В статье в краткой форме описывается содержание исследований, изложенных в монографии «Химмотологическое обеспечение надежности авиационных газотурбинных двигателей» авторов Яновского Леонида Самойловича и Харина Александра Александровича.
топлива, масла, термоокислительная стабильность, коксоотложения, химмотологическая надежность.
Тенденция развития авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) связана с увеличением тепловой нагрузки на агрегаты и элементы силовой установки, в том числе и на топливную, и масляную системы.
В связи с этим особо актуальной становится проблема инновационного обеспечения химмотологической надежности авиационных газотурбинных двигателей, поскольку «…инновационная деятельность… становится особенно необходимой в условиях глобализации мировой экономики, подталкивающей страны к рациональному использованию своих ресурсов и своих конкурентных преимуществ» [1, c. 4].
Это и определило выбор тематики исследований авторами монографии «Химмотологическое обеспечение надежности авиационных газотурбинных двигателей» [2].
Понятие «химмотологическая надежность» сравнительно недавно появилось в публикациях. Под ним понимается решение задач проектирования, конструирования и эксплуатации авиационных двигателей с учетом требований, предъявляемых к горюче-смазочным материалам.
Основными факторами, определяющими химмотологическую надежность ГТД, являются качество топлив и масел. Значительное влияние на химмотологическую надежность оказывает термоокислительная стабильность.
При нагреве в топливе и маслах появляются твердые агломераты в объеме и в виде коксоотложений отложений на стенках. Это приводит к забивке и перегреву топливомасляных систем, досрочному съему и ремонту агрегатов двигателей.
Качество и номенклатура отечественных топлив пока еще удовлетворяет требованиям применения в современной авиации.
Рост теплонапряженности двигателя не приведет к быстрому появлению новых топлив. Это требует больших капитальных затрат и времени.
Поэтому при проектировании новых двигателей важно знать предельно допустимые температуры нагрева применяемых топлив в условиях топливных систем ГТД.
Такие данные отсутствуют. Исследования в этой области являются актуальными.
Не менее актуальные исследования, направленные на повышение термоокислительной стабильности топлив, особенно сравнительно дешевых топлив массового применения.
На надежность ГТД оказывает износ пар трения топливорегулирующей аппаратуры (ТРА). Износ определятся смазывающими свойствами топлив. На него влияют механические примеси, продукты окисления топлив, а также растворенные в топливах вода и кислород. Данные по воздействию воды и кислорода на фрикционные свойства материалов пар трения ТРА в среде применяемых топлив отсутствуют.
Поэтому исследования, направленные на определение возможностей уменьшения износа в среде топлив пар ТРА, являются актуальными.
Для снижения коксоотложений на стадии проектирования двигателя необходимо иметь количественные данные по влиянию расхода, давления, температуры топлива, примесей, материала стенки канала, качества поверхности, геометрических характеристик, переменной по длине канала тепловой нагрузки на интенсивность образования коксоотложений.
Модели процессов образования отложений, учитывающие влияние перечисленных факторов в условиях, характерных для эксплуатации ГТД, отсутствуют.
Имеющиеся данные неоднозначны. Например, увеличение расхода топлива, по одним данным, увеличивает коксоотложения, по другим – уменьшает их.
Поэтому представляются актуальными исследование, моделирование и определение путей снижения, отложений образовавшихся при нагреве и охлаждении топлив в ГТД.
Полностью подавить образование отложений в реальных условиях эксплуатации не удается. Отложения необходимо периодически удалять.
Известны методы удаления кокосотложений органического характера. Методы и технологии удаления коксоотложений, образовавшихся в процессе нагрева применяемых топлив при эксплуатации ГТД, отсутствуют. Поэтому разработка таких методов и технологий является актуальной.
В целом, необходим комплексный подход к решению вопросов химмотологического обеспечения надежности ГТД, заключающийся в исследовании закономерностей процессов, создании совокупности моделей и методик, обеспечивающих совершенствование проектирования, модернизации и эксплуатации ГТД с учетом реальных свойств применяемых горюче-смазочных материалов.
Авторы поставили своей целью:
- Определить уровни предельно допустимых температур нагрева реактивных топлив, вырабатываемых в настоящее время промышленностью для гражданской и военной авиации.
- Определить возможности снижения количества смоло- и коксоотложений, образующихся при нагреве и охлаждении топлив в таких узлах ГТД, как топливные коллекторы и форсунки, топливо-масляные радиаторы и др.
- Разработать методы и технологии удаления коксоотложений из топливных элементов ГТД, образовавшихся в процессе эксплуатации авиатехники.
- Определить возможности уменьшения износа в узлах трения ГТД, смазываемых реактивными топливами.
- Повысить термоокислительную стабильность реактивных топлив и дать рекомендации по разработке высокотемпературных авиамасел для применения в перспективных ГТД.
Прежде всего, было проведено исследование влияния воды и растворенного в топливе кислорода на антифрикционные свойства материалов топливорегулирующей аппаратуры [2, c. 60–69].
В качестве объектов исследований были выбраны стандартные топлива, которые соответствовали нормам ГОСТ и спецификаций, и материалы, широко применяемые в топливных агрегатах ГТД.
Антифрикционные свойства материалов оценивались по величине износа сфер шаров в миллиметрах или миллиграммах и по величине критической нагрузки заедания, при которой происходит схватывание.
Уменьшение концентрации растворенной в топливах воды приводит к улучшению их противоизносных свойств на парах трения «сталь – сталь» и «сталь – бронза» и практически не оказывает влияния на противозадирные свойства топлив.
Присутствие эмульсионной воды вызывает ухудшение этих свойств.
Снижение концентрации растворенного в топливах кислорода до 0,5–1% (объем) приводит к значительному улучшению антифрикционных свойств исследованных сталей и вызывает некоторое ухудшение антифрикционных свойств бронзы.
Топлива оказывают разное действие на антифрикционные свойства материалов. Износ стальных пар в среде топлива РТ оказался значительно меньшим, чем в среде топлив ТС-1 и Т-7.
В результате проведенных исследований удалось повысить антифрикционные свойства сталей в среде топлива Т-7 до уровня топлива РТ путем введения в топливо Т-7 присадки «нафтеновые кислоты» в объеме 0,003% мас.
Рекомендовано на стадиях производства, транспортировки и использования топлива минимизировать содержание растворенной и эмульсионной воды, уменьшать концентрацию кислорода до 0,5–1% мас.
При исследовании закономерностей образования коксоотложения в топливных системах ГТД [2, c. 70–128] температура начала термодеструкции топлив определялась по йодным числам в пробах топлива и нарастанию давления паров при нагреве в автоклаве установки.
Топлива начинают разлагаться с заметной скоростью при температуре выше 400 оС.
По температурным зависимостям были рассчитаны кинетические параметры реакции крекинга топлива. Получено уравнение для расчета начальной скорости образования непредельных соединений реактивных в интервале температур 400о + 30 оС.
Рассчитаны значения температур начала термического разложения. Они удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными.
Продолжительность нагрева топлива влияет на глубину протекания реакции крекинга.
Для оценки температуры начала разложения был предложен фактор жесткости . Он учитывает влияние температуры и времени при заданной глубине разложения нефтепродуктов; позволяет сравнивать различные топлива по склонности к деструкции при разных режимных параметрах опытов.
В результате проведенных исследований был разработан метод определения температур начала термического разложения топлива в статических условиях. Установлено, что температуры начала термического разложения топлив лежат в интервале 394–408 оС при времени пребывания топлива в зоне нагрева, равном 60 минут; апробирована методика оценки температуры начала деструкции топлива в горячих узлах топливных систем ГТД.
Влияние коксоотложений на характеристики теплообмена в топливных каналах исследовалось [2, c. 117–128] с использованием метода калориметрирования в жидкометаллическом термостате [3]. Результаты исследований позволяют утверждать, что образование углеродистых отложений в каналах в ряде случаев интенсифицирует процесс теплоотдачи, что, несмотря на увеличение термического сопротивления стенки, повышает эффективность теплообмена в пределах ограниченного времени наработки изделия.
Исследования процессов коксоотложения при течении топлив в каналах при нагреве проводились на электротермической установке.
Установлено, что снижение концентрации примесей пропорционально уменьшает количество коксоотложений на стенках независимо от режимов нагрева топлива. Образование кокса наиболее сильно зависит от содержания в топливе кислорода.
По мере наработки температура стенки возрастает. Увеличивается и перепад давления на трубках. Это свидетельствует об образовании коксоотложений на внутренней поверхности трубок.
Максимум перегрева стенки локализован по длине трубки и во времени. Величина максимума и область его зависят от вида топлива.
При малых временах наработки отложения могут приводить к захолаживанию. Это объясняется интенсификацией теплообмена за счет увеличения шероховатости.
При длительной наработке стенки канала перегреваются вследствие роста отложений, образующихся при окислении топлива растворенным в нем кислородом.
Скорости изменения массы и толщины отложений распределяются вдоль канала подобно скорости роста температуры стенки.
Для снижения коксотложений необходимо минимизировать содержание химически активных примесей в топливах, в первую очередь кислорода.
Таким образом, установлено, что в исследованном интервале температур отложения появляются начиная с температуры стенки 600 оС.
Проведенные исследования коксуемости трубчатых элементов системы топливопровода камеры сгорания ГТД показали, что операции полирования и эмалирования понижают количество отложений в 10 и 60 раз соответственно.
Для расчета температурного состояния стенок топливных коллекторов камер сгорания проводились исследования по определению коэффициента теплопроводности и плотности кокса.
Это объясняется тем, что литературные данные отличаются в 50 раз по теплопроводности и в 20 раз по плотности.
Кокс, образующийся вследствие окисления топлив в условиях турбулентного течения, имеет мелкопористую структуру и формируется из сфероподобных глобул.
Исследования показали, что элементный состав отложений, снятых из различных участков топливных коллекторов ГТД, практически одинаков, но изменяется в зависимости от температуры. Число атомов водорода в брутто-формуле кокса снижается с ростом температуры для всех топлив.
В результате проведенных исследований были получены данные по теплофизическим свойствам отложений.
Для моделирования процессов образования коксоотложений при течении топлив в топливных каналах ГТД была предложения упрощенная модель жидкофазного окисления топлив [2, c. 129–180].
Согласно модели на первой стадии происходит взаимодействие растворенного O2 с топливом с образованием промежуточных химически активных продуктов. На второй стадии эти продукты, взаимодействуя с топливом, образуют высокомолекулярные соединения (ВМС). На третьей стадии ВМС, взаимодействуя со стенкой, образуют вещество кокса.
Модель образования коксоотложений при течении топлив была описана системой уравнений теплопереноса и диффузии.
Результаты моделирования представлены в виде зависимости среднемассовых концентраций кислорода, промежуточного продукта, ВМС и скорости образования коксоотложений по длине канала.
Полезность модели заключается в возможности детального изучения процесса коксоотложения в ГТД на основе результатов численного моделирования. Например, объяснить неоднозначное влияние расхода топлива на интенсивность образования отложений. Если растворенный в топливе кислород успевает прореагировать по длине канала, увеличение расхода приводит к росту скорости перегрева наружной стенки. Если нет, с увеличением расхода скорость перегрева стенки снижается.
Для расчета образования отложений в топливных коллекторах камер сгорания ГТД была предложена упрощенная модель, в которой гидродинамическая и диффузионная задачи решались в одномерном приближении.
Результаты расчетов скорости перегрева хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Предложенная модель позволяет рассчитывать интенсивность образования отложений в трубопроводах в условиях переменной по длине тепловой нагрузки в топливопроводах форсажных камер сгорания с лепестковыми смесителями.
Основной процесс окисления топлива происходит на нагреваемом участке канала. Здесь большая часть вещества отложений оседает на стенках и увеличивает термическое сопротивление. Часть вещества отложений сносится турбулентным потоком топлива в охлаждаемый участок канала. Там также образуются отложения. В нагреваемом участке отложения вызывают перегрев стенки канала. В охлаждаемом – снижают температуру наружной стенки по мере наработки вследствие роста теплоизоляции стенок от горячего потока.
Предложенная модель позволяет рассчитать интенсивность образования отложения при течении топлив в обогреваемых извне каналах в различных условиях, характерных для эксплуатации ГТД.
С использованием разработанных моделей проведено исследование коксования топливных коллекторов основных камер сгорания (КС) ГТД.
Наиболее интенсивно процесс жидкофазного окисления происходит на последних по потоку участках коллектора. Здесь расход топлива уже мал. Малы скорости течения. Велико время пребывания топлива. Кроме того, на этих участках заметно выше температура трубопроводов коллектора. Она резко увеличивается на корпусах форсунок.
Образовавшиеся здесь продукты окисления выносятся в форсунки, где и образуется кокс. В форсунках проходные сечения I каскада меньше II. Их площадь перекрывается коксом быстрее. Это и приводит к закоксовыванию коллектора камеры сгорания ГТД.
Представляется возможным снизить образование отложений, уменьшив время пребывания топлива в коллекторе. Проведенный в соответствии с этой рекомендацией расчет коллектора с диаметром трубопровода 1 каскада 4 мм, вместо 6 мм, показал, что на режиме, соответствующем стендовым испытаниям с подогревом, отложения в 1 каскаде коллектора практически не образуются.
Результаты моделирования процесса образования кокса в топливных коллекторах основных КС ГТД были подтверждены путем натурных испытаний.
Анализ условий работы топливных коллекторов форсажных камер газотурбинного двигателя (ФК ГТД) показал, что отложения формируются в основном на нестационарных этапах работы при запуске ФК, когда топливо подается в коллектор, разогретый до температуры газов.
Система уравнений, описывающая образование отложений, решалась в одномерном приближении.
Расчеты проводились для условий, моделирующих работу одного каскада топливного коллектора форсажной камеры сгорания ТРД.
К моменту включения форсажной камеры топливо в коллекторе отсутствует, стенки коллектора разогреты до температуры набегающего потока. По мере заполнения коллектора при включении ФК и при дальнейшей работе коллектор захолаживается, пока не выходит на стационарный режим.
К моменту завершения заполнения коллектора температура стенок последнего в начальных сечениях падает более чем на 200К. В целом, начальные сечения коллектора захолаживаются быстрее и глубже, чем последние.
По мере захолаживания образование отложений быстро прекращается в начальных сечениях коллектора и за расчетное время, равное 4 с, существенно замедляется в конечных сечениях.
В начальные моменты времени при включении форсажной камеры химические процессы в объеме на начальных участках коллектора прекращаются, и со временем это торможение распространяется вниз по потоку.
Однако в течение того времени, когда реакции интенсивно протекают, образовавшаяся твердая фаза не успевает выпадать на стенку, уносится вниз по потоку и попадает в форсунки. Здесь, в силу меньших диаметров канала стоек и форсунок, твердая фаза интенсивно переносится к стенкам.
Расчеты показали, что если весь массовый поток вещества в каналах стоек форсунок будет осаждаться на стенки, то при выбранных условиях работы коллектора только за время одного выхода коллектора на стационарный режим толщина отложений может достигать нескольких микрон.
Разработанная методика расчета образования коксоотложений позволяет проектировать коллекторы основной и форсажной КС ГТД так, чтобы исключить или понизить скорость коксования коллекторов путем контроля и регулирования процесса окисления топлива, что, в свою очередь, позволит повысить ресурс и надежность эксплуатации ГТД.
Методы очистки трубопроводов от органических загрязнений можно классифицировать следующим образом: физико-механические, физико-химические, химико-термические [2, c. 181–200].
Физико-механические методы основаны, как правило, на разрушении отложений путем промывки моющими средствами с ультразвуковым или термоакустическим воздействием.
Для исследования закономерностей термоакустических колебаний и их связи с очисткой теплонапряженных поверхностей был проведен цикл экспериментов с топливами ТС-1 и JetА-1.
Испытания показали, что очистка каналов от кокса осуществляется с помощью термоакустических колебаний весьма эффективно – в течение 2–3 с.
Физико-химические методы основаны на удалении коксоотложений посредством синтетических моющих средств (CМС) и растворяюще-эмульгирующих средств (РЭС).
В результате исследований предложены составы СМС и РЭС, наиболее эффективные для удаления отложений.
СМС и РЭС малоэффективны при очистке отложений, образовавшихся при температуре стенки выше 400 оС.
Химико-термические методы основаны на следующих принципах: химическое разрушение, сгорание, объемные и структурные изменения.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что метод выжигания позволяет достичь высоких степеней очистки.
По результатам исследований была получена экспериментальная зависимость для расчета максимальной скорости выжигания.
Сопоставление расчетов скорости выжигания с экспериментальными данными показало их удовлетворительное совпадение.
Выжигание осуществляется при высоких температурах (800–950 oС). Это может привести к деформациям и разрушению очищаемых материалов.
Метод озонолиза требует гораздо более низких температур. Сущность озонолиза заключается в присоединении О3 к различным ненасыщенным фрагментам с образованием озонидов и дальнейшем их разрушении различными способами (нагревание выше 70 °С, воздействие реакционной среды.
Исследования показали, что максимальная убыль отложений, для всех видов кокса, наблюдается при температуре 100 оС.
Суммарная степень удаления кокса находится в пределах 90–100%, в зависимости от температуры его образования.
Очистка топливных коллекторов КС ГТД по разработанной технологии проводилась без их предварительной разборки. После очистки коллекторов посредством озонолиза получен положительный результат, заключающийся в увеличении прокачки топлива, а также в восстановлении равномерности распределения расходов топлива через форсунки до исходных значений.
Стойкость реактивных топлив к образованию отложений характеризуется их термоокислительной стабильностью (ТОС). Уровень качества топлив по этому показателю зависит от их устойчивости к окислению и склонности к образованию второй фазы. При нагреве последняя нарушает гомогенность топлива, что в конечном счете приводит к коксообразованию.
ТОС топлива исследовалась на экспериментальных установках и оценивалась по количеству образовавшихся в нем в процессе окисления нерастворимого осадка, по массам растворимых и нерастворимых смол и скорости забивки контрольного фильтра нерастворимыми продуктами окисления [2, c. 201–249].
Установлено, что наличие механических примесей ухудшает ТОС топлива.
Ускоряющее действие мехпримесей более сильно проявляется в прямогонном топливе JetA-1, чем в гидроочищенном Т-6.
Для увеличения ТОС следует повышать тонкость фильтрации.
Авторами проведены исследования по повышению термоокислительной стабильности топлива массового применения ТС-1.
Результаты проведенных испытаний разработанного экспериментального образца топлива ТС-1 с ПП (концентрация 0,03% масс.) показали, что введение в топливо ТС-1 полифункциональной присадки позволяет повысить термоокислительную стабильность топлива ТС-1 до уровня термостабильного топлива РТ, т.е. повысить ТОС топлива ТС-1 примерно на 50–60 оС.
В соответствии с задачами создания новых высокотемпературных авиамасел, работоспособных при температурах 240–250 °C, для лабораторных испытаний были выбраны опытные образцы синтетических масел, приготовленные на смесевой сложноэфирной основе.
Экспериментальные данные показали, что образцы масла, приготовленные на смесевой сложноэфирной основе с добавкой 10% кремнийорганической жидкости и штатных образцов антиоксидантов, удовлетворяют требованиям по ТОС для перспективных авиамасел. Дана рекомендация о проведении стендовых испытаний масла на двигателях.
В результате проведенных комплексных исследований эксплуатационных свойств реактивных топлив и авиамасел при нагреве до высоких температур в условиях, моделирующих топливную и масляную системы авиационных ГТД, установлено следующее:
- Определены предельно допустимые уровни температур нагрева современных отечественных и зарубежных реактивных топлив в элементах и узлах ГТД.
- Выявлены закономерности образования коксоотложений при окислении отечественных и зарубежных реактивных топлив. Определены возможности снижения количества смоло- и коксоотложений, образующихся при нагреве и охлаждении топлив в таких узлах ГТД, как топливные коллекторы и форсунки, топливо-масляные радиаторы и др.
- Сформулированы модели образования коксоотложений при течении топлив в каналах. Разработаны методы расчета коксоотложений в топливных каналах ГТД, позволяющие определить тепловое состояние и ресурс охлаждаемых элементов, а также сократить продолжительность испытаний двигателей.
- Разработаны и внедрены способы подавления коксоотложений при течении топлив в каналах в условиях нагрева, основанные на глубокой очистке топлив от примесей и повышении качества обработки поверхностей, позволяющие снизить коксоотложения от 10 до 50 раз и, соответственно, повысить ресурс охлаждаемых элементов конструкций ГТД .
- Разработаны и внедрены эффективные способы удаления кокосотложений из каналов ГТД, обеспечивающие наиболее полную очистку каналов без повреждения их поверхности и повышение ресурса очищаемых конструкций ГТД.
- Установлено влияние реактивных топлив, концентрации растворимых в них кислорода (воздуха) и воды, а также эмульсионной воды в топливах на закономерности износа пар трения, используемых в узлах трения ГТД. Даны рекомендации по снижению износа, обеспечивающие повышение ресурса и надежности узлов трения ТРА ГТД.
- Выбраны оптимальные опытные композиции авиамасел, обладающие наибольшим уровнем термоокислительной стабильности при сохранении остальных эксплуатационных свойств. Рекомендовано проведение испытаний этих композиций авиамасел в условиях стендовых испытаний ГТД.
Таким образом, проведенные исследования позволили разработать научные основы повышения химмотологической надежности авиационных газотурбинных двигателей и создать научно-технический задел в обеспечение создания перспективных высокотемпературных, с высоким ресурсом, ГТД, конкурентоспособных на мировом рынке.
1. Харин А.А. Управление развитием инновационной деятельности в регионах России [Текст] / А.А. Харин [и др.]. – М.: ИНФРА-М, 2015. – 213 с.
2. Яновский Л.С. Химмотологическое обеспечение надежности авиационных газотурбинных двигателей [Текст] / Л.С. Яновский, А.А. Харин. – М.: ИНФРА-М, 2015. – 264 с.
3. Галкин М.Н. Метод определения внутренних граничных условий теплообмена в охлаждаемых лопатках газовых турбин [Текст] / М.Н. Галкин, А.Н. Бойко, А.А. Харин. – М.: Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 1978. – № 8. – С. 77.
