1.1. Авиационные горюче-смазочные материалы. Учебнометодический комплекс модуль Авиационные горючесмазочные материалы Авиационные топлива Основное сырье для получения авиатоплив (АТ) нефть

• Название: Учебнометодический комплекс модуль Авиационные горючесмазочные материалы Авиационные топлива Основное сырье для получения авиатоплив (АТ) нефть
• Дата: 10.01.2020
• Размер: 1.25 Mb.
• Имя файла: 1.1. Авиационные горюче-смазочные материалы.pdf
• Тип: Учебно-методический комплекс; #103361
• страница: 2 из 10

Гидрокрекинг заключается в обработке тяжелых остатков прямой перегонки с температурой выкипания 350…600 0
С водородом при давлении
110 атм., температуре 400 0
С с применение комбинированных катализаторов
(алюмо-никель-молибденовый, алюмо-кобальт-молибденовый). Этот процесс является наиболее прогрессивным для получения реактивных топлив и позволяет получать до 60…80% топлива от исходного сырья.
Методы очистки топлива
Топлива для авиационных поршневых и реактивных двигателей не должны содержать ненасыщенных соединений, склонных к полимеризации и образованию каучукоподобных веществ. Вредными являются серосодержащие соединения и, особенно, меркаптаны и сероводород, так как их наличие способствует интенсивному протеканию коррозионных процессов. Должны быть удалены и нормальные высшие парафины, способные к кристаллизации при положительных температурах, а также часть ароматических соединений.
Поэтому нефтяные дистилляты, идущие на получение топлив, подвергаются

различным видам обработки с целью удаления примесей.
Кислотная очистка заключается в обработке дистиллятов топливных фракций 80..86% H
2
SO
4
, при этом сернистые, кислородные и азотистые соединения образуют с водным раствором H
2
SO
4
прочные соединения и извлекаются из дистиллятов; удаляются также все непредельные углеводороды и часть ароматических.
Щелочная промывка включает обработку топливных дистиллятов 1…3% водным раствором NaOH. Такой метод очистки применяется для извлечения сероводорода, образовавшегося при разложении сернистых соединений в процессе перегонки нефти. Кроме того, при щелочной промывке удаляются меркаптаны и органические кислоты.
После кислотной и щелочной очисток дистилляты отмываются водой до нейтральной реакции среды.
Очистка отбеливающими землями заключается в пропускании паров бензина через слой пористой земли. Действие отбеливающих земель приводит к ускорению полимеризации непредельных углеводородов.
Очистка хлористым цинком, плюмбитом натрия применяется для удаления из топлива меркаптанов.

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.
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 протекает 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
n
Н
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 СО
2
и Н
2
О.
Затраты энергии на разложение топлива равна стандартной теплоте его образования - энтальпии i
Т
одного килограмма топлива.
Низшая теплота сгорания и теплота образования (энтальпия) некоторых топлив представлены в табл. 3.1.
Таблица 3.1 Низшая теплота сгорания и теплота образования (энтальпия)
некоторых топлив.
Плотность топлив
Наименование топлива
H
u
,
МДж/кг i
T
, МДж/кг при 293 К ρ, кг/м
3
Парафины C
n
H
2n+2
(среднее значение n=5…18)
44,0
-2,1 700
Нафтены, олефины C
n
H
2n
(среднее значение n=5…18)
43,6
-1,7 750
Ароматические углеводороды C
n
H
2n-6
(среднее значение n=7…10)
41,1
-0,6 850
Бензины (керосины) (среднее значение)
43,4
-1,9 715(778)
Метан CH
4
жидкий при температуре кипения
111,4 К
49,6
-5,28 422
Метан CH
4
газ
50,2
-4,65 0,716
Метиловый спирт CH
3
OH
19,9
-7,45 793
Этиловый спирт C
2
H
5
OH
26,7
-6,08 789
Водород жидкий при температуре кипения
20К
116,3
-4,61 70,8
Водород газ
120,4 0
0,0846
Углерод - графит твердый
32,8 0
2250
Бериллий
66,6 0
1855
Бор
58,6 0
2300

равна
Стандартная теплота разложения (образования) керосинов и бензинов i
T
, = -1,9 МДж/кг .
Теплота сгорания углерода с образованием СО
2
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
Определить низшую теплоту сгорания метана СН
4
, энтальпия которого равна i
Т
=-4,65 КДж/кг.
Определим [C
T
] и [H
T
]:
[C ]=
;
T
[H ]=
1, 008* 4 0, 151 кг водорода
T
12, 011*1 1, 008* 4
кг топлива
Тогда Н
и
=32,8*0,749+120,4*0,151-4,65=38,09 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 сгорании 1 м
3
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/ м
3
;
H
и
– удельная массовая теплота сгорания, МДж/кг;
ρ – плотность топлива
кг
м
3
Для самолетов определяющим показателем является объемная теплота сгорания, т.к. объем баков ВС ограничен.
Пример
Сравнить удельную массовую Н
и и объемную H
V
теплоты сгорания газообразного и жидкого водорода:
- газообразный водород Н
и
=120
МДж
;
кг

- плотность газообразного водорода ρ=0,0846
- жидкий водород (t=20К) Н
и
=116
МДж
;
кг
- плотность жидкого водорода (t=20К): ρ=70,8
Для жидкого водорода
кг
;
м
3
кг
м
3
H
V
=H
и
*ρ=120*0,0846=10,15
МДж
м
3
Данные табл. 3.1 показывают, что наибольшей массовой теплотой сгорания обладает водород, наименьшей – углерод.
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;
- алкилирование циклановых углеводородов;
- добавка в топливо высокоэнергетических компонентов на основе металлоорганических соединений из группы производных бора, бериллия, магния и алюминия.
Испаряемость топлива
Испаряемость топлива является одной из главных эксплуатационных характеристик, влияющих 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.
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; t
10
, t
50
, t
90
, t
98
– 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 установки для 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 t
10
– 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 используют бензин Б-70 с добавкой 1 масла МК-8.
Температура t
50
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…10 с, поршневого двигателя 1…2 с. Чем ниже t
50
, тем приёмистость лучше (а время – меньше).
Температуры t
90
и t
98
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, 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.
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; содержание 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
=[(G
2
– G
1
)*100]/25, где - количество фактических смол в мг/100 мл топлива;
G
1
– масса чистого сухого стакана, мг;
G
2
– масса стакана со смолами, мг; 25
– объем испытуемого топлива, мл.
Индукционный период – это время (мин.) до начала интенсивного окисления 100 мл топлива при выдержке его при t=100 C и давлении кислорода над топливом р=7 кгс/см
2
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/см
2
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 определяется по количеству мг осадка на 100 мл топлива, образующегося на бумажном фильтре после нагрева 50 см
3
топлива при температуре 150 С в течение 4 часов в присутствии каталитической меди и последующей фильтрации охлажденного топлива.
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 насосов, изготовленных из сплавов, содержащих медь, свинец.