Особенности взаимодействия противокристаллизационных жидкостей с авиационным топливом

2006

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта

№ 109

УДК 621.624.004.2

ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОТИВОКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ С АВИАЦИОННЫМ ТОПЛИВОМ

АО. ОСИПОВ, ВЕЛАПАТИНЬО К. ВИХЕЛЬМО Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.

В статье рассматриваются проблемы, связанные с вымываемостью фенолформальдегидных и эпоксидных пропиток фильтровальных картонов противоводокристаллизационными жидкостями.

Все жидкости, вводимые в реактивные авиационные топлива для предотвращения кристаллообразования (ПВК жидкости), представляют собой эфироспирты или смеси эфироспиртов с растворителями (бинарные растворители). Смешение последних с топливом при однородном перемешивании создаёт молярные растворы. Практикой последних лет эксплуатации предопределено, что в качестве ПВК жидкости в системах авиатопливообеспечения силовых структур применяется этилцеллозольв, а в гражданской авиации смесь 50% на 50% этилцеллозольва и метанола (жидкость «И-М»).

Нормативными документами, действующими в ГА РФ с 2003 года, после расследования ряда инцидентов количество жидкости «И-М» снижено и определено в размере не более 0,15% масс с погрешностью 10%.

В указанных концентрациях жидкость «И-М» в авиационных топливах, при положительных температурах представляет собой малополярный молярный раствор с топливом; при этом ПВК жидкости легко смачивают низкоэнергетическую поверхность фильтровального картона и не могут оказывать эффективного воздействия на материалы фильтроэлементов.

Следует отметить, что применяемые в настоящее время ведущими производителями фильтровальных картонов пропитки представляют собой двухкомпонентные эпоксидные или фенолформальдегид-ные пропитки. Величина молекул эпоксидов в пределах 400 моль, а величина молекул фенолформальде-гидов 1000 моль и более. Пропитки занимают до 60% объема картона, чем и обеспечивают низкие энергетические характеристики поверхности открытой пористой структуры картонов.

Иная картина наблюдается при отрицательных температурах. Известно, что при температурах ниже -8-9С0 градусов происходит разрушение электронных связей жидкости «И-М» с углеводородами. Это приводит к образованию микроглобул в топливе, то есть эмульсии. Образование эмульсии ПВК жидкости и топлива оговаривается в инструкции 9И и в единой инструкции по вводу ПВКЖ в топливо. В вышеуказанных документах это трактуется, как: «... и не является браковочным признаком». Однако необходимо отметить, что смесь 50% на 50% этилцеллозольва и метанола является бинарным растворителем на основе метанола.

Рассмотрим физико-химическую механику взаимодействия авиационных реактивных топлив с жидкостью «И-М» с поверхностями фильтровальных картонов.

1. Молярный раствор. Температуры выше -8-9С0 .

Протекание молярного раствора через фильтровальные картоны с низкоэнергетической поверхностью происходит при условии полного смачивания поверхности. Жидкость «И-М», находящаяся в топливе в растворённом состоянии, легко смачивает низкоэнергетическую поверхность фильтровального картона и не взаимодействует с ним.

2. Эмульсия. Температуры ниже -8-9С0 .

Протекание эмульсии через фильтровальные картоны происходит по законам двух несмешиваю-щихся жидкостей. При этом углеводородное топливо, как малополярная жидкость, легко смачивает низкоэнергетическую поверхность фильтровального картона и протекает через пористую перегородку. Жидкость «И-М» является полярной и не смачивает низкоэнергетическую поверхность фильтровального картона. Это приводит к эффекту сепарации (разделения) жидкостей на поверхности. Поток топлива постоянно приносит на поверхность фильтровальной шторы микрокапли жидкости «И-М», обеспечивая их интенсивную коагуляцию и концентрацию на поверхности. Описанный процесс, в отдельных случаях, может создать концентрацию жидкости «И-М» на поверхности фильтровального картона до уровня 30 -50%.

Высокая концентрация бинарного растворителя на поверхности полимера обуславливает адсорбционные взаимодействия и растворение полимера.

Интенсивность растворения находится в прямой зависимости от молярной массы полимера. Адсорбированные молекулы потоком топлива продавливаются сквозь фильтровальную штору и вместе с основным потоком попадают в баки воздушного судна.

Рассмотрим картину процесса фильтрования топлива на топливных фильтрах насосов высокого давления. Фильтр оснащен фильтроэлементом, в котором в качестве фильтрующей перегородки служит металлическая сетка саржевого плетения, изготовленная из коррозионностойкой стали. Фильтровальная способность указанной сетки обуславливает осаждение на ее поверхности молекул полимера размером более чем 400-600 моль. Молекулы меньшего размера проходят сквозь фильтровальную перегородку. Наличие в реактивном топливе кислот и серы в сумме своей представляют «керосиновый контакт Петрова», который выступает как эффективный катализатор полимеризации осажденных молекул полимеров на поверхности фильтровальной шторы. Происходит «закоксовывание» ячеек и сетка становится непроницаемой для топлива, при этом срабатывает сигнализация «фильтр засорен». Описанный процесс реализуется при растворении пропиток бумажных фильтроэлементов топливозаправщиков с молярной массой 400 и более моль.

В период до 1993-1994 годов отечественная гражданская авиация использовала на топливозаправщиках фильтроэлементы, пропиткой бумаг в которых служил фенолформальдегидный полимер - бакелит. Молярная масса бакелита находится в пределах 100 моль. Описанный выше процесс растворения полимерных пропиток реализовывался более активно по причине невысокой молярной массы бакелита. В то же время эффект забивки бортовых фильтроэлементов не наблюдался, так как молекулы не задерживались фильтровальной сеткой бортовых сетчатых фильтроэлементов.

Эффективность процесса растворения «бакелита» была тем выше, чем выше было процентное содержание ПВК жидкости в топливе. Наиболее ярко это наблюдалось на топливорегулирующей аппаратуре двигателей, работавших на воздушном судне, выполняющем литерные рейсы, где норма ввода ПВК жидкости составляла 0,3% масс.

Одновременно наблюдался процесс вымываемости волокон из фильтровальных картонов бумажных фильтроэлементов топливозаправщика. Интенсивность вымываемости волокон также имела прямую зависимость от концентрации ПВКЖ в топливе. Все вышесказанное действительно для эмульсионного состояния жидкости «И-М» в топливе.

Начиная с 1992 года, отечественная промышленность утратила собственное производство фильтровальных картонов для авиатоплива. Производители фильтроэлементов были вынуждены перейти на применение импортных картонов. Рынок производителей фильтровальных картонов за рубежом (ALSTROM, BINZER) поставляет картоны с пропитками двух видов: эпоксиды и фенолформальдегиды. Необходимо отметить, что фенолформальдегидные пропитки представляют собой высокомолярные полимеры типа: новолак, резол.

Применение бумаг с эпоксидными или фенолформальдегидными пропитками рассматривалось мировыми производителями фильтроэлементов с точки зрения качества готового изделия, в том числе сохранения среднестатистического размера поры готового фильтроэлемента.

Широко известно, что в процессе технологической операции гофрования происходит излом и разрушение пропитки картонов. Поэтому актуальным является вопрос восстановления номинальной тонкости фильтрации после гофрования. Такую возможность представляют фенолформальдегидные пропитки, которые обеспечивают возможность восстановления пропитки в рёбрах гофров при температурном воздействии в процессе производства, что и обуславливает их широкое применение для производства фильтроэлементов. Это подтверждается практикой ведущих производителей фильтроэлементов: Faset, Faudi, Velkon, НПФ «Агрегат» и др.

Явление растворения пропиток на фильтроэлементах зарубежных топливозаправщиков не наблюдается ввиду отсутствия применения бинарных растворителей на основе метанола.

Российские авиационные предприятия эксплуатируют 20% импортных ВС, остальные 80% приходятся на отечественные. Только 5% из всего авиационного парка (Ил-96-300, Ил-76МФ, Ту-204, Ту-214, Ту-334, Як-42) оборудованы подогревами бортовых фильтров, в связи с чем использование противово-докристаллизационной жидкости «И-М» необязательно. Остальные 75% (Ил-18, Як-40, Ил-62, Ту-134, Ту-154, Ан-12, Ан-32) подогревом фильтров не оборудованы, что предопределяет использование жидкости "И-М". Заправка воздушных судов производится различными методами, в частности с помощью

топливозаправщиков (ТЗ). Подавляющая часть используемых топливозаправщиков - это ТЗ-22, которые не оборудованы системой ввода ПВКЖ после фильтровальной группы, и добавление жидкости «И-М» осуществляется непосредственно в топливо, наливаемое в цистерну.

Вышесказанное предопределяет необходимость модернизации системы ввода противоводокристал-лизационной жидкости в топливо, исключающей её контакт с фильтровальным картоном.

ЛИТЕРАТУРА

1. Энглин Б.А. Применение жидких топлив при низких температурах. -М.: Химия 1980.

2. Масютинский П.Ф., Черненко Ж.С., Василенко В.Т. Исследование процессов образования устойчивых водотопливных эмульсий. - КИИГА, 1971г.

3. Осипов О.П., Санников С.Г. Применение критерия смачиваемости фторполимеров, используемых для сепарации жидкости, / Нефтепереработка и нефтехимия, 2001г.

4.Young T. , Phil. Trans. Roy. Soc. (London), 95, 65, (1805).

5. Adam N., Am. Chem. Soc., (Washington), 43, p.52, (1964).

QUESTIONS OF TECHNOLOGY OF INPUT ANTIFREEZE LIQUIDS IN AVIATION FUEL

Osipov A.O, Velapatino C. Vihelmo

The article deals with the washout of phenol formaldehyde and epoxide preservation of filtered paperboards by anti-water crystallized liquids.

Сведения об авторах

Осипов Артем Олегович, 1981 г. р., окончил Московский государственный агроинженерный университет им. Горячкина В.П. (2003), аспирант кафедры ремонта летательных аппаратов и авиационных двигателей МГТУ ГА, автор 2 научных работ, область научных интересов - обеспечение качества авиационных топлив физико-химическими методами.

Велапатиньо К. Вихельмо - 1963 г.р., окончил магистратуру МГТУ ГА (2003), аспирант кафедры ремонта летательных аппаратов и авиационных двигателей МГТУ ГА, автор 7 научных работ, область научных интересов -обеспечение надежности авиационных ГТД в связи с качеством топлива.