Влияние азотированного авиатоплива на воспламеняющую способность электрических разрядов

УДК 629.73:662.75003

ВЛИЯНИЕ АЗОТИРОВАННОГО АВИАТОПЛИВА НА ВОСПЛАМЕНЯЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ

Н.Е. СЫРОЕДОВ, В.Г. ПЕТУХОВ, С.А. ГАЛКО

Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.

В статье рассматриваются вопросы совершенствования методической базы и результаты исследований влияния азотирования топлива на воспламеняющую способность разрядов статического электричества в емкостях.

Ключевые слова: статическое электричество, воспламеняющая способность разрядов, авиатоплива, испытательные стенды, азотирование топлива.

В работах отечественных и зарубежных авторов [1, 2, 3] показано, что при заправке самолетов авиатопливом существует возможность воспламенения топливо-воздушной смеси от разрядов статического электричества.

Для предотвращения опасного проявления этих разрядов были разработаны различные мероприятия, одним из которых является азотирование топлива при его заправке в баки самолетов.

Исследования по влиянию азотированного топлива на воспламеняющую способность разрядов статического электричества проводились на полномасштабном стенде, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема полномасштабного стенда: 1 - расходная емкость; 2 - фильтр тонкой очистки; 3 - центробежный насос; 4 - заправляемый бак; 5 - микроамперметр; 6 - электрод; 7 - баллон; 8 - диффузор; 9 - датчик расхода; 10 - колонка для азотирования топлива;

11 - изолятор; 12 - шланг; 13 - цепочка ЯС; 14 - осциллограф

Сущность этого метода заключается в снижении концентрации кислорода в надтопливном пространстве бака до безопасного уровня путем вытеснения воздуха азотом, выделяющимся из

предварительно азотированного топлива, заправляемого в бак. В результате чего в надтопливном пространстве бака создается обедненная кислородом смесь, не способная к воспламенению.

В качестве агрегата азотирования использовалась специальная колонка, которая включалась в магистраль, имитирующую схему заправки самолета топливом с применением топливозаправщика.

Заправляемый стендовый бак представляет собой один из топливных самолетных баков. Внутри бака (в месте образования наиболее интенсивных разрядов) располагался электрод, имитирующий один из элементов конструкции бака. Электрод выполнен в виде полого цилиндра с небольшими отверстиями в нижней (сферической) его части. Из полого электрода через отверстия подавалась горючая смесь. Электрод изолирован от конструкции бака, что позволяло, используя специальную аппаратуру, проводить измерения разрядов статического электричества.

Для обеспечения целостности конструкции бака и безопасности при выполнении эксперимента воспламенение топливо-воздушной смеси осуществлялось не во всем надтопливном пространстве заправляемого бака, а в локальном объеме. Это достигалось тем, что бак заправлялся топливом Т-8 с малой упругостью паров при температуре 20°С (температура топлива при эксперименте).

В процессе заправки топливо электризовалось, в баке образовывались разряды статического электричества, способные воспламенить топливо-воздушную смесь при общей взрывоопасной концентрации.

Локальные воспламенения в области образования разрядов между поверхностью наэлектризованного топлива и электродом обеспечивались подачей в процессе заправки бензиновоздушной смеси через отверстие в электроде.

Экспериментально подобранные условия приготовления и подачи горючей смеси обеспечивали оптимальный состав смеси в области образования разрядов.

Анализ газовых проб у поверхности топлива показал (рис. 2), что с изменением расхода азота и топлива в соотношении от 0,5:1 до 1:1 концентрация кислорода снижалась с 18 до 15,4 % соответственно.

О 2 %

20

16

12

8

200 500 1000 1400 wt л/мин

Рис. 2. Зависимость содержания кислорода (объем %), замеренного в месте установки электрода от скорости заправки (WT , л/мин.) при режимах азотирования: 1) 0,5:1; 2) 0,8:1; 3)1:1

В качестве горючего компонента был выбран бензин Б-70 в связи с тем, что его пары близки по своему составу к легкокипящим компонентам топлива Т-8. Пары бензина и топлива имеют практически одинаковую способность к воспламенению. Бензино-воздушная смесь является

представительной для испытаний в средах второй категории взрывоопасности, к которым относятся и авиационные топлива [4].

Результаты исследований показали, что при заправке бака топливом без применения азотирования минимальное воспламеняющее значение перенесенного заряда составило 0,5 мкКл. При заполнении бака азотированным топливом воспламенений не зарегистрировано, несмотря на то, что были зарегистрированы разряды с величиной перенесенного заряда до 1,3 мкКл [5].

В связи с трудоемкостью и сложностью исследований в стендовых условиях эксперименты по определению влияния концентрации кислорода на воспламеняющую способность разрядов проводились на лабораторной установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема лабораторной установки: 1 - реакционный сосуд; 2 - термостат; 3 - электрод; 4 - газовый смеситель; 5 - мановакуумметр; 6 - бюретка с топливом; 7 - контактор;

8 - киловольтметр; 9 - разрядный конденсатор; 10 - ограничительный резистор; 11 - зарядное устройство; 12 - ртутный манометр; 13 - датчик давления

Основным элементом установки является реакционный сосуд, внутри которого располагались два электрода, между которыми происходил разряд предварительно заряженного конденсатора. Метод измерения перенесенного в разряде заряда не отличался от применявшегося на стенде.

Внутри сосуда создавалась горючая смесь из паров бензина и азото-кислородной смеси необходимого состава. Содержание кислорода изменялось от 15% до 24% по объему. Эксперименты показали, что при любом содержании кислорода в горючей смеси существует оптимальная концентрация паров бензина, т. е. такая, которая может воспламениться при минимальных значениях перенесенного заряда (рис. 4). С уменьшением концентрации кислорода содержание бензина, необходимого для получения оптимальной горючей смеси снижается, а минимальное значение перенесенного заряда возрастает. Зависимость концентрации паров бензина в опти-

мальной горючей смеси (СГ, %) от содержания кислорода в ней ( СО2, %) описывается уравнением, полученным на основе экспериментальных данных в этой работе

Сг = 0,143 • Со2.

Ямкк

Рис. 4. Концентрационные пределы воспламенения бензина Б-70 при содержании кислорода в окислителе: 1) 1-15%; 2) 2-18%; 3) 4-24%; 4) 4-38%

В данных исследованиях была получена зависимость минимального значения перенесенного заряда, воспламеняющего оптимальную горючую смесь (qmm, мкКл), от содержания кислорода в пределах концентраций, соответствующих заданным режимам азотирования, которая описывается уравнением

^ qlшn = 16,2 -12,7 • ^Со2,

где qmin - мкКл; СО - в объемах %.

По результатам эксперимента установлено, что по мере разбавления горючей среды азотом для воспламенения требуется увеличение энергии перенесенного разряда. Это может быть объяснено повышением вероятности гибели активных центров реакции при столкновении с инертными молекулами азота. В окислительной реакции, протекающей по цепному механизму, способствующему обрыву и препятствию разветвления цепи, в результате чего происходит тормо-

жение реакции в возникающем очаге пламени, и она теряет способность к распространению. Для компенсации этого явления и требуется дополнительная энергия разряда, инициирующая воспламенение [6].

Как следует из рис. 5, с уменьшением содержания кислорода в смеси от 21% до 13% необходимое для воспламенения значение перенесенного заряда возрастает от 0,2 до 100 мкКл.

100

50

20

10

5.0

2.0

1,0

0,5

0,2

0,1

0,05

Рис. 5. Зависимость перенесенного заряда в разряде и оптимальной концентрации бензина от процентного содержания кислорода в окислителе

Таким образом, результатами лабораторных и стендовых исследований показано, что азотирование топлива с соотношением расходов азота и топлива 0,8:1 и 1:1 предотвращает опасность воспламенения в самолетных баках от разрядов статического электричества.

ЛИТЕРАТУРА

1. Малышев В.В. Обобщение исследований электризации авиационных топлив и разработка методов определения искробезопасных режимов заправки самолетов на земле и в полете / Малышев В.В, Петухов В.Г., Григорьев В.А., Горелова В.Н., Петухова Г.И., Максимов Б.К. - Отчет № 1166-81 -III.

2. Winter E., Roy I. Amer. Soc. № 619, 429, 1962.

3. Bruinseel C., Just Petrol. № 473, 125, 1963.

4. Арнополин А.Г., Шевченко Н.Ф. Взрывозащищенное электрооборудование. - М.: Энергия, 1973.

5. Малышев В.В. Результаты исследований опасности воспламенения топливо-воздушной смеси в самолетных баках от разрядов статического электричества при наземной заправке топливом / Малышев В. В., Петухов В. Г., Сыроедов Н.Е., Григорьев В. А., Горелова В.Н., Петухова Г.И. - Отчет № 314-7 9-III.

6. Семенов Н.Н. Развитие теории цепных реакций и теплового воспламенения. - М.: Знание, 1969.

INFLUENCE OF THE NITRATED AVIATION FUEL ON INFLAMMABLE ABILITY OF ELECTRIC DISCHARGES

Syrojedov N.E., Petuxov V.G., Galko S.A.

In clause questions of perfection of methodical base and results of researches of influence of nitriding of fuel on inflammable ability of discharge of a static electricity in capacities are considered.

Key words: the static electricity of categories, inflammable ability, aviation fuel, test beds, nitriding of fuel.

Сведения об авторах

Сыроедов Николай Евгеньевич, 1935 г.р., окончил КВИАУ ВВС (1961), кандидат технических наук, профессор кафедры авиатопливообеспечения МГТУ ГА, доцент, ведущий научный сотрудник ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор более 140 научных работ, область научных интересов - авиатопливообеспечение аэропортов, безопасность системы заправки ВС горючесмазочными материалами.

Петухов Валентин Георгиевич, 1937 г.р., окончил МЭИ (1967), кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФАУ «25 Г осНИИ химмотологии Минобороны России», автор 25 научных работ, область научных интересов - электростатическая безопасность системы заправки ВС горючесмазочными материалами.

Галко Сергей Анатольевич, 1972 г.р., окончил Ульяновское ВВТУ им. Б. Хмельницкого (1994), ВАТТ им. А.В. Хрулева (1999), кандидат технических наук, доцент, начальник отдела ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор 30 научных работ, область научных интересов - авиатопли-вообеспечение аэропортов, безопасность системы заправки ВС горюче-смазочными материалами.