределах от 1 до 40 мкм. Большие по размеру загрязнения удаляются при многоступенчатой фильтрации топлива при его подготовке к заправке ВС.

Микрозагрязнения в условиях эксплуатации могут приводить к заклиниванию прецизионных золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры, повышать абразивный износ деталей топливных агрегатов, интенсифицировать коррозию топливного оборудования и процессы окисления углеводородов.

Поэтому к чистоте реактивных топлив предъявляются высокие требования – содержание механических примесей в соответствие с Российскими нормативами должно быть не более 2г/т (0,002% масс).

Такая чистота заправляемого топлива достигается длительным отстаиванием топлива в резервуаре (не менее 4 часов на 1 метр высоты налива топлива), применением трехступенчатой системы фильтрации топлива при подготовке его к заправке через систему фильтров с последовательно уменьшающейся тонкостью фильтрации: 20мк, 10мк, 3мк.

Кроме того, используется закрытая заправка топливной системы, установка воздушных фильтров в дренажную систему, периодическая (1 раз в год) зачистка резервуаров хранения топлива от накопившихся загрязнений. (+применение системы азотирования)

Нагарообразующие свойства топлив

При сгорании углеводородов топлив образуются твердые тонкодисперсные частицы, близкие по составу к углероду. Часть этих частиц уносится с продуктами сгорания в виде дыма, другая часть оседает в виде нагара на стенках жаровых труб камер сгорания и, особенно, в зоне ввода в камеру сгорания первичного воздуха. Толщина нагара в этой зоне может достигать 3-4 см.

Состав и цвет нагара зависит от химического состава топлива, режима работы двигателя и температуры деталей.

Отложение нагара на стенках жаровых труб приводит к снижению теплопроводности, возникновению температурного градиента, приводящего к образованию местных температурных напряжений, короблению и растрескиванию стенок жаровых труб. Кусочки нагара, отрываясь от стенок труб, вызывают повреждения лопаток турбин. Нагары на топливных форсунках ухудшают распыл топлива, искажают фронт и структуру пламени и могут быть причиной местных прогаров жаровых труб.

Для оценки склонности топлива к образованию нагара используется стандартная керосиновая лампа. Длина пламени в момент образования копоти принимается за точку дымления (h). Чем выше точка дымления (высота не коптящего пламени), тем меньше склонность топлива к нагарообразованию. Зависимость точки от группового состава углеводородов выражается уравнениемД.И.Менделеева:

h = 0.48П + 0.32Ц + 0.20А,

где h – точка дымления, мм;

П, Ц, А – содержание парафиновых, циклановых и ароматических углеводородов в массовых процентах.

То есть, наибольшее влияние на образование нагара оказывают ароматические углеводороды.

Интенсивность свечения пламени при горении реактивных топлив определяется люминометрическим числом (ЛЧ).

В соответствие с зарубежными спецификациями нагарообразующие свойства топлив широкого фракционного состава оценивают индексом дымления и летучести, которые определяются по формуле:

ИДЛ = h + 0.42X,

где h – точка дымления, мм;

Х – количество фракций в % объема, выкипающих до 204.4°С.

Таким образом, ИДЛ связывает точку дымления и характеристику испаряемости топлива.

3.8. Электризация топлив

Чистое топливо - хороший диэлектрик и характеризуется низкой электропроводностью.

При течении топлив вследствие внутреннего трения в объеме жидкости накапливаются заряды статического электричества. Скорость накопления заряда возрастает при увеличении скорости течения топлива и поверхности трения. В связи с этим наибольший заряд накапливается в топливе после прохождения фильтра. Часть этого заряда уходит через поверхность заземленного фильтра в землю. Другая же, основная часть, вследствие малой электропроводности накапливается в баках ВС, создавая условия для воспламенения паров топлива от заряда статического электричества.

Для уменьшения электризации топлив уменьшают скорость фильтрации, устанавливают игольчатые нейтрализаторы статического электричества (ИНСЭТ) непосредственно после фильтров, заземляют заправочное оборудование, вводят антиэлектростатические присадки, увеличив