1.1. Авиационные горюче-смазочные материалы. Учебнометодический комплекс модуль Авиационные горючесмазочные материалы Авиационные топлива Основное сырье для получения авиатоплив (АТ) нефть
 Скачать 1.25 Mb.
|
|
Азотсодержащие соединения входят в состав сукцинимидных присадок, широко использующихся при производстве современных сортов товарных масел, постепенно вытесняющих серу и фосфорсодержащие присадки из рецептур последних. Внедрение подобных присадок связано с ужесточением экологических требований к товарным маслам. Старые рецептуры масел, содержащие серу и фосфорсодержащие противоизносные и противозадирные присадки при высоких температурах выделяли чрезвычайно токсичные серу и фосфорорганические соединения, пагубно влиявшие на окружающую среду. Смолисто-асфальтеновые вещества содержатся в основном в высококипящих нефтяных масляных фракциях. Они относятся к классу полигетероциклических соединений, содержащих в цикле, кроме углерода и водорода, азот, серу, кислород, а иногда и различные металлы. По принятой классификации смолисто-асфальтеновые вещества делят на смолы, асфальтены, карбены и асфальтогеновые кислоты и их ангидриды. Нефтяные кислоты способны коррозионно воздействовать на металлы (свинец, олово, цинк, медь...), образуя соответствующие соли, которые, за исключением солей щелочных металлов, не растворимы в воде. Металлоорганические соединения представлены в нефтяных фракциях производными ванадия, никеля, железа, меди, мышьяка и многих других металлов. Особенно много металлов содержится в высокосернистых, высокосмолистых нефтях, причём основная часть их сосредоточена в тяжелых фракциях и в гудроне. Все металлопроизводные, находясь в маслах даже в очень незначительных количествах, могут катализировать окисление компонентов масла в процессе эксплуатации, и поэтому являются нежелательными. Синтетические базовые масла Представляют собой маслообразные жидкости – полимеры или олигомеры, полученные методом синтеза из различных мономеров. Свойства синтетических жидкостей зависят от химического строения, которое является основным критерием их классификации: - углеводородные масла на основе полиальфаолефинов, изопарафинов или алкилбензола; - диэфирные масла на базе двухосновных кислот и одноатомных спиртов; - полиэфирные масла на основе эфиров полиолов, полигликолевых эфиров или эфиров фосфорной кислоты; - фторуглеводородные масла; - силиконовые масла. Отдельные свойства исключают возможность применения некоторых синтетических жидкостей в качестве основных компонентов авиационных масел: - полиэфирные масла на основе эфиров фосфорной кислоты имеют недостаточные индексы вязкости (в пределах от 0 до -30); - фторуглеводородные масла имеют низкую температуру кипения и плохие вязкостно-температурные характеристики; - силиконовые масла не смешиваются с минеральными и обладают недостаточными смазывающими и противоизносными свойствами. Полиальфаолефины (ПAO) являются углеводородными синтетическими жидкостями. В промышленных объемах их получают путем синтеза молекул децена в олигомеры или полимеры с короткими цепями. Высокие индексы вязкости позволяют использовать масла на основе полиальфаолефинов в широком диапазоне температур. Отсутствие примесей соединений серы и металлов обеспечивает высокие антикоррозионные свойства. Хорошая смешиваемость с минеральными маслами позволяет использовать полиальфаолефины в качестве синтетического компонента, применяемого при производстве полусинтетических масел. Благодаря невысокой стоимости в сравнении с другими синтетическими, полиальфаолефиновые масла являются наиболее широко используемыми в мире синтетическими маслами. Несмотря на то, что в последние годы гидрокрекинговые масла приблизились по качеству и за счет более низких цен отвоевали значительную долю рынка базовых масел, ранее принадлежавшую полиальфаолефиновым, последние все еще обладают рядом существенных преимуществ: - очень низкие температуры застывания (в связи с отсутствием линейных парафинов); - высокие термостабильность и стойкость к окислению (отсутствие ненасыщенных углеводородов); - малая летучесть и коксуемость, обеспечиваемые однородностью состава. Эти преимущества особенно важны, в связи с увеличивающимся потреблением маловязких моторных масел, рассчитанных на удлиненные интервалы замены и более высокотемпературные режимы работы в узлах трения. К недостаткам полиальфаолефиновых масел следует отнести: - худшую, по сравнению с минеральными маслами, растворяющую способность по отношению к некоторым типам присадок; - худшую совместимость с эластомерами (вызывают усадку резиновых уплотнений с потерей их эластичности). Оба эти недостатка устраняют путем добавления небольших количеств сложных эфиров. К сожалению, в настоящее время отечественная промышленность производит полиальфаолефины, которые невозможно использовать при производстве современных авиамасел. Производителям масел в России, в основном, приходится пользоваться импортными продуктами названного класса. Остается надеяться на то, что в ближайшем будущем от этой порочной практики отечественные производители авиационных масел откажутся, перейдя на отечественные продукты. Диэфиры получают при взаимодействии двухосновных кислот с одноатомными спиртами или одноосновных кислот с многоатомными спиртами. Диэфиры имеют более разнообразную структуру, чем ПАО. Они обладают хорошей смешиваемостью с минеральными маслами. В сравнении с минеральными масла на базе диэфиров обладают более высокими индексами вязкости и термостабильностью, более низкими температурами застывания, меньшей летучестью и огнеопасностью. Высокая растворяющая способность позволяет растворять лаки и шлам, поддерживая чистоту деталей двигателя. На практике, диэфирные масла способны удалять в двигателе отложения, образовавшиеся в результате использования других масел. Недостатком диэфирных синтетических масел является их повышенная агрессивность в отношении натуральных и синтетических резинотехнических изделий. Они вызывают набухание и размягчение резиновых прокладок, сальников и т.п. По этой причине их следует использовать с химически инертными уплотнительными материалами. Полиэфиры. В качестве основы для производства синтетических авиационных масел нашел широкое применение эфир пентаэритрита (ПЭТ). Пентаэритрит получают взаимодействием формальдегида с ацетальдегидом в присутствии Са(ОН) 2 . Имеет формулу С(СН 2 ОН) 4 В результате реакции этерификации с синтетическими жирными кислотами С 5 – С 9 получают эфир пентаэритрита, обладающий хорошими высокотемпературными свойствами. Масла на его основе успешно выдерживают температуру до 250°С без изменения своих физико-химических характеристик. Кремнийорганические соединения Одним из важных классов органических соединений, нашедших в последние десятилетия широкое использование в качестве специальных смазочных масел и жидкостей в авиатехнике стали полимерные кремнийорганические соединения. В отличие от природных нефтяных масел, состоящих из углеводородов - соединений, у которых молекулярная цепь образована из атомов углерода, полисилоксаны имеют в своей основе цепочку из чередующихся атомов кремния и кислорода, так называемую силоксановую группировку │ │ │ │ - Si – O – Si – O – Si – O – Si – │ │ │ │ К атомам кремния в виде боковых цепей присоединены углеводородные и другие органические радикалы различного строения. В зависимости от длины молекулярных цепей, строения и состава боковых цепей, полисилоксаны имеют различные физические и химические свойства. Отличительными свойствами многих кремнийорганических продуктов являются их устойчивость к высоким температурам и окислению, сопротивляемость к действию влаги и хорошие вязкостно-температурные свойства. Кремнийорганические соединения занимают первое место среди других синтетических жидкостей по вязкостно-температурным характеристикам. Хорошая термостойкость кремнийорганических соединений позволяет использовать их в качестве теплоносителей в условиях длительной эксплуатации при 350°С. Кремнийорганические соединения могут быть основой для получения синтетических смазочных масел, работоспособных при высоких температурах, характерных для мощных реактивных двигателей. Практическое значение в качестве смазочных масел и жидкостей получили полимеры с метильными и этильными радикалами. Первые отвечают общей формуле ┌ ┐ │ СН 3 │ │ │ │ │ - Si – O - │ │ │ │ │ └ CH 3 │ ┘n и называются метилсилоксанами или метилсиликонами, вторые отвечают общей формуле ┌ ┐ │ С 2 Н 5 │ │ │ │ │ - Si – O - │ │ │ │ │ C 2 H 5 │ └ ┘n и называются этилсилоксанами или этилсиликонами. Известны также фенилполисилоксановые соединения, содержащие в боковой цепи фенильные радикалы, смешанные алкиларилполисилоксаны, например, метилфенил- и этилфенилполисилоксаны. Полисилоксаны представляют собой бесцветные прозрачные маслянистые жидкости различной вязкости. Они хорошо растворяются в углеводородах и не растворяются в воде, спиртах и других полярных растворителях. Характеристика основных видов трения При движении одного тела по поверхности другого возникает сила трения. Трение подразделяется на статистическое (трение покоя) и трение движения. В свою очередь трение движения подразделяется на: - трение скольжения (первого рода), которое имеет место при контакте трущихся поверхностей по определенной площадке; - трение качения, возникающее при соприкосновении трущихся поверхностей по линии или в одной точке (трение второго рода). Трение скольжения подразделяется на 4 вида: сухое трение, граничное трение, полужидкостное и жидкостное. Для оценки потерь мощности на трение используют коэффициент трения f, представляющий собой отношение силы трения F к нагрузке N: f F (4.1) N Сухое трение подчиняется закону Амонтона, который гласит, что коэффициент трения не зависит от площади контакта трущихся поверхностей. Это означает, что при одной и той же нагрузке N, силы трения и маленького и большого кубиков, скользящих по одной и той же поверхности одинаковы (рис. 4.2). В результате коэффициент трения не зависит от нагрузки и, если N 1 = N 2 , то F 1 = F 2 Граничное трение возникает при наличии тончайшего слоя масла (пленки). При граничной смазке на выступающих участках поверхности материал пленки полностью вытесняется и возникает контакт металл-металл. Граничная смазка возникает при высоких нагрузках, а также в начальный период работы механизма и требует применения противоизносных и противозадирных присадок. Рис. 4.2. Соотношение между нагрузкой и силой трения Жидкостным называется такое трение, при котором трущиеся поверхности отделены друг от друга слоем смазочного материала. В этом случае трение происходит между слоями масла и определяется, в основном, его вязкостью. Жидкостный режим смазки является наиболее приемлемым для N 1 N 2 F 1 N 2 F 2 N 1 - трущихся деталей, так как он обеспечивает малые потери мощности на трение и малый износ деталей. Коэффициент жидкостного трения лежит в пределах 0,01…0,001. Теория жидкостного трения разработана русским ученым профессором Н.П. Петровым, опубликовавшим в 1883 г. свой труд «Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости». Основываясь на законе Ньютона для трения в жидкости и результатах многочисленных опытов, он математически выразил закон жидкостного трения и предложил для практического использования следующую упрощенную формулу F где F – сила жидкостного трения; S V , (4.2) h - динамическая (абсолютная) вязкость масла; V - линейная скорость перемещения трущихся поверхностей; S – площадь соприкосновения трущихся тел; h – толщина масляного слоя. Динамическая вязкость это сила сопротивления движению двух слоев жидкости площадью 1м 2 с градиентом скорости 1м/с и находящихся на расстоянии 1м друг от друга. Она измеряется в системе СИ в Паскаль-секундах; в системе измерений CGS единицей динамической вязкости является Пуаз, (1Пз = 0,1Па·с). На практике используют сотые доли Пуаза - сантиПуаз. Например, вязкость воды при 20 0 С равна 1 сантиПуазу. Кинематическая вязкость – это отношение динамической вязкости к плотности масла и выражается в системе СИ в м 2 /с. В системе измерений CGS единицей кинематической вязкости является Стокс, 1Ст = 10 -4 м 2 /с. На практике применяют сотые доли Стокса – сантиСтокс (1сСт = 1мм 2 /с = 10 - 6 м 2 /с). При использовании кинематической вязкости формула Петрова примет вид F Из формулы (4.3) следует: V S (4.3) h - при жидкостном трении сила трения и, соответственно, потери мощности тем больше, чем больше вязкость масла , скорость вращения вала V и площадь соприкосновения пар трения; - надежность жидкостной смазки (наличие гарантированного слоя толщиной h) возрастает с увеличением скорости скольжения, вязкости масла и уменьшением нагрузки на подшипник; - чем выше скорость скольжения, тем менее вязкое масло должно применяться в узлах трения и наоборот; - чем больше зазоры между деталями, тем выше должна быть вязкость масла; - чем выше нагрузка на трущиеся детали, тем более вязкое масло следует применять для смазки узлов. Масла для авиационных поршневых двигателей В поршневых двигателях масла работают в тяжелых условиях, создаваемых высокими внешними температурами в цилиндропоршневой группе и высокими удельными нагрузками в кривошипно-шатунном механизме. Для обеспечения требуемых условий смазывания двигателя в условиях высоких температур и удельных нагрузок применяют высоковязкие масла, подвергнутые специальной очистке. Такие масла должны иметь высокую смазочную способность, не быть агрессивными к металлам, сплавам и др. конструкционным материалам и обладать достаточной стабильностью к окислению при высоких температурах и в условиях хранения. Наибольшее применение для смазки поршневых двигателей самолётов нашло масло МС-20 кинематической вязкостью V 100 =20,5 мм 2 /с при 100 0 С, индексом вязкости не менее 80, температурой застывания не выше –18 0 С. Масла МС-20, МС-20п, МС-20сп (класс по API – SB) обладают: - высокой термической и термоокислительной стабильностью, что позволяет их использовать для охлаждения поршней, повышая предельный нагрев масла в картере, увеличивая срок замены; - достаточными противоизносными свойствами, которые обеспечены нужной вязкостью, прочностью масляной пленки; - малой эмульгируемостью с водой; - хорошей способностью отделять воду и нерастворимые загрязнения при сепарации; - малой вспениваемостью при высокой и низкой температурах; - малой летучестью, низким расходом на угар (экологичность). Еще одной маркой минерального масла для поршневых авиадвигателей является масло для турбовинтовых двигателей МН-7,5у. Это унифицированное масло на нефтяной основе с комплексом присадок. Область применения - разработано взамен маслосмесей, масел МН-7,5 и ВНИИНП-7. Можно применять в турбовинтовых двигателях всех типов при температуре масла на выходе из двигателя до 150 °С. Зарубежный аналог AeroShell Turbine Oil 750, TurboNicoil 35М. Масла для турбореактивных двигателей В отличие от поршневого двигателя масло в ТРД изолировано от камеры сгорания; кроме того, в наиболее ответственных узлах трения реализуется трение качения. Ротор турбокомпрессора в ТРД хорошо сбалансирован и при большой частоте вращения, больших осевых и умеренных радикальных усилиях работает без резких переменных нагрузок. Современные ГТД характеризуются жёсткими условиями работы смазываемых пар трения: температура – до 300 0 С и выше, частоты вращения 15000…20000 об/мин. и выше. Напряженность работы масла в таких условиях определяется количеством тепла, которое необходимо отвести от поверхности трения детали и при прочих равных условиях характеризуется скоростью прокачивания масла через двигатель. Температура масла на входе ТРД колеблется от 20º до 70 0 С, а на выходе зависит от теплонапряженности двигателя. В двигателях самолетов, летающих с дозвуковыми скоростями, она не превышает +130 0 С, а при скорости полёта с числом М 2, а также у высокофорсированных современных двигателей дозвуковых воздушных судов гражданской авиации достигает 240 0 С. Для исключения перегрева узлов трения масло непрерывно под давлением подводится к следующим узлам двигателя: подшипникам, зубчатым колесам приводов, контактным уплотнениям, шлицевым соединениям. Наиболее высокий уровень тепловыделения образуется в радиально-упорных шарикоподшипниках роторов ГТД, воспринимающих осевую нагрузку. Поэтому к ним подводят масла больше, чем к другим парам трения. Масла для ТРД должны отвечать следующим требованиям: - надежное смазывание всех узлов и агрегатов двигателя с минимальным износом в пределах рабочих температур от –50 до +200 0 С; - пологая вязкостно-температурная характеристика и хорошая прокачиваемость при низких температурах, обеспечивающие надежный запуск двигателя без прогрева до температуры -50 0 С; - однородный и стабильный фракционный состав, обеспечивающий минимальную испаряемость фракций и сохранение вязкостных характеристик масла в течение всего ресурса масла; - высокие антиокислительные свойства и минимальное окисление в двигателе при рабочих температурах 150…200 0 С - минимальная вспениваемость, высокая температура самовоспламенения; - неагрессивность по отношению к металлам, сплавам, резинотехническим изделиям, покрытиям, клеям и другим металлам; - минимальные потери на трение при высоких частотах вращения роторов. В наибольшей степени указанным требованиям удовлетворяют маловязкие минеральные и, в основном, синтетические масла. К основным представителям авиационных минеральных масел относятся: масло МС-8П – наиболее широко применяемое минеральное масло с комплексом высокоэффективных присадок. Предназначено для ГТД дозвуковых и сверхзвуковых самолетов, у которых температура масла на выходе из двигателя – не более 150 0 С; |