CC BY
152
УДК 621.89
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ (ВТО) РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ: НЕГАТИВНОСТЬ, ВЛИЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ, СПОСОБЫ БОРЬБЫ
С.П. УРЯВИН, Е.А. КОНЯЕВ
Предлагаются способы борьбы с ВТО на основе анализа влияющих факторов.
Ключевые слова: авиационное топливо, термостабильность, высокотемпературные отложения.
Процесс осадкообразования в реактивных топливах оказывает негативное влияние на надежность работы авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). ВТО в топливной системе ГТД приводит к:
• преждевременному засорению фильтров;
• заеданию золотников в насосах-регуляторах, что ведет к «зависанию» оборотов, повышению времени приемистости, помпажу или самовыключению двигателя;
• ухудшению распыла топлива форсунками, сопровождаемого короблением и прогаром жаровых труб.
Исследования процессов осадкообразования углеводородных топлив выявили основную закономерность: образование осадков происходит вследствие повышения температуры их нагрева [1; 2]. Для каждого топлива существует температура максимального осадкообразования: для Т-2 - 135°С; для ТС-1 - 150°С; для Т-1 - 160°С, для Т-6 - 180°С.
Температура влияет не только на количество осадков, но и на их дисперсный состав [2]. С увеличением температуры топлива размеры частиц осадка в нем увеличиваются. Так при температуре 120°С в топливах ТС-1, Т-1 отсутствуют частицы размером более 50 мкм. При повышении температуры до 150°С наблюдается образование частиц размером 50... 120 мкм. Из-за малых зазоров в золотниковых парах топливорегулирующей аппаратуры (табл. 1) возникают различные аварийные ситуации, отмеченные выше.
Повышение температуры топлива вызывает увеличение в составе осадков органических смолистых соединений, а также углерода, серы и азота.
Термоокислительная стабильность реактивных топлив снижается в присутствии смолистых и сернистых соединений и, особенно, при наличии меркаптанов.
Ключевую роль в окислении углеводородов играет кислород, присутствие которого в топливе и надтопливном пространстве способствует интенсификации образования осадков (рис. 1).
Таблица 1
Зазоры в золотниковых парах
№ Элементы ТРА Зазоры, мкм
1 Дроссельный кран - втулка 8...12
2 Золотник клапана постоянного перепада - втулка 7...9
3 Распределительный клапан-втулка 10.14
4 Шток гидрозамедлителя - муфта 6.8
5 Плунжер - гильза 15.22
6 Золотники клапана сброса - втулка 5.8
Ряд конструкционных материалов оказываются катализаторами (РЬ, Си, Бп, Сг, А1, Бе) и ингибиторами (ЫЬ, 2п, N1, ', М^, Мо) окисления реактивных топлив (РТ).
Рис. 1. Влияние газовой среды на забивку топливного фильтра осадками топлива ТС-1
Большое внимание в настоящее время уделяется повышению термостабильности РТ с помощью гидроочистки, которая служит для удаления сернистых соединений, продуктов окисления и смол.
Повышению термостабильности РТ способствуют различные присадки: амифатические амины, сополимеры эфиров метакриловой кислоты и др. При введение их в топливо в количестве до 0,1 % термостабильность увеличивается до 200°С (рис. 2). Скорость прокачки топлива играет существенную роль в топливоподаче и охлаждении агрегатов ГТД, она приводит к изменениям в структуре пограничного слоя, а следовательно, к изменению скорости осадкообразования на фильтрах и греющих стенках каналов (например, ТМР).
Рис. 2. Влияние присадок на образование отложений в топливе ТС-1
Фактор времени в процессе осадкообразования играет очень большую роль, особенно в начальной стадии работы (1). Здесь же нужно отметить и фактор цикличности работы ГТД (циклом нужно считать запуск - останов изделия даже без учета времени работы). Чем больше циклов, тем больше осадка.
Таким образом, можно отметить, что осадкообразование (бос) в авиационном ГТД зависит от многих факторов [4]
бос - ^ (тст ; Тт ; РТ ; ’^г ; Мст ; пр ; К
О2
К
N2
Х ; К),
где ТСТ - температура стенки; ТТ - температура топлива;
РТ - давление топлива; ,№г - скорость прокачки;
МСТ - материал стенки; ПР - присадки;
КО2 - насыщенность кислородом;
Км2 - насыщенность инертным газом (азотом);
Х - физико-химические свойства топлива;
N - число циклов работы ГТД.
Рассмотрим способы предотвращения, уменьшения и удаления высокотемпературных отложений с деталей и узлов ГТД.
К существующим технологическим методам снижения бос можно отнести:
• улучшение технологии получения топлив с применением гидрокрекинга;
• улучшение технологии очистки топлив на НПЗ, гидроочистку;
• добавку антиосадкообразующих присадок;
• предварительную микрофильтрацию.
К существующим конструкторским методам снижения бос можно отнести:
• выбор материала стенки;
• создание полированной поверхности.
К перспективным конструкторским методам по уменьшению бос можно отнести:
• обеспечение расчетного необходимого охлаждения стенки до температуры ниже 100 ОС;
• использование электроизолирующего (керамического) покрытия стенок каналов.
Существующие эксплуатационные методы по снижению бос охватывают:
• уменьшение контакта топлив с окружающим воздухом (плавающие крыши на резервуарах складов ГСМ);
• обеспечение продувки нагретых изделий топливной системы после останова ГТД;
• обеспечение минимального давления при запуске и останове ГТД;
• обеспечение более высокой степени фильтрации топлив при эксплуатации ГТД.
Перспективными эксплуатационными методами следует считать:
• удаление кислорода из топливных систем;
• заполнение надтопливного пространства инертным газом (азотом).
Следует отметить, что все вышеперечисленные методы и способы по снижению ВТО могут осуществляться без снятия двигателя с самолета.
Существующие методы удаления ВТО включают:
• физико-механический метод (очистка ручным инструментом; пескоструйная обработка; очистка косточковой крошкой, дисковыми проволочными щетками);
• физико-химические методы (удаление ВТО посредством щелочных соединений, поверхностно-активных веществ, синтетических моющих средств);
• химико-термические методы (химическое разрушение нагретым реактивом, выжигание ВТО, объемно-температурное изменение).
Физико-химические методы могут проводиться во время профилактических работ при периодическом техническом обслуживании. Остальные проводятся только на ремонтных заводах.
К перспективным методам удаления отложений или снижения их негативного воздействия можно отнести:
• применение в топливной аппаратуре сменных элементов и деталей (фильтров, форсунок, золотниково-распределительных устройств), которые могли бы заменяться автоматически, полуавтоматически (в полете) или вручную (на земле при ТО);
• использование ультразвукового возбуждения колебаний золотниковораспределительных устройств для предотвращения их заедания на временных интервалах полета, соответствующих их рабочему диапазону. Это относится к золотниковым парам
клапанов перепуска воздуха, управления перекладкой лопаток направляющего аппарата, постоянства перепада давления, управления реверсом и др.
Частота и мощность ультразвукового воздействия, необходимые для страгивания золотника и зависящие от силы трения, массовых и геометрических характеристик золотниковых пар, могут быть определены по методике, изложенной в работе [3].
ЛИТЕРАТУРА
1. Дубовкин Н.Ф., Маланичева В.Г. и др. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив. - М.: Химия, 1985.
2. Яновский Л.С., Иванов В.Ф., Галимов Ф.М. и др. Коксоотложения в авиационных и ракетных двигателях. - Казань : Абак, 1999.
3. Коняев Е.А., Урявин С.П. Разработка метода обеспечения надежности золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры ГТД. - М.: МГТУ ГА, 2009.
4. Алтунин В.А. Исследование особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования. - Казань: Казанский государственных университет им. В.И. Ульянова-Ленина, 2005. - Т. 1.
FUEL HIGH TEMPRATURE MEASURES: NEGATIVENESS, FACTORS, MEANS OF STRUGGLE
Uryavin S.P., Konyaev E.A.
Means of struggle with fuel high temperature measures is suggested.
Key words: aviation fuel, thermostability, high-temperature adjournment.
Сведения об авторах
Урявин Сергей Петрович, 1957 г.р., окончил МИИГА (1981), директор ЦСавиаГСМ ГосНИИ ГА, автор 16 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, оценка эксплуатационных свойств авиационных материалов и изделий.
Коняев Евгений Алексеевич, 1937 г.р., окончил РИИ ГА (1959), доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой авиатопливообеспечения и ремонта ЛА МГТУ ГА, автор более 200 научных работ, область научных интересов - диагностика авиационных ГТД, авиационная химмотология топлив и масел.
