CC BY
21CHEMICAL SCIENCES
THE EFFECT OF ADDITIVES ON THE PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF OILS FOR GAS
TURBINE ENGINES
Popova K.
Ph.D., Senior lecturer Gubkin Russian State University of Oil and Gas (NIU) 65 Leninsky Prospekt, building 1, Moscow, 119991
ВЛИЯНИЕ ПРИСАДОК НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАСЕЛ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Попова К.А.
к.т.н., старший преподаватель РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина 19991, г. Москва, проспект Ленинский, дом 65, корпус 1 https://doi.org/10.5281/zenodo.7032032
Abstract
Petroleum oils do not fully meet all the requirements of modern heat-stressed gas turbine engines in terms of thermal-oxidative stability, evaporation, operability at low temperatures and other operational and physico-chemical properties. Therefore, recently more and more attention has been paid to lubricants produced by synthetic methods. This topic is very relevant due to the fact that synthetic oils have a number of advantages over petroleum oils. In this regard, an urgent task is to improve the operational properties of ester oil compositions through the use of additives of national production. In total, 15 mixtures of esters national and foreign production were prepared, mixtures with the most acceptable properties were selected from them. To study the effect of additives on anti-wear properties, a compound ester mixture of DOS-T (dioctyl sebacinate thermostable) and DBS (dibutyl sebacinate) was selected in a ratio of 1:1. Additives of national production (ADTF, K-45, TEF-3) were added to it.
Comparing the data obtained, it can be concluded that the most acceptable for the selected mixture is an additive of national production of ADTP at a concentration 0.6% by weight.
Аннотация
Зачастую нефтяные масла не полностью удовлетворяют всем требованиям современных теплонапря-женных газотурбинных двигателей по термоокислительной стабильности, испаряемости, работоспособности при низких температурах и по другим эксплуатационным и физико-химическим свойствам. Поэтому в последнее время все больше внимания уделяется смазочным материалам, получаемым синтетическими методами. Данная тема очень актуальна в связи с тем, что синтетические масла обладают рядом преимуществ по сравнению с нефтяными маслами. В связи с этим актуальной задачей является улучшение эксплуатационных свойств сложноэфирных композиций масла за счет применения присадок отечественного производства. Всего было приготовлено 15 смесей сложных эфиров отечественного и зарубежного производства, из них выбраны смеси с наиболее приемлемыми свойствами. Для изучения влияния присадок на противоизносные свойства была выбрана сложноэфирная смесь ДОС-Т (диоктилсебацинат термостабильный) и ДБС (дибутилсебацинат) в соотношении 1:1. К ней были добавлены присадки отечественного производства (АДТФ, К-45, ТЭФ-3).
Сопоставив полученные данные, можно сделать вывод, что наиболее приемлемой для выбранной смеси является присадка отечественного производства АДТФ в концентрации 0,6 % масс.
Keywords: Ester, tribological properties, antiwear additive, dioctyl adipate, pentaerythritic alcohol, dioctyl sebacate.
Ключевые слова: Сложный эфир, трибологические свойства, противоизносная присадка, диоктила-дипинат, пентаэритритовый спирт, диоктилсебацинат.
Сложные эфиры являются перспективной основой для производства масел, применяемых для газотурбинных двигателей. Синтетические масла на основе сложных эфиров обладают рядом преимуществ по сравнению с нефтяными маслами, например, высокотемпературные и низкотемпературные свойства. Тем не менее, не все сложные эфиры обеспечивают требуемый комплекс физико-
химических свойств. Исходя из этого, необходимо исследовать сложные эфиры различных структур, производимых из разных типов сырья.
В ходе эксперимента нами были исследованы четыре образца сложных эфиров отечественного производства и один образец зарубежного производства.
При анализе полученных данных сложных эфиров очевидно, что ни один из них не удовлетворяет полностью предъявляемым требованиям к маслам для газотурбинных двигателей. Некоторые показатели существенно отличаются, это связано с различной структурой эфиров. Такие эфиры как ДОС-Т (диоктилсебацинат термостабильный), ДБС (дибутилсебацинат) и ДОА (диоктиладипинат) имеют линейную структуру. У эфиров ПЭТ-Б (пен-таэритритовый эфир - базовый) и Nycobase 5950 более разветвленная структура, в соответствии с
Наилучшими показателями обладает смесь с содержанием сложных эфиров 50 % масс. ДОС/ 50 % масс. ДБС. Диаметр пятна износа составляет 1,19 мм, в то время как смесь с содержанием сложных эфиров 25% масс. ДОС-Т/ 75% масс. ДБС, а также сложный эфир ДОС-Т уступают по данному показателю. Критическая нагрузка у данной смеси (50 кгс) выше, чем смеси с содержаниями сложных
этим у данных эфиров более высокая термоокислительная стабильность, устойчивость к износу [1,2].
Исходя из этого необходимо смешать чистые сложные эфиры между собой для получения смеси с показателями, которые будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к маслам для газотурбинных двигателей. Концентрации смесей выбирались исходя из различного строения представленных сложных эфиров, а также по разнице полученных показателей. В таблицах 1 - 5 приведены показатели полученных смесей.
эфиров 75% масс. ДОС-Т/ 25% масс. ДБС и сложного эфира ДОС-Т. Температура застывания у всех смесей одинакова. Температура вспышки у смеси с содержанием сложных эфиров 50 % масс. ДОС/ 50 % масс. ДБС выше, чем у смеси 75% масс. ДОС-Т/ 25% масс. ДБС, но незначительно ниже, чем у смеси 25% масс. ДОС-Т/ 75% масс. ДБС.
трациях
Свойства Чистые сложные эфиры и их смеси Нормированное значение
ДОС-Т ПЭТ-Б 25% масс. ДОС-Т/ 75% масс. ПЭТ-Б 50 % масс. ДОС-Т / 50 % масс. ПЭТ-Б 75% масс. ДОС-Т / 25 % масс. ПЭТ-Б
Плотность при 20 °С, кг/см3 910 991 956 953 946 975-992
Температура застывания, °С <-30 <-30 <-30 <-30 <-30 Минус 60
Температура вспышки, определяемая в открытом тигле, °С 220 258 235 242 215 Не ниже 245
Критическая нагрузка, Pк, кгс 47,5 40,0 40,0 42,5 45,0 Не менее 67
Таблица 1 - Физико-химические свойства сложных эфиров ДОС-Т и ДБС и их смесей в различных концентрациях_
Свойства Сложные эфиры и их смеси Нормированное значение
ДОС-Т ДБС 25% масс. ДОС-Т/ 75% масс. ДБС 50 % масс. ДОС-Т / 50 % масс. ДБС 75% масс. ДОС-Т / 25 % масс. ДБС
Плотность при 20 °С, кг/см3 910 937 919 926 930 975-992
Температура застывания, °С <-30 -12 <-30 <-30 <-30 Минус 60
Температура вспышки, определяемая в открытом тигле, °С 220 225 224 223 221 Не ниже 245
Критическая нагрузка, PK, кгс 47,5 50,0 50,0 50,0 47,5 Не менее 67
Диаметр пятна износа, Ди, мм 1,40 1,10 1,31 1,19 1,16 Не более 0,6
Показатель преломления, по20 1,4530 1,4409 1,4478 1,4451 1,4418 -
Кинематическая вязкость при 40°С, мм2/с 39,0 6,2 26,0 18,0 11,0 Не более 35
Кинематическая вязкость при 100°С, мм2/с 8,0 2,0 6,4 5,6 4,3 Не более 6,0
Таблица 2 - Физико-химические свойства сложных эфиров ДОС-Т и ПЭТ-Б и смесей в различных концен-
Диаметр пятна износа, Ди, мм 1,40 1,00 1,30 0,93 0,90 Не более 0,6
Показатель преломления, 1,4530 1,4520 - - - -
Кинематическая вязкость при 40°С, мм2/с 39,0 23,4 15,4 11,2 8,5 Не более 35
Кинематическая вязкость при 100°С, мм2/с 8,0 5,0 3,8 3,1 2,6 Не более 6,0
Лучшими показателями обладает смесь с содержанием сложных эфиров 50% масс. ДОС-Т/50% масс. ПЭТ-Б. У данной смеси выше критическая нагрузка ( 42,5кгс ), чем у смеси с содержаниями ДОС-Т 25% масс. ПЭТ-Б 75% масс. и сложного
Таблица 3
Смесь с содержанием сложных эфиров 50% масс. ДБС / 50% масс. ПЭТ-Б обладает лучшими физико-химическими показателями. У данной смеси выше критическая нагрузка, чем у сложного эфира ПЭТ-Б и смеси с содержанием 75% масс.
эфира ПЭТ-Б, а также меньше диаметр пятна износа, чем у смеси 25% масс. ДОС-Т/ 75% масс. ПЭТ-Б и сложных эфиров ДОС-Т и ПЭТ-Б. При этом температура вспышки (242 °С) выше, чем у остальных смесей [1,3].
ПЭТ-Б / 25% масс. ДБС, а температура вспышки (237 °С) выше, чем у смеси с содержаниями 25% масс. ПЭТ-Б / 75% масс. ДБС и сложного эфира ДБС
- Физико-химические свойства смесей ДБС и ПЭТ-Б в различных концентрациях
Свойства Сложные эфиры и их смеси Нормиро-ванное значение
ПЭТ-Б ДБС 25 % масс. ПЭТ-Б/ 75% масс. ДБС 50 % масс. ПЭТ-Б / 50 % масс. ДБС 75% масс. ПЭТ / 25 % масс. ДБС
Плотность при 20 °С, кг/см3 991 937 951 964 979 975-992
Температура застывания, °С <-30 -12 <-30 <-30 <-30 Минус 60
Температура вспышки, определяемая в открытом тигле, °С 258 225 233 237 250 Не ниже 245
Критическая нагрузка, Pк, кгс 40,0 50,0 47,5 45,0 42,5 Не менее 67
Диаметр пятна износа, Ди, мм 1,00 1,10 1,10 1,10 1,07 Не более 0,6
Показатель преломления, по20 1,4520 1,4408 1,4430 1,4471 1,4493 -
Кинематическая вязкость при 40°С, мм2/с 23,40 6,20 8,03 10,35 15,11 Не более 35
Кинематическая вязкость при 100°С, мм2/с 5,02 2,00 2,40 2,88 3,76 Не более 6,0
Таблица 4 - Физико-химические свойства смесей ДОА и ПЭТ-Б в различных концентрациях
Свойства Чистые сложные эфиры и их смеси Нормиро-ван-ное значение
ДОА ПЭТ-Б 25% масс. ДОА/ 75% масс. ПЭТ-Б 50 % масс. ДОА/ 50 % масс. ПЭТ-Б 75% масс. ДОА / 25 % масс. ПЭТ-Б
Плотность при 20 °С, кг/см3 930 991 969 952 943 975-992
Температура застывания, °С <-30 <-30 <-30 <-30 <-30 Минус 60
Температура вспышки, определяемая в открытом тигле, °С 196 258 238 227 214 Не ниже 245
Критическая нагрузка, Рк, кгс 45,0 40,0 42,5 45,0 45,0 Не менее 67
Диаметр пятна износа, Ди, мм 1,10 1,00 1,07 1,07 1,10 Не более 0,6
Показатель преломления, пв20 1,4461 1,4408 1,4506 1,4489 1,4475 -
Кинематическая вязкость при 40°С, мм2/с 7,66 23,40 16,35 12,45 10,04 Не более 35
Кинематическая вязкость при 100°С, мм2/с 2,32 5,20 3,97 3,30 2,83 Не более 6,0
Смесь с содержаниями сложных эфиров 50 % масс. ДОА / 50 % масс. ПЭТ-Б является наилучшей по своим физико-химическим показателям. У данной смеси выше критическая нагрузка (45 кгс), чем
у смеси 25 % масс. ДОА / 75 % масс. ПЭТ-Б и сложного эфира ПЭТ-Б. Также меньше диаметр пятна износа (1,07 мм) и выше температура вспышки, чем у смеси 75% масс. ДОА / 25 % масс. ПЭТ-Б и сложного эфира ДОА.
Таблица 5 - Физико-химические свойства смесей ДБС и ЫусоЬа^с 5950
Свойства Чистые сложные эфиры и их смеси Нормированное значение
Nycobase 5950 ДБС 25% масс. КБ 5950/ 75% масс. ДБС 50 % масс. КБ 5950 / 50 % масс. ДБС 75% масс. КБ 5950 / 25 % масс. ДБС
Плотность при 20 °С, кг/см3 992 937 950,8 965 978,1 975-992
Температура застывания, °С <-30 -12 <-30 <-30 <-30 Минус 60
Температура вспышки, определяемая в открытом тигле, °С 256 185 232 241 250 Не ниже 245
Критическая нагрузка, Рк, кгс 53 50 50 53 53 Не менее 67
Диаметр пятна износа, Ди, мм 0,70 1,10 1,0 0,85 0,76 Не более 0,6
Показатель преломления, пв20 1,4560 1,4409 1,4446 1,4482 1,4526 -
Кинематическая вязкость при 40°С, мм2/с 22,50 6,20 7,20 10,18 18,90 Не более 35
Кинематическая вязкость при 100°С, мм2/с 4,77 2,05 2,24 2,83 4,22 Не более 6,0
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что наилучшей композицией является смесь с содержанием сложных эфиров 75% масс. МусоЬаБе 5950 / 25 % масс. ДБС. Данная смесь имеет выше критическую нагрузку, диаметр пятна
износа меньше (0,76 мм), а температуру вспышки больше, чем у остальных смесей и сложного эфира ДБС. Несмотря на то, что эта смесь является лучшей из всех рассмотренных выше, предпочтительнее выбрать отечественную смесь с содержанием
сложных эфиров 50 % масс. ДОС-Т/ 50 % масс. ДБС, так как разница между трибологическими свойствами невысокая, а отечественная смесь ниже по стоимости, более доступна и выгодна для исследований в рамках программы импортозамещения
[4].
Следующим этапом нашей работы было - добавление к выбранной смеси противоизносных присадок, а именно АДТФ, К-45, ТЭФ-3. Нами была выбрана смесь с содержаниями сложных эфи-ров 50 % масс. ДОС-Т / 50 % масс. ДБС исходя из
При получении композиций сложных эфиров с добавлением отечественной присадки К-45 производства ООО «ННП Квалитет» были получены результаты, представленные в Таблице 7.
При получении композиций сложных эфиров с добавлением отечественной присадки ТЭФ - 3 производства ООО «ННП Квалитет» были получены результаты, представленные в Таблице 8.
Таблица 8
Анализируя все полученные значения, делаем вывод, что наиболее предпочтительной для выбранной смеси является присадка отечественного производства диалкилдитиофосфат АДТФ, так как более резкое изменение критической нагрузки и диаметра пятна износа наблюдается при добавлении данной присадки в концентрации 0,6 % масс. При заданной концентрации диаметр пятна износа сократился с 1,19 мм до 0,73 мм, а критическая нагрузка увеличилась с 50 кгс до 71 кгс, что является следствием высокой приемистости присадки АДТФ к смеси сложных эфиров 50 % масс. ДОС-Т / 50 % масс. ДБС. При концентрации 1,0 % масс. АДТФ изменения менее существенны, поэтому приемлемой концентрацией в данном случае будет присадка в концентрации 0,6 % масс [5].
При добавлении присадок К-45 и ТЭФ-3 также заметно улучшение трибологических свойств, но изменения менее значительны. С добавлением присадки К-45 в концентрации 1,0 % масс. критическая нагрузка увеличилась с 50 кгс до 60 кгс, а диметр
приемлемых физико-химических и эксплуатационных свойств данной смеси, низкой стоимости в сравнении с другими эфирами и смесями, недостаточной изученностью данных смесей и их физико-химических и эксплуатационных свойств.
При получении композиций сложных эфиров с добавлением отечественной присадки АДТФ производства ООО «ННП Квалитет» были получены результаты, представленные в Таблице 6.
пятна износа снизился с 1,19 мм до 0,84 мм, в то время как при добавлении АДТФ в меньшей концентрации 0,6 % масс. критическая нагрузка увеличилась до 71 кгс, а диаметр пятна износа также при меньшей концентрации снизился до 0,73 мм.
Присадка ТЭФ-3 имеет схожий состав с присадкой АДТФ, эти присадки являются беззольными, получают их на основе диалкилдитиофосфа-тов, но присадка АДТФ оказала большее влияние на трибологические свойства выбранной смеси. Критическая нагрузка при добавлении присадки ТЭФ-3 в концентрации 1,0 % масс. увеличилась с 50 кгс до 67 кгс, диаметр пятна износа изменился с 1,19 мм до 0,75 мм, в то время как при добавлении присадки АДТФ в меньшей концентрации триболо-гические показатели на порядок лучше.
Сравнивая выбранную смесь с маслом зарубежного производства AeroShell Turbine Oil 500 (Таблица 9), было выявлено, что полученная в ходе исследований смесь уступает зарубежной, но не
Таблица 6 - Трибологические показатели композиций эфиров с присадкой АДТФ
Концентрация, % масс. Критическая нагрузка Рк, кгс Диаметр пятна износа Ди, мм
0,2 56 0,96
0,6 71 0,73
1,0 75 0,65
Таблица 7 - Трибологические показатели композиции эфиров с присадкой К-45
Концентрация, % масс. Критическая нагрузка Рк, кгс Диаметр пятна износа Ди, мм
0,2 53 1,11
0,6 56 0,93
1,0 60 0,84
- Трибологические показатели композиции эфиров с присадкой ТЭФ - 3
Концентрация, % масс. Критическая нагрузка Рк, кгс Диаметр пятна износа Ди, мм
0,2 56 1,05
0,6 63 0,89
1,0 67 0,75
значительно, соответственно, она более конкурен- сложных эфиров, а также добавляемого пакета при-тоспособна в дальнейшем при изучении состава садок.
Таблица 9- Сравнение трибологических свойств композиции сложных эфиров 50 % масс. ДОС-Т / 50 % масс. ДБС с AeroShell Turbine Oil 500_
Масло Критическая нагрузка Рк, кгс Диаметр пятна износа Ди, мм
AeroShell Turbine Oil 500 94 0,40
Композиция 50 % масс. ДОС-Т / 50 % масс. ДБС 71 0,73
Таким образом, были исследованы физико-химические и эксплуатационные свойства созданных композиций сложноэфирных масел. По результатам сравнительных испытаний наиболее подходящей смесью для проведения дальнейшей работы стала смесь 50 % масс. ДОС-Т / 50 % масс. ДБС. На основе этой смеси было исследовано влияние трех присадок АДТФ, К-45, ТЭФ-3 на физико -химические свойства сложноэфирной смеси. Из полученных композиций была также выбрана одна - это композиция 50 % масс. ДОС-Т / 50 % масс. ДБС с присадкой АДТФ 0,6% масс. Сравнение данной композиции с зарубежным маслом AeroShell Turbine Oil 500, показало целесообразность изучения составов сложноэфирных масел для газотурбинных двигателей, так как по полученным результатам, было выявлено, что данные составы являются конкурентоспособными с аналогами отечественного и зарубежного производства [1,6].
Список литературы:
1. Попова К.А., Исследование влияния структуры сложных эфиров на эксплуатационные характеристики масел для газотурбинных двигателей. -Дисс. Канд. Техн. Наук - М: РГУНиГ, 2017 г.- 139с.
2. Тонконогов Б.П., Заворотный В.А., Цветков О.Н., Багдасаров Л.Н. Синтетические смазочные материалы. Часть 1. Получение и применение сложноэфирных продуктов в качестве компонентов смазочных масел.- М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ)имени И.М.Губкина, 2016 - 60с.
3. Калайтан, Е.Н. Смазочные масла для реактивных двигателей. - М.: Химия,1968. - 196 с.
4. Яновский, JI.C., Дубовкин Н.Ф. и др.- Горюче-смазочные материалы для авиационных двигателей. - Казань, 2002. - 399 с.
5. Яновский, Л.С. Инженерные основы авиационной химмотологии. -Казань.: изд. Казанского университета, 2005. - 714 с.
6. Яновский, Л.С., Харин А.А. Проблемы обеспечения химмотологической надежности авиационных газотурбинных двигателей.-Журнал технических исследований, 2015- Т.1.-№2.
