Document 2098490

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2010
№ 162
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
- 135ºС; для ТС-1 - 150ºС; для Т-1 - 160ºС, для Т-6 - 180ºС.
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 120ºС в топливах ТС-1, Т-1 отсутствуют частицы размером более 50 мкм. При
повышении температуры до 150ºС наблюдается образование частиц размером 50…120 мкм. Изза 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
№
1
2
3
4
5
6
Элементы ТРА
Дроссельный кран - втулка
Золотник клапана постоянного перепада - втулка
Распределительный клапан-втулка
Шток гидрозамедлителя - муфта
Плунжер – гильза
Золотники клапана сброса - втулка
Зазоры, мкм
8…12
7…9
10…14
6…8
15…22
5…8
Ряд конструкционных материалов оказываются катализаторами (Pb, Cu, Sn, Cr, Al, Fe) и
ингибиторами (Nb, Zn, Ni, W, Mg, Mo) окисления реактивных топлив (РТ).
82
С.П. Урявин, Е.А. Коняев
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 200ºС (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 (δос) в авиационном ГТД зависит
от многих факторов [4]
δос = f (ТСТ ; ТТ ; РТ ; wТ ; МСТ ; ПР ; КО2 ; КN2 ; Х ; N),
Высокотемпературные отложения (ВТО) реактивных топлив . . .
83
где ТСТ - температура стенки; ТТ - температура топлива;
РТ - давление топлива;
wТ - скорость прокачки;
МСТ - материал стенки;
ПР - присадки;
КО2 - насыщенность кислородом;
КN2 - 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 δос 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 δос можно отнести:
выбор материала стенки;
создание полированной поверхности.
К перспективным конструкторским методам по уменьшению δос можно отнести:
О
обеспечение расчетного необходимого охлаждения стенки до температуры ниже 100 С;
использование электроизолирующего (керамического) покрытия стенок каналов.
Существующие эксплуатационные методы по снижению δос 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
С.П. Урявин, Е.А. Коняев
84
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.