CC BY
47
УДК 662.7:665.753.2
КИНЕТИКА РОСТА МАССЫ ОТЛОЖЕНИЙ НА КОНКРЕТНОМ ЗОЛОТНИКЕ НАСОСА-РЕГУЛЯТОРА НР-30 КП ГТД Д 30КУ ПРИ ЕГО КОНТАКТЕ С АВИАКЕРОСИНОМ
С.П. УРЯВИН, М.Г. ГОЛУБЕВА, В.Н. ЗЕНУШКИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
Установлены закономерности кинетики роста массы отложений при различных температурах эксплуатации на конкретном золотнике насоса НР - 30КУ в топливе ТС-1.
Ключевые слова: авиационный газотурбинный двигатель, топливорегулирующая аппаратура, золотниковые пары, залипание, отказы.
Практически во всей элементной базе систем автоматического управления топливопитани-ем авиационных ГТД используются гидравлические клапаны золотникового типа. В процессе эксплуатации они подвержены явлению "заклинивания" или "зависания". Данное явление обусловлено в том числе накоплением на золотниковых парах смолистых отложений, возникающих при их контакте с авиакеросином, особенно в состоянии так называемого "покоя" и при повышенных температурах эксплуатации. Исследование процесса роста отложений при контакте с авиакеросинами, в том числе и с ТС-1, проводились ранее на модельных системах. Рост отложений определялся по изменению теплопроводности стенок трубчатых образцов, имитирующих топливопроводы [1].
Представляет интерес максимально приблизить испытания к конкретным золотникам, наиболее часто подверженным "заклиниванию". По данным ремонтной диагностики, проведённой на ВАРЗ 400 при ремонте ГТД Д - 30КУ [2] и представленных на диаграмме (рис. 1), наиболее подвержены "заклиниванию" золотники клапана постоянного перепада давления топлива - 11 отказов, блокировочного клапана - 6 отказов, автомата распределения топлива - 5 отказов, датчика оборотов - 3 отказа.
В качестве объекта настоящего исследования использовали золотник блокировочного клапана, поскольку он оказался наиболее удобным для исследования (рис. 2), так как представляет собой золотниковую пару, включающую золотник 1 и втулку 2.
Рост смолистых отложений определяли по изменению массы золотника в процессе его контакта с авиакеросином. В качестве авиакеросина использовали топливо ТС - 1 без присадки ПВКЖ. Эксперимент проводили на приборе ЛСАРТ - 77, который позволяет устанавливать и поддерживать во времени температуры топлива, характерные для эксплуатации золотниковой пары. После каждого времени выдержки в топливе при всех температурах испытаний золотники сушили при температуре 150оС до постоянной массы.
Массу золотников определяли на аналитических весах с ценой деления 0,1 Мг. Максимальное время контакта золотника с топливом определяли по времени наступления эффекта "заклинивания" золотника во втулке после его выдержки в топливе при температуре 150оС. Эффект заклинивания определяли на доработанной установке марки "Кристалл -15".
Рис. 1. Диаграмма количества отказов золотниковых пар насосов НР - 30КУ по причине их "заклинивания": 1 - золотник 3141.268.1 во втулке 672.106 - клапана постоянного перепада давления топлива (КППД); 2 - золотник 3035.021 во втулке 3127.323 - клапана блокировки;
3 - золотник 3035.061.1 во втулке 3027-105-1(2) - узла отключения стартёра;
4 - золотник 3035. 1421 во втулке 3035-143 АРТ - автомата распределения топлива;
5 - золотник 3035. 399 во втулке 3055.401 - датчика оборотов
Рис. 2. Общий вид золотника блокировочного клапана насоса регулятора НР-30КУ
Экспериментальные данные приведены в табл. 1 - 3.
Таблица 1
Кинетика роста массы отложений на золотнике при температуре 80оС
т, ч 1 = 80°С
Ши, г ш°, г Шк, мг Шт, мг Ьп К1
6 19,5631 19,5654 6,0 2,3 0,48 0,081
8 19,5631 19,5660 6,0 2,9 0,66 0,083
10 19,5631 19,5665 6,0 3,4 0,84 0,084
12 19,5631 19,5669 6,0 3,8 1,0 0,083
14 19,5631 19,5672 6,0 4,1 1,15 0,082
Кіср = 0,083
Таблица 2
Кинетика роста массы отложений на золотнике при температуре 100оС
т, ч 1=100°С
Ши, г ш°, г Шк, мг Шт, мг Ьп К2
6 19,5640 19,5671 6,0 3,1 0,727 0,121
8 19,5640 19,5677 6,0 3,7 0,96 0,120
10 19,5640 19,5682 6,0 4,2 1,21 0,120
12 19,5640 19,5685 6,0 4,5 1,39 0,116
14 19,5640 19,5689 6,0 4,9 1,70 0,121
К2ср = 0,120 Таблица 3
Кинетика роста массы отложений на золотнике при температуре 150оС
т, ч 1= 150°С
Ши, г ш°, г Шк, мг Шт, мг Ьп Кэ
6 19,5635 19,5674 6,0 3,9 1,05 0,174
8 19,5635 19,5681 6,0 4,6 1,45 0,181
10 19,5635 19,5685 6,0 5,0 1,79 0,179
12 19,5635 19,5688 6,0 5,3 2,15 0,179
14 19,5635 19,5690 6,0 5,5 2,48 0,177
Кэср = 0,178
В этих таблицах: ши - исходная масса золотника, г; ш° - масса золотника с отложениями, г; шк - критическая масса отложений, при которой заполняется весь зазор между золотником и втулкой (получены расчетным путём), мг; шт - масса отложений в данный момент времени, мг;
Ьп - натуральный логарифм отношения -----------к—; К - константа скорости роста отложений,
Шк - Ш
отнесённая к 1 молю смол, образующих отложения.
По данным табл. 1-3 построены графики зависимостей в системе координат
1п —Ш— = і(т) и 1п Кт = і (—), которые представлены на рис. 3, 4.
Шк - Ш т
Рис. 3. Кинетика роста массы отложений на золотнике при различных температурах топлива ТС - 1
Из рис. 3 следует, что зависимость 1п быть представлена уравнением
Ш
Шк - Шх
1п
Ш
Исходя из этого уравнения
Шк - Шх
= К-т .
= Г(т) имеет линейный характер и может
(1)
1п
Ш„
К =
Шк - Шх
1п
Ш
или т =
Шк - Шх
К
Полученные соотношения хорошо согласуются с кинетическими уравнениями для химических реакций 1-го порядка, а также с работами Г.Ф. Большакова и его учеников [3, 4]. Согласно этим работам процессы окисления (осмоления) авиакеросинов осуществляются на уровнях моно-и бимолекулярных реакций.
Таким образом, используя уравнение 1, можно определить константу скорости роста массы отложений в заданном временном интервале и время, за которое масса отложений достигает значений (примерно 92% от тк), при которых имеет место "заклинивание" золотника во втулке.
Зависимость 1пКт = Г(1) согласно графику (рис. 4) также имеет линейный характер.
ЬпК-,
І.П К,
1 А —
■2.0-
-2 'І-
Г 1 [ Г II тггт
1)- ¿и ЮС№ - 373 К
Т?“ 273
27-Э + І50ГС - 423 К 2.ЄЗ-1ОІпКі=’г.Б0 1,- З.Б5-И}1пК^ -2.1-1 т?
1 «и?.* _ Ч ТЛ
1 >
■- к
*
2.?
2.'.
2,В
2В
3.0
т т°-
Рис. 4. Зависимость константы скорости роста массы отложений на золотнике от температуры
По данным рис. 4 зависимость 1пКт = Г (—) описывается уравнением
т
1
1п Кт = -а — + 1пК0
(2)
1
или Кт = Ко • е
Е
где а = —-, Еа - энергия активации роста массы отложений, Дж; Я - универсальная газовая поЯ
стоянная,
Дж
К
Таким образом, уравнение (2) можно представить в виде
- Еа
Кт = Ко • е кт .
т
В результате несложных математических преобразований уравнения (2) и (3) можно представить в виде
1пКт2 = - —); (4)
Кт1 Я Т т/
ЕД-1 -1)
КТ —
—^ = е Я . (5)
Кт
Т1
Таким образом, полученные закономерности позволяют:
- по известным значениям Кт и Кт определить Еа - энергию активации роста массы отложений, т. е. энергетический барьер, который необходимо преодолеть одному молю авиатоплива, чтобы окислиться и образовать смолистые отложения;
- по известным значениям Еа и Кт при выбранной температуре определить Кт при любой температуре эксплуатации золотниковой пары, а следовательно, время достижения при этой температуре массы отложений (примерно до 90 -95% от тк), вызывающих эффект "заклинивания".
Энергия активации (Еа), определённая по уравнению (4) или (5), при температурах 80оС и
150оС составляет 13490 Дж/моль или 13,490 кДж/моль, что также хорошо согласуется с данны-
ми работ [3, 4].
Справедливость уравнений (4) или (5) проверили, рассчитав по ним значение при температуре 100оС и сравнив полученные данные с экспериментальной величиной (табл. 2). Отклонение расчётной величины от экспериментальной составляет 13,3%, что вполне допустимо для химмотологических исследований.
Выводы
1. Установлены закономерности кинетики роста массы отложений при различных температурах эксплуатации на конкретном золотнике блокировочного клапана насоса НР - 30КУ в топливе ТС-1 без присадки ПВКЖ.
2. Определена энергия активации роста массы отложений в топливе ТС - 1, которая составляет 13,490 кДж/моль.
3. Определена масса отложений, при которой возникает "заклинивание" золотника во втулке, и которая составляет 90-95% от расчётной величины.
4. Полученные закономерности позволяют определить время до заклинивания золотника во втулке при различных температурах эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алтунин В.А. Исследование особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового исполнения. - Казань: Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова - Ленина, 2005. - Кн. I.
2. Акты - отчёты ВАРЗ № 400 за 1996 - 2008 гг.
3. Большаков Г.В. Образование гетерогенной системы при окислении углеводородных топлив. - Новосибирск: Наука, 1990.
4. Большаков Г.В., Каплан З.Г. Общее кинетическое уравнение и механизм образования коллоидных систем при окислении авиационных топлив: труды конференции. - Киев, 1972. - Вып. 34.2 - С. 154 - 160
SEDIMENTATION MASS INCREASE KINETICS ON CONCRETE POOL-AND-SLEEVE OF REGULATOR PUMP OT-30 RH WITH CONTACT WITH AVIATION FUEL IS OBSERVED
Uryavin S.P., Golubeva M.G., |Zenushkin V.N.
Contamination Mass increase kinetic Patterns with various exploitation temperatures on concrete pool-and-sleeve of regulator pump HP-30 is determined.
Key words: aviation jet engine, fuelregulating equipment, pool-and-sleeve, sealing.
Сведения об авторах
Урявин Сергей Петрович, 1957 г.р., окончил МИИ ГА (1981), директор ЦС авиаГСМ ГосНИИ ГА, автор 7 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, обеспечение качества авиационных ГСМ.
Голубева Майя Георгиевна, окончила МХТИ им. Д.И. Менделеева (1959), кандидат технических наук, доцент кафедры авиатопливного обеспечения и ремонта летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, обеспечение качества авиационных ГСМ.
Зенушкин Виктор Николаевич, 1947 г.р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1976), кандидат технических наук, доцент кафедры авиатопливного обеспечения и ремонта летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 20 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, обеспечение качества авиационных ГСМ.
