Способ оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений в газотурбинных двигателях
METHOD FOR ASSESSMENT OF OIL TENDENCY TO FORMATION OF HIGH-TEMPERATURE DEPOSITS IN GAS TURBINE ENGINES

Настоящее изобретение относится к области анализа материалов, а именно, к области исследования масел применительно к оценке их склонности к образованию высокотемпературных отложений (ВТО) в результате термоокислительной деструкции масла на поверхностях теплонагруженных деталей газотурбинных двигателей (ГТД).
-1
Известен способ определения склонности масел к образованию углеродистых отложений (ГОСТ 12337-84, Масла моторные для дизельных двигателей. Технические условия (с Изменениями N 1-7), Межгосударственный стандарт, 1985). В известном способе используется установка для определения коксуемости масел, включающая пластину размером 37×87 мм, расположенную под наклоном к горизонтальному уровню в 25°, нагретую до 315°С. Набрызгивание масла осуществляется вращающимся с частотой (1000±50) мин шпинделем с закрепленными иглами (8 радиальных рядов - по три в каждом ряду, угол между иглами - 120°) в течение 24 часов. Углеродистые отложения оценивают в баллах от 0 до 4 баллов в зависимости от вида отложений. Установка, описанная в способе, позволяет имитировать набрызгивание масла из форсунок на горячие поверхности маслосистемы. Недостатками данного способа является субъективная оценка полученных отложений при отсутствии количественного результата испытаний, а также то, что условия проведения испытаний моделируют процессы, происходящие при одном фиксированном значении температуры.
Известен способ определения склонности масла к образованию ВТО (А.с. СССР №1337769 А1, кл. G01N 33/30 (2000.01), опубл. 15.09.1987). Определение ВТО данным способом осуществляется прокачиванием нагретого масла вдоль нагретой металлической трубки, температура трубки линейно изменяется по ее длине от 40 до 240°С. Количество ВТО определяется по площади между кривыми изменения яркости отраженного света от трубки до и после контакта с маслом и дополнительно определяют температуру начала образования отложений. К недостаткам известного способа относится сложность его осуществления и получения результата, а также то, что данный способ позволяет имитировать одну из зон работы маслосистемы ГТД - протекание насыщенного воздухом масла по трубопроводам в горячей зоне.
Наиболее близким техническим решением, принятым заявителем в качестве прототипа, является известный способ оценки склонности масел к образованию ВТО, реализованный в Масла смазочные для газоперекачивающих агрегатов. Методика оценки склонности к образованию высокотемпературных отложений, СТО Газпром 2-1.16-1005-2015, Общество с ограниченной ответственностью «Газпром экспо», 2017, с. 5-12. Согласно известному способу масло периодически набрызгивается на горячую алюминиевую пластину размером 37×87 мм, расположенную под наклоном к горизонтальному уровню в 25°. Набрызгивание масла осуществляют шпинделем с закрепленными иглами (8 радиальных рядов - по три в каждом ряду, угол между иглами - 120°). Испытания проводят при температуре масла в картере - 120°С; при одной фиксированной температуре алюминиевой пластины - 290°С; периодичность набрызгивания масла на пластину - 5 с/мин, время проведения испытаний составляет от 4 до 6 ч. Массу углеродистых отложений определяют по разнице веса пластины до и после испытаний в мг. Испытание проводят при одной фиксированной температуре пластины, что является недостатком известного способа, который приводит к низкой информативности из-за узкого температурного диапазона.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании достоверного способа оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений в газотурбинных двигателях.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение достоверности результатов испытаний, направленных на оценку влияния склонности масел к образованию ВТО на эксплуатационную надежность двигателей.
ПО
BTO
Технический результат изобретения достигается за счет того, что в способе оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений в газотурбинных двигателях, залитое в картер масло подогревают посредством первого нагревателя, через равные интервалы масло набрызгивают на алюминиевую пластину вращающимся шпинделем с закрепленными на нем иглами, осуществляют нагрев алюминиевой пластины вторым нагревателем, испытание проводят в течение четырех часов, затем проводят замеры массы образовавшихся на пластине высокотемпературных отложений (ВТО) по разности ее весов до и после проведения испытания, при этом подогрев масла первым нагревателем осуществляют до температуры 60°С, проводят серию испытаний, нагревая алюминиевую пластину с шагом от 5 до 25°С последовательно от 200°С до 350°С, строят график зависимости массы ВТО от температуры пластины, определяют визуально по графику температуру появления отложений (Т), по температуре появления отложений оценивают склонность масел к образованию ВТО и рассчитывают индекс ВТО (I) путем интегрирования полученной зависимости методом трапеций по формуле:
i-1…i
где h - шаг изменения температуры (i=2, 3, 4,, n) между соседними точками, (°С);
i
m - масса ВТО для i-ой точки, (мг);
n - количество точек.
По температуре появления отложений оценивают общую характеристику склонности масел к образованию высокотемпературных отложений.
Заявленное изобретение поясняется чертежами и таблицами.
На фиг. 1 представлена установка для проведения испытаний.
На фиг. 2 представлен пример испытаний масел для газоперекачивающих агрегатов поясняющийся графиком зависимости массы ВТО от температуры поверхности пластины на заданном участке.
В таблице 1 представлены результаты проведенных испытаний, отражающие зависимости изменения массы ВТО для разных образцов масел от температуры в диапазоне от 200 до 350°С.
В таблице 2 представлены данные, полученные в результате испытаний масел данных марок для известного решения (описанного в СТО Газпром 2-1.16-1005-2015).
Осуществление предлагаемого способа может быть обеспечено путем проведения испытаний на установке, представленной на фиг. 1.
Установка для проведения испытаний может содержать: картер 1, первый нагреватель 2, предназначенный для разогрева масла, размещенного в картере, алюминиевую пластину 3, на которую может набрызгиваться масло при вращении шпинделя 4, а также второй нагреватель 5. При этом испытательную пластину устанавливают так, чтобы ее рабочая поверхность была повернута к разбрызгивателю (шпинделю).
Серию испытаний проводят при следующих условиях.
Предварительно заливают в картер 1 масло и подогревают его посредством первого нагревателя 2 до температуры 60°С. Затем масло периодично набрызгивают на алюминиевую пластину 3 (например, в течение 5 секунд через каждые 55 сек. паузы) с помощью вращающегося шпинделя 4 с закрепленными на нем иголками.
Испытания проводят в течение четырех часов. Проводят серию последовательных аналогичных испытаний, подогревая алюминиевую пластину вторым нагревателем 5, с помощью которого температуру пластины повышают в диапазоне от 200 до 350°С.
В результате проведенных исследований было установлено, что изменение температуры алюминиевой пластины целесообразно поддерживать с шагом от 5 до 25°С. Шаг назначается исходя из характера получаемой зависимости: на пологих участках 25°С, в экстремумах шаг уменьшается до 5°С. По истечении времени обогрев картера и пластины отключают, затем испытательную пластину снимают пинцетом, не касаясь отложений, и охлаждают пластину. Картер промывают несколькими порциями растворителя до полного удаления масла и возможных отложений. Для удаления следов масла с поверхности испытательной пластины ее промывают двумя порциями растворителя, затем осторожно погружают пластину отложениями вверх. После промывки пластину сушат на воздухе при комнатной температуре и взвешивают с точностью до 0,0002 г. Массу ВТО определяют по разнице веса пластины до и после испытаний в мг.
вто
пл
ПО
BTO
Полученные измеренные данные сводят в таблицу и строят график зависимости массы ВТО (m, мг) от температуры пластины (Т, °С). Затем по графику визуально определяют температуру появления отложений (Т), а затем определяют индекс ВТО (I) путем интегрирования методом трапеций по формуле:
i-1…i
где h - шаг изменения температуры (i=2, 3, 4, …, n) между соседними точками, (°С);
i
m - масса ВТО для i-ой точки, (мг);
n - количество точек.
Оценивают склонность масел к образованию ВТО следующим образом:
ПО
BTO
ПО
BTO
при более высокой температуре появления отложений (Т) и низком индексе ВТО (I), масло имеет в целом меньшую склонность к образованию ВТО и, следовательно, при более низкой температуре появления отложений (Т) и высоком индексе ВТО (I), смазочное масло имеет в целом большую склонность к образованию ВТО.
На фиг. 2 и в таблице 1 представлены результаты проведенных испытаний, отражающие зависимости изменения массы ВТО для разных образцов масел от температуры в диапазоне от 200 до 350°С.
Для проведения испытаний были использованы смазочные масла:
- Тп-22С (производство ООО «Газпромнефть-СМ») и
- «Петрим» (производство АО «НПЦ Спецнефтьпродукт»).
ПО
По графическим зависимостям на фиг. 2 определены температуры появления отложений (Т), которые составляют для масел Тп-22С и Петрим 255 и 270°С, соответственно.
BTO
Используя данные, полученные в результате серии испытаний (таблица 1), и указанную выше зависимость произведен расчет индекса ВТО (I).
BTO
BTO
_
В результате расчета получены следующие значения: для масла Тп-22С I - 8775, мг⋅°С, для масла Петрим I 5585, мг⋅°С.
Для сравнения в таблице 2 представлены данные, полученные в результате испытаний масел данных марок для известного решения (описанного в СТО Газпром 2-1.16-1005-2015) и предложенным способом.
Анализируя полученные данные, представленные в таблицах 1 и 2, а также с учетом графика, представленного на фиг. 2, можно видеть, что предложенный способ позволяет оценить распределение отложений в зависимости от температуры контактирующей поверхности (пластины).
ПО
BTO
Масло Петрим, обладающее большей термоокислительной стабильностью, чем турбинное масло Тп-22С Марка 1, и, соответственно, имеет в целом меньшую склонность к образованию ВТО в широком интервале температур, от 200 до 350°С, что подтверждается более высокой температурой появления отложений (Т) и низким индексом ВТО (I) по сравнению с маслом Петрим.
В то же время, на отдельном участке (от 280 до 310°С) имеет место обратная картина, поэтому оценка склонности масел к высокотемпературным отложениям, выполненная только для одной точки, как это осуществляется согласно известному решению (СТО Газпром 2-1.16-1005-2015) снижает достоверность объективного вывода о термоокислительной стабильности исследуемого масла.
Применение предлагаемого способа оценки склонности масел в газотурбинных двигателях к образованию ВТО позволит получить дополнительные более достоверные результаты исследований, позволяющие оценивать эксплуатационные свойства масел и выявлять пути повышения показателей эксплуатационной надежности ГТД.
В реальном ГТД температура горячих поверхностей, с которыми масло вступает в контакт, различна. Количество образуемых ВТО будет определяться не только температурой поверхности контакта, которая определяет скорость комплекса химических реакций, приводящих к карбонизации масла, но и встречным процессом выгорания ВТО, испаряемостью самого масла при разных температурах, видом полученных отложений. Вследствие всех этих многочисленных факторов зависимость ВТО от температуры поверхности контакта будет иметь сложный нелинейный характер.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет получения дополнительной информации о склонности масел к ВТО в виде зависимости массы ВТО от температуры контактирующих поверхностей.