СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ
METHOD OF EVALUATING THERMO-OXIDATIVE STABILITY OF JET FUEL

Изобретение относится к лабораторным методам оценки эксплуатационных свойств моторных топлив, в частности к определению термоокислительной стабильности (ТОС) реактивных топлив, и может быть использовано в авиационной и нефтехимической промышленности для идентификации термостабильных топлив, предназначенных к использованию на авиационной технике в двигателях с высокой теплонапряженностью.
Развитие современной авиации неразрывно связано с ростом теплонапряженности авиадвигателей, обусловленной конструкционными изменениями их узлов и агрегатов. Так, в отдельных узлах таких двигателей топливо нагревается до температуры 200°С и выше. Как известно, уже при температурах выше 100-110°С в топливах образуются высокотемпературные нерастворимые осадки и отложения, оказывающие негативное воздействие на работу топливной системы авиационного газотурбинного двигателя (АГТД). Для принятия решения о возможности применения топлив в современных теплонапряженных авиадвигателях необходим способ, позволяющий достоверно оценивать поведение топлив при температурах выше 150°С. В настоящее время таким требованиям отвечают лишь способы оценки ТОС топлив в динамических условиях, которые, однако, нашли ограниченное применение, поскольку являются весьма трудоемкими, дорогостоящими, на проведение испытаний требуется большое количество топлива.
Перед авторами стояла задача разработать лабораторный способ оценки ТОС реактивных топлив в статических условиях, который позволил бы при минимальных затратах топлива и средств достоверно идентифицировать термостабильные топлива для их применения в теплонапряженных двигателях, температура отдельных узлов топливных систем которых в условиях эксплуатации достигает 200°С.
При просмотре научно-технической литературы и источников патентной информации были выявлены технические решения, позволяющие частично решать аналогичные задачи.
Так, известен способ оценки ТОС авиакеросинов, предусматривающий однократную прокачку топлива на установке ДТС-2 вдоль наружной поверхности нагреваемой оценочной трубки и через последовательно установленный контрольный фильтр. ТОС топлив оценивается по совокупности следующих показателей: «индекс термостабильности», определяемый как частное от деления значения количества образовавшихся отложений на оценочной трубке, полученных на проверяемом топливе, на количество отложений, полученных при испытании эталонной жидкости; «температура начала образования отложений», а также «скорость забивки контрольного фильтра» (А.А. Гуреев и др. Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив. М.: «Химия», 1984, с.137-139).
К недостаткам способа следует отнести низкую чувствительность по показателю «скорость забивки контрольного фильтра», высокую трудоемкость, большой расход топлива, а также высокую стоимость проведения испытаний. Вследствие указанных недостатков способ получил малое распространение.
3
3
3
3
3
3
3
топлива
воздуха
Широко распространен способ оценки ТОС реактивных топлив, взятый за прототип, включающий отбор и подготовку пробы (50 см) топлива, его термостатирование в течение 4-х часов при 150°С в бомбе прибора ТСРТ-2 при соотношении V/V от 1:3,5 до 1:4 в присутствии пластины из электролитической меди марки М0к или M1к. После термостатирования бомбу вынимают из прибора, охлаждают на воздухе до комнатной температуры, фильтруют окисленное топливо с осадком через предварительно доведенный до постоянной массы фильтр, ополаскивают фильтр с осадком растворителем (изооктаном, гептаном нормальным или петролейным эфиром) и доводят до постоянной массы. По разности масс фильтра с осадком и чистого определяют количество образовавшегося в топливе осадка и пересчитывают его концентрацию на 100 см топлива. Допустимая массовая концентрация осадка в термостабильных топливах марок РТ, Т-6, Т-8 В не превышает 6 мг на 100 см топлива, в топливе общего назначения марки ТС-1 не более 18 мг на 100 см топлива. Дополнительно в термостабильных топливах определяют массовые концентрации нерастворимых и растворимых смол. Значение показателя «концентрация нерастворимых смол» для топлива марки РТ не должно превышать 3 мг на 100 см топлива. Для топлива марки Т-6, как более термостабильного, регламентируется отсутствие нерастворимых смол. Значение показателя «концентрация растворимых смол» для топлива марки РТ не должно превышать 30 мг на 100 см топлива, а для топлива марки Т-6 составлять не более 60 мг на 100 см топлива (ГОСТ 11802 «Топливо для реактивных двигателей. Метод определения термоокислительной стабильности в статических условиях» - прототип).
3
Указанный способ обладает низкой достоверностью результатов определения, обусловленной тем, что образующийся в результате термоокислительных процессов осадок, по количеству которого оценивают ТОС топлива, содержит еще и продукты коррозии меди, которые образуются при контакте топлива с медной пластиной. Кроме того, указанный способ не позволяет достоверно идентифицировать термостабильные топлива. Невозможность надежной дифференциации топлив объясняется тем, что в настоящее время во многих образцах (до 50%) наиболее широко применяемого топлива общего назначения марки ТС-1, как и в термостабильных топливах, концентрация образующегося осадка (по прототипу - ГОСТ 11802) не превышает 6 мг на 100 см топлива. При таком значении концентрации осадка эти топлива ошибочно идентифицируют как термостабильные и применяют на теплонапряженной технике, что в свою очередь приводит к отказам топливных систем АГТД. Для надежной идентификации термостабильных топлив требуются дополнительные исследования с помощью дорогостоящих динамических методов.
Технический результат изобретения - повышение достоверности и точности результатов определения ТОС топлив.
топлива
воздуха
топлива
воздуха
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе оценки ТОС реактивных топлив, включающем отбор и подготовку образца топлива, размещение этого образца, залитого в стеклянный стакан, в бомбе, которую герметизируют при заданном объемном соотношении V/V, термостатируют при заданной температуре в течение 4 часов, охлаждают, после чего оценивают термоокислительную стабильность топлива по количествам образовавшихся осадка и нерастворимых смол, согласно изобретению объемное соотношение в бомбе V/Vберут равным 1:7,3-11,5, а термостатирование осуществляют при температуре топлива 200±2°С.
Для обоснования заявленной совокупности ограничительных и отличительных существенных признаков изобретения были проведены исследования образования нерастворимых соединений в топливе в приборе ТСРТ-2 на товарном топливе марки ТС-1 производства Когалымского НПЗ.
топлива
воздуха
топлива
воздуха
Известно, что повышение температуры термостатирования выше 150°С при соотношении V/V в бомбе, равном от 1:3,5 до 1:4, приводит к уменьшению количества образующегося в топливе ТС-1 осадка (Сб. статей «Методы оценки эксплуатационных свойств реактивных топлив и смазочных материалов» под ред. Б.Д.Залога, М.: «Машиностроение», 1966, с.33, рис.6). Одной из причин, объясняющих снижение осадкообразования, считают недостаточное количество кислорода в бомбе, часть которого при повышении температуры расходуется на окисление паровой фазы (В.В. Малышев, В.А. Астафьев. Особенности образования твердой фазы при нагреве реактивных топлив. «Химия и технология топлив и масел», 1980, №12, с.26). Недостаток кислорода в системе можно компенсировать с помощью изменения соотношения V/V в бомбе.
Получены результаты исследований, подтверждающие влияние соотношения
топлива
воздуха
V/V в бомбе на количество образующихся в топливе ТС-1 нерастворимых соединений (табл.1).
топлива
воздуха
Как показали испытания топлива ТС-1, наибольшее количество нерастворимых соединений образуется при соотношении V/V, равном 1:7,3-11,5 (табл.1, №№опытов 2,3,4, столбцы 5,6).
На чертеже представлены зависимости образования осадков от температуры и продолжительности термостатирования топлива ТС-1 в бомбе при соотношении
топлива
воздуха
V/V, равном 1:9.
Как показали испытания, температурой термостатирования, при которой в топливе ТС-1 образуется максимальное количество осадков, является температура 200°С, при этом процесс образования осадка наиболее интенсивно происходит в первые 4 часа испытаний, после чего прирост количества осадка замедляется.
Таким образом, необходимыми и достаточными значениями режимных параметров для достижения технического результата при реализации способа определения ТОС реактивных топлив являются:
соотношение V<sub>топлива</sub>/V<sub>воздуха</sub> в бомбе
1:7,3-11,5
температура топлива
200±2°С,
при продолжительности термостатирования
4 часа.
Способ реализуется следующим образом.
Пример.
3
3
ос
нс
Отбирают пробу испытуемого топлива (30 см) и подготавливают ее к испытанию, фильтруя через бумажный фильтр. Подготовленное топливо в количестве 25 см наливают в предварительно доведенный до постоянной массы стеклянный стакан. Стакан с испытуемым образцом топлива накрывают стеклянной крышкой и помещают в бомбу прибора ТСРТ-2, которую герметично закрывают металлической крышкой. Затем бомбу с образцом топлива помещают в предварительно прогретый до 200±2°С термостат прибора ТСРТ-2 и термостатируют в течение 4 ч при температуре топлива 200±2°С. По истечении 4 ч испытаний бомбу вынимают, охлаждают на воздухе в течение ≈ одного часа, вынимают стакан с топливом и фильтруют окисленное топливо с образовавшимся в нем осадком через предварительно доведенный до постоянной массы контрольный фильтр. Стакан промывают растворителем (гептан нормальный, изооктан, петролейный эфир), который затем фильтруют через тот же фильтр. После окончания промывки фильтр с осадком и стакан с нерастворимыми смолами сушат в сушильном шкафу при температуре 105±2°С и доводят до постоянной массы. По разнице масс фильтра и стакана до испытания и после определяют, соответственно, количество образовавшихся в топливе осадка (К) и нерастворимых смол (К), которые находят по формулам:
ос
Ф2
Ф1
3
К=4·(М-M), мг/100 см топлива,
нс
С2
С1
3
К=4·(М-М), мг/100 см топлива,
Ф1
где М - масса фильтра до испытания, мг;
Ф2
М - масса фильтра после испытания, мг;
С1
М - масса стакана до испытания, мг;
С2
М - масса стакана после испытания, мг.
О термоокислительной стабильности топлива судят по значениям концентраций образовавшихся в топлива нерастворимых соединений.
ос
нс
3
В случае если концентрации образовавшихся в топливе осадка (К) и нерастворимых смол (К) не превышают значения 10 мг/100 см топлива и
3
2 мг/100 см топлива соответственно, топливо считают термостабильным. При превышении указанных значений испытуемое топливо считают нетермостабильным.
Заявленным способом были исследованы товарные топлива различных марок (ТС-1, РТ, Т-6) и различных заводов-изготовителей, которые параллельно исследовались способом-прототипом (ГОСТ 11802), а также динамическим способом на установке ДТС-2, который наиболее приближен к условиям эксплуатации (табл.2).
Из представленных в таблице 2 результатов видно, что топлива ТС-1 по ГОСТ 11802 №№1-6 по значениям оцениваемых показателей «Концентрация осадка» и «Концентрация нерастворимых смол» удовлетворяют требованиям, предъявляемым к термостабильным топливам (столбец 3), т.е. идентифицируются как термостабильные. Однако оценка ТОС предлагаемым способом показывает, что указанные топлива термостабильными не являются (столбец 6), что коррелирует с результатами оценки ТОС в динамических условиях на установке ДТС-2 (столбцы 8,12). В то же время корреляция между результатами оценки ТОС топлив по ГОСТ 11802 и на установке ДТС-2 отсутствует (образцы №№1-6).
Таким образом, применение изобретения позволит повысить достоверность оценки ТОС топлив при значительном сокращении затрат на определение по сравнению с динамическим методом на установке ДТС-2, повысить точность оценки ТОС топлив за счет получения большего количества осадка и нерастворимых смол при заявляемых режимных параметрах способа. Предлагаемый способ достоверно идентифицирует термостабильные топлива, что позволяет принимать решения об их применении в теплонапряженных авиадвигателях.