Тенденция развития авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), связанная с увеличением тепловой нагрузки на агрегаты и элементы силовой установки, в том числе и на топливную и масляную системы, требует инновационых решений в обеспечении 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» [12, c. 4].

По этой причине особый интерес представляет многолетний опыт исследований в области совершенствования авиационных двигателей, обобщенный в монографии «Химмотологическое обеспечение надежности авиационных газотурбинных двигателей» [16].

В значительной мере надежность эксплуатации авиадвигателей определяется ее химмотологической компонентой (химмотологической надежностью), которая обусловлена качеством применяемых горюче-смазочных материалов (ГСМ): реактивных топлив и авиамасел и их влиянием на эксплуатационные свойства соответствующих узлов и агрегатов ГТД.

Требования к качеству реактивных топлив определяются следующими факторами: особенностями организации рабочего процесса в ГТД; условиями его размещения и перекачивания по топливной системе; большим расходом топлива не только как источника энергии, но и в качестве смазывающей среды и рабочего тела в системах регулирования и в гидравлических приводах, в качестве охлаждающего агента [13].

Влияние нагрева топлива в топливной системе летательного аппарата можно рассмотреть на примере пассажирского самолета «Конкорд» [2, 17, 18]. Продолжительность полета самолета «Конкорд» около 3 часов, при этом 2,5 часа он летит со скоростью М = 2,2 на высоте 19,5 км. 

За два часа крейсерского полета температура топлива в расходном баке повышается на 50 °С, максимальное ее значение не превышает 85 °С. В других элементах топливной системы максимальная температура составляет: в топливной форсунке основного контура 230 °С; в ТМР – 150 оС; в воздушном и гидравлическом радиаторах – 120 °С [2, 15, 17].

Отечественный самолет аналогичного назначения при высоте полета 18 тыс. м на разных режимах, включая режим сверхзвукового полета с максимальной скоростью М = 2,3 имеет наибольшую температуру топлива в расходном баке 80 °С (крейсерский режим) и 100 °С в конце планирования. На крейсерском режиме температура топлива перед форсунками достигала 125 °С, при снижении самолета – 150 °С [15].

Резкое снижение давления и температуры окружающего воздуха при наборе самолетом высоты неблагоприятно сказывается на процессе сгорания топлива. С подъемом на высоту плотность воздуха падает, его массовый расход уменьшается. Необходимость сохранения заданного состава топливовоздушной смеси приводит к снижению расхода топлива, уменьшению давления впрыска, ухудшению качества распыливания и испарения, что способствует нарушению процессов воспламенения и горения. Неполное сгорание компонентов топлива при высокой теплонапряженности камеры сгорания способствует образованию в пламени углистых частиц, повышающих его излучательную способность и образующих нагары на поверхности жаровой трубы. Нагары вызывают местные перегревы жаровой трубы, коробление и растрескивание [10, 13]. 

В настоящее время установлено, что образование кокса происходит при нагреве реактивных топлив. Скорость образования коксоотложений в общем случае определяется как химическими реакциями, происходящими в топливах, так и процессами массопереноса продуктов этих реакций, которые зависят от ряда факторов: химического состава и фазового состояния топлива, температур потока и стенки, давления и скорости потока, материала и состояния поверхностей контактирующих с топливом стенок. При постоянном тепловом потоке образование коксоотложений на стенках приводит к перегреву последних; при этом степень перегрева определяется как толщиной коксоотложений, так и теплофизическими свойствами кокса, зависящими от его состава и структуры. В связи с этим расчет и проектирование узлов ГТД, охлаждаемых топливами, определение их ресурса и эксплуатационных свойств требуют знания механизмов и кинетики реакций, происходящих топливах при нагреве, закономерностей тепло- и массообмена в углеводородных топливах в широком диапазоне параметров, а также знания физических свойств коксоотложений. 

Аналогичные проблемы возникают и при нагреве авиамасел в маслосистемах ГТД. 

Масла для ГТД должны обладать высокой термической и термоокислительной стабильностью, хорошими смазывающими и вязкостно-температурными свойствами, низкой испаряемостью и температурой застывания, высокими теплоемкостью, температурой вспышки и самовоспламенения, низкой агрессивностью к конструкционным материалам при рабочих температурах в двигателях, хорошими защитными свойствами, малой вспениваемостью и т.п. Вопросы образования, подавления удаления смоло- и коксоотложений из элементов и узлов ГТД, повышения ресурса узлов трения, смазываемых реактивными топливами и маслами, повышения термоокислительной стабильности топлив и масел в условиях высокотемпературного нагрева определяют пути решения проблемы повышения химмотологической надежности ГТД. 

Это обстоятельство в значительной мере предопределило и постановку целей и задач исследования данной работы. 

Авиационная химмотология решает задачи [13] проектирования и конструирования авиационной техники с учетом требований к применяемым горюче-смазочным материалам, повышения эксплуатационных свойств топлив и масел для авиатехники, разработки и производства новых ГСМ. Успехи в каждой из перечисленных областей позволяют повысить надежность авиационной техники [14].

При проектировании ГТД – это оптимизация требований конструкции двигателя к качеству топлив и масел; расчет рационального запаса ГСМ для элементов силовых установок; обоснование рентабельности летательного аппарата из условий рекомендаций применения ГСМ на двигателе; разработка предложений по использованию сортов топлив для различных типов двигателей.

При производстве горюче-смазочных материалов – это совершенствование технологии получения ГСМ; повышение качества и обеспечение стабильности производимых ГСМ; совершенствование системы контроля качества ГСМ; улучшение процессов отгрузки и транспортирования ГСМ. 

При эксплуатации силовых установок с ГТД – это правильное применение сортов топлива и смазок; точность выполнения регламентов и совершенствование наземных средств эксплуатации; улучшение процессов приема, перекачки и заправки ГСМ; совершенствование методов сохранения качества ГСМ; улучшение экспресс-методов контроля качества топлива.

Рассмотрим факторы, влияющие на химмотологическую надежность ГТД.

При нагреве реактивные топлива и масла склонны к образованию твердых агломератов, появляющихся как в объеме, так и выпадающих на стенки каналов в виде отложений. Очевидно, что коксовые отложения оказывают влияние на термическое сопротивление стенок коллекторов и ТМР, характеристики пограничного слоя движущейся жидкости, гидравлическое сопротивление каналов, полноту сгорания топлива, нагарообразование, дымление и др. В процессе эксплуатации это приводит к изменению свойств топлива масла и, как следствие, к изменению характеристик горения (уменьшение полноты сгорания, увеличение выброса канцерогенных и мутагенных веществ), а в некоторых случаях – к полному выходу из строя топливных коллекторов и форсунок из-за загромождения сечения каналов коксом. 

Склонность реактивных топлив к образованию отложений связана с происходящими в них процессами окисления, конденсации и полимеризации гетероатомных соединений. Эти процессы протекают как при высоких, так и при низких температурах, только с меньшей скоростью. Механизм окисления топлив меняется при достижении температур 110–130 °С. При более низких температурах нет принципиального различия в механизме образования отложений в реактивных топливах: от температуры начала кристаллизации и до указанных температур изменяется лишь скорость процесса. Низкотемпературные отложения в основном образуются на стенках складских топливных резервуаров, фильтрах тонкой очистки заправочных средств, а также в топливных системах самолетов на фильтрах тонкой очистки, деталях топливоподающей аппаратуры и в топливомасляных радиаторах. Такие отложения сравнительно легко удаляются при плановых зачистках резервуаров, и при надлежащем фильтровании топлива при заправке они не попадают в топливные системы летательных аппаратов.

Образование отложений в топливных системах двигателей летательных аппаратов обусловлено нагревом топлива. Эти отложения могут забивать фильтры, нарушать работу топливорегулирующей аппаратуры и снижать эффективность охлаждения двигателей и теплообменных аппаратов.

Склонность топлив к образованию низкотемпературных отложений принято оценивать по содержанию фактических смол и по йодному числу. Указанное свойство можно характеризовать и другими показателями, отражающими содержание и характер гетероатомных соединений. О содержании гетероатомных соединений можно, например, судить и по кислотности топлива, определение которой также предусмотрено соответствующими стандартами.

Содержание фактических смол косвенно характеризует суммарную долю находящихся в топливе гетероатомных соединений, способных к образованию осадков и отложений окислительного характера. Йодное число характеризует содержание в топливе алкенов, которые из всех находящихся в нем углеводородов являются наиболее склонными к окислению и дальнейшим превращениям. Среди отечественных товарных топлив наихудшим по содержанию фактических смол является прямогонное топливо Т-1. Поскольку в результате гидрогенизации нефтяных фракций из них удаляется основная масса гетероатомных соединений, в гидрогенизационных топливах, подвергшихся такой обработке, содержится незначительное количество фактических смол (до 2 мг/100 мл).

Топливо ТС-1 в связи с использованием для его получения малосмолистых нефтей, с вовлечением в него в ряде случаев до 70% гидроочищенной фракции, а также из-за более низкой температуры конца кипения содержит фактических смол значительно меньше, чем топливо Т-1. По этим же причинам йодное число топлив, подвергшихся гидрогенизации, мало и составляет 0–0,5 г J2/мл, для остальных топлив оно, как правило, в несколько раз больше. 

Современные гидрогенизированные топлива при эксплуатации авиационной техники низкотемпературных отложений, как правило, не образуют.

В результате происходящих в топливе окислительных и сопряженных ними процессов полимеризации и уплотнения склонность топлив к образованию низкотемпературных отложений при длительном хранении в естественно-природных условиях изменяется. 

При нагревании топлива до температур выше 130–170 °С в результате его окисления растворенным воздухом возникают отложения, которые выпадают на стенки и появляются во всем объеме канала [10]. Это приводит к изменению режимов течения топлива и теплообмена в каналах коллекторов и форсунок, что обусловлено изменением термического сопротивления стенок каналов, а также изменением гидравлического сопротивления каналов вследствие отложений кокса.

Природа возникновения кокса, в основном, связана с окислением топлива воздухом, растворенным в нем. Кислородные соединения, присутствующие в реактивных топливах, делятся на две группы: растворимые и нерастворимые в топливной среде.

Растворимые кислородные соединения присутствуют в топливе, не нарушая его фазового состояния. Они не являются источниками образования в топливе второй фазы (смолы, отложений).

Нерастворимые кислородные соединения являются соединениями природного происхождения, часть из которых может присутствовать в топливе в виде мелкодисперсной фазы. Они являются источниками образования кокса. Нерастворимых соединений в топливе значительно больше, чем растворимых [4].

Склонность реактивных топлив к образованию отложений характеризуется их термоокислительной стабильностью. Уровень качества топлив по этому показателю зависит от их устойчивости к окислению и склонности к формированию второй фазы. При нагреве вторая фаза нарушает гомогенность топлива.

Уровень термоокислительной стабильности (ТОС) в первую очередь зависит от устойчивости топлив к окислению. Установлено, что по мере повышения устойчивости к окислению углеводороды различных классов можно расположить в следующий ряд: непредельные, цикланоароматические, алкилароматические, цикланы, алканы. С повышением молекулярной массы химическая стабильность углеводородов снижается [1]. Различные углеводороды, присутствующие в топливах, подвергаются окислению в смеси и оказывают взаимное влияние на скорость окисления, инициируя ее либо ингибируя. Продукты окисления, накапливающиеся в топливах, заметно изменяют направление и скорость окисления углеводородов: они могут оказывать и ингибирующее, и инициирующее действие. Так, в гидрогенизационных топливах накапливающиеся продукты автоокисления при соответствующей концентрации оказываются естественными ингибиторами дальнейшего окисления [14].

В химических превращениях топлив принимают участие и гетероатомные соединения, продукты, окисления которых взаимодействуют с веществами, образующимися при окислении топлив, при этом усложняется состав конечных продуктов. Среди гетероатомных соединений отрицательное действие на стабильность топлив оказывают соединения серы, и самыми реакционно-способными являются меркаптаны [1]. 

Проведенный многими исследователями анализ продуктов, образующихся при окислении углеводородных топлив, свидетельствует о многообразии протекающих окислительных процессов, связанных со сложным составом топлив, наличием в нем гетероатомных соединений. Это обусловливает разные скорости и направления процессов окисления, взаимное влияние компонентов топлив и продуктов их окисления. Глубоко очищенные от гетероатомных соединений топлива имеют повышенную (в сравнении с неочищенными топливами) склонность к окислению. Скорость окисления гидроочищенных топлив соизмерима со скоростью окисления индивидуальных соединений. Продукты окисления – смесь кислородсодержащих структур: гидропероксидов, спиртов, альдегидов, кетонов, кислот и сложных эфиров. В них обнаруживаются также непредельные соединения. Основная часть продуктов окисления в топливе находится в растворенном состоянии. По данным [1], лишь одна трехсотая часть их выпадает при окислении в осадок. С повышением температуры увеличивается количество образующегося за определенное время осадка, и при температуре 130–170 °С (в зависимости от марки топлива) оно достигает максимума, а с дальнейшим повышением температуры снижается. Однозначного объяснения этому явлению нет. Его связывают с уменьшением доступа кислорода к топливу по мере роста температуры [9], с поверхностно-активными свойствами и изменением растворимости осадка [7], а также с экстремальным изменением вероятности зарождения свободных радикалов и адсорбционной способности зародышей твердой фазы [1].

В соответствии с общепринятыми представлениями окисление углеводородных топлив – это цепной процесс. Как показано в работе [5], определение скорости окисления такой смеси углеводородов, какой является реактивное топливо, весьма затруднительно. Приближенные методы определения скорости процесса не дают представления о возможности и скорости образования в них второй фазы, а, следовательно, и склонности топлив к образованию отложений. Это свойство в настоящее время наиболее достоверно оценивают методами, с помощью которых непосредственно определяют изменение количества образующейся второй фазы в топливе при его нагревании. 

Для отечественных топлив предусмотрена оценка термоокислительной стабильности в статических и динамических условиях. В статических условиях определяют массы осадка, растворимых и нерастворимых смол, образующихся при окислении топлива кислородом воздуха при 150 °С. В динамических условиях регистрируют перепад давления на контрольном фильтре, время до полной забивки фильтра, наличие отложений на оценочной трубке при прокачивании нагретого топлива, а также индекс термостабильности и температуру начала образования отложений. Зарубежными стандартами на топлива предусмотрено определение аналогичных показателей. 

Показателями, характеризующими склонность топлив к образованию отложений, являются: индекс термостабильности (ИТ), температура начала образования отложений (tн.о) и перепад давления ( Р) на фильтре за 5 ч испытания. Содержание же фактических смол, йодное число, масса образующегося осадка при окислении в статических условиях очень грубо характеризуют указанное эксплуатационное свойство реактивных топлив. Практически совершенно нечувствительным для современных топлив является показатель, отражающий массу отложений. По склонности к образованию отложений на нагретой поверхности, характеризуемой ИТ, в порядке улучшения этого показателя реактивные топлива располагаются в ряд: Т–1 → ТС–1 → РТ → Т–6 . При этом следует учитывать, что для каждой марки топлива индекс термостабильности изменяется в довольно широком диапазоне. В результате отдельные лучшие образцы топлив Т-1 и ТС–1 по этому показателю могут превосходить худшие образцы топлив ТС–1 и РТ, соответственно.

По температуре начала осадкообразования реактивные топлива можно подразделить на три группы в зависимости от технологии их получения: 1) топлива Т–1 и ТС–1, не подвергающиеся гидрогенизационной обработке или содержащие смесь прямогонной и гидроочищенной фракций (85–100 °С); 2) гидроочищенное топливо РТ (135–180 °С); 3) глубокогидрированное топливо Т-6 – около 180 °С.

Смешение гидроочищенных фракций с прямогонными приводит к снижению температуры начала образования отложений до уровня, свойственного прямогонным топливам, и к ухудшению индекса ИТ.

Соединения серы, в том числе меркаптаны, а также непредельные углеводороды в количествах, допустимых стандартами на топливо, незначительно влияют на показатели ИТ и tн.о. При наличии этих соединений в концентрациях, характерных для указанных товарных топлив, также не сказывается на этих показателях и содержание ароматических углеводородов. Их влияние можно проследить только в гидрогенизационных топливах, содержащих небольшое количество гетероатомных соединений. Так, топлива РТ и Т-6 с содержанием ароматических углеводородов 15–18% и 5–7%, соответственно, значительно различаются по ИТ и tн.о, а топливо Т-8В, содержащее 12% ароматических углеводородов, занимает промежуточное положение (ИТ = 0,25, tн.о = 180 °С).

Влияние различных функциональных присадок на склонность топлив к образованию отложений на горячей поверхности проявляется по-разному. В отечественной и зарубежной практике распространение получили следующие типы присадок к реактивным топливам: антиокислительные, противоводокристаллизационные, противоизносные, диспергирующие, защитные и антиэлектростатические. Для термостабильности топлив наибольший интерес представляют антиокислительные и диспергирующие присадки. Проведенные исследования [15] показали, что антиокислители, подавляя окислительный процесс, воздействуют только на количество образующегося осадка, не изменяя температуры начала его образования. Таким же образом действует и замещение в топливе растворенного кислорода на азот (азотирование). При введении антиокислителей в концентрации выше предельной, как и при азотировании, в топливе практически полностью подавляются окислительные процессы, а отложения в несколько меньшем количестве образуются за счет термического уплотнения имевшихся в топливе смолистых веществ и гетероатомных соединений. Приведенные данные свидетельствуют о том, что с помощью только антиокислительных присадок нельзя получить значительного улучшения термостабильности реактивных топлив, особенно обладающих высокой склонностью к образованию отложений на нагретой поверхности. 

Диспергирующие присадки, в отличие от антиокислительных, уменьшают ИТ и увеличивают tн.о. На эффективность диспергирующих присадок большое влияние оказывают их собственная окисляемость и стойкость к разложению при нагреве. Максимальный эффект достигается при одновременном использовании диспергирующей и антиокислительной присадок. Проблемы, связанные с обеспечением высокой термо-окислительной стабильности топлив, могут быть решены не только за счет гидрогенизации топлив, но и с помощью полифункциональной присадки, обладающей антиокислительными и диспергирующими свойствами. Этот путь с точки зрения снижения затрат может оказаться предпочтительным.

Присадки других функциональных назначений воздействуют на термоокислительную стабильность топлив в соответствии с тем, обладают ли они, и в какой мере, антиокислительными и диспергирующими свойствами. Так, противообледенительные присадки этилцеллозольв и тетрагидрофурфуриловый спирт практически не влияют на tн.о. и несколько снижают ИТ прямогонных топлив, не изменяя этот показатель у гидрогенизационных топлив. Противоизносные присадки, несмотря на то что обладают высокими поверхностно-активными свойствами, мало изменяют ИТ и практически не влияют на tн.о. Антистатические присадки несколько увеличивают ИТ и снижают tн.о.

Ухудшение этих показателей в значительной степени снижается при одновременном введении ионола. Наибольшее различие в своем влиянии на термоокислительную стабильность имеют защитные присадки, которые в зависимости от своих поверхностно-активных свойств могут как улучшать, так и ухудшать ИТ и tн.о.

Образование коксоотложений в каналах при течении топлив представляет собой сложный процесс, определяемый как химическими, так и физическими факторами, и для разработки методов расчета интенсивности образования коксоотложений в топливных каналах ГТД необходимо располагать соответствующими количественными результатами.

Повышенная загрязненность реактивных топлив механическими примесями и водой может быть причиной забивки топливных фильтров силовой установки, преждевременного изнашивания или заклинивания прецизионных пар топливорегулирующей аппаратуры, ее ускоренной коррозии. Кроме того, механические примеси и вода могут оказывать отрицательное влияние на такие важные эксплуатационные характеристики, как термостабильность топлива и его противоизносные свойства.

Чистота реактивного топлива оценивается количественно по содержанию в нем загрязнений в виде посторонних твердых частиц (механические примеси) органического и неорганического происхождения, а также свободной воды.

Неорганические загрязнения в общей массе загрязнений занимают большую часть и представляют собой продукты коррозии металлов (главным образом, Fe) и минеральные примеси, содержащие продукты окисления Si, Ca, Al, Mg, Na. Органические загрязнения состоят, в основном, из твердых растительных остатков окружающей среды и смолистых соединений противообледенительные присадки этилцеллозольв продуктов окисления топлива.

Известно, что наименьшие зазоры в прецизионных парах в насосахрегуляторах типа НР-1000Б, используемых в ГТД, при их изготовлении составляют 5–6 мкм. 

Для обеспечения безотказной работы топливорегулирующей аппаратуры, имеющей в прецизионных парах зазоры заданной величины, необходимо, чтобы размеры частиц загрязнений не превышали указанных величин, а их количество было бы минимальным. Следовательно, топливо, поступающее к прецизионным парам ТРА, не должно иметь частиц загрязнений размером свыше 5 мкм. 

Частицы, превосходящие размеры пор фильтров топливных систем самолета и двигателя, задерживаются ими и могут частично или полностью выводить их из строя. Частицы, имеющие размеры меньше пор фильтров, с потоком топлива поступают в ТРА ГТД. Те из них, которые по размерам находятся в пределах зазоров, попадая в эти зазоры, ухудшают условия работы пар и нередко вызывают в них неисправности.

Установлено, что досрочный съем агрегатов из-за повышенной загрязненности топлив в среднем составляет 10% от общего количества снимаемых агрегатов. 

Надежность и ресурс топливной аппаратуры ГТД в значительной степени зависит от антифрикционных свойств материалов, применяемых в узлах трения. Антифрикционные свойства материалов (стали и бронзы) определяются как их физико-химической природой, так и смазывавшими свойствами реактивных топлив, в которых они работают. Кроме этого, существенное влияние на антифрикционные свойства пар трения могут оказывать вода и растворенный в реактивном топливе кислород.

Исследования антифрикционных свойств пар трения «сталь – сталь» показали, что активное участие в процессах трения принимает растворенный в топливе кислород. Представляет также интерес воздействие реактивных топлив, полученных по разной технологии, и противоизносных присадок на антифрикционные свойства конструкционных бронз. В связи с этим является актуальным проведение сравнительных исследований по влиянию реактивных топлив, растворенных в них воды и кислорода, при разных условиях на антифрикционные свойства сталей и бронз, применяемых в топливных агрегатах ГТД.

Реактивные топлива характеризуются совокупностью параметров, которые часто являются взаимоисключающими. К этим параметрам в первую очередь относятся термоокислительная стабильность топлива, плотность, вязкость, совместимость с конструкционными и уплотнительными материалами, склонность топлива к нагарообразованию и др.

На практике в одном типе топлива невозможно совместить весь набор предъявляемых к ним требований. Например, повышение плотности топлива связано с увеличением содержания в нем ароматических углеводородов, однако это приводит к повышению склонности топлива к нагарообразованию и т.п.

В связи с этим количество сортов реактивных топлив, принятых к применению за рубежом и в Российской Федерации, ограничено несколькими марками.

В настоящее время основными марками авиационных реактивных топлив в нашей стране являются TC-1 и РТ (ГОСТ 10227-86), Т-8В и Т-6 (ГОСТ 12308-89) [17].

Топливо ТС-1 – это массовое реактивное топливо для дозвуковой и сверхзвуковой авиации с ограниченной продолжительностью сверхзвукового полета. Оно вырабатывается прямогонным и смесевым. В последнем случае в прямогонную фракцию нефти добавляется гидроочищенный компонент.

Топливо РТ – гидроочищенное. Оно полностью удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к топливу ТС-1, и может заменять его. Вместе с тем, будучи более термостабильным, чем топливо ТС-1, оно допускает нагрев в топливной системе ГТД летательного аппарата до более высоких температур и поэтому может применяться в теплонапряженных двигателях самолетов с увеличенной продолжительностью сверхзвукового полета, в течение которого вследствие аэродинамического нагрева возможно значительное повышение температуры топлива в баках самолета.

Топливо Т-8В вырабатывается с применением гидрогенизационных процессов (гидроочистки, гидрокрекинга). Это топливо по сравнению с топливами ТС-1 и РТ имеет повышенную плотность (не менее 0,8 вместо 0,775 г/см3 у топлив ТС-1 и РТ) и утяжеленный фракционный состав. Топливо Т-8В предназначено для применения в сверхзвуковых самолетах с большой продолжительностью сверхзвукового полета.

Топливо Т-6 – высокотермостабильное, имеет плотность не менее 0,84 г/см3 и низкое давление насыщенных паров. Эти качества определяют применение топлива Т-6 на высокоскоростных самолетах с большой продолжительностью сверхзвукового полета. Вырабатывается с применением технологии глубокого гидрирования и гидрокрекинга.

Качество и ассортимент отечественных реактивных топлив пока еще удовлетворяют требованиям применения в современной авиации. Вместе с тем необходимо отметить два важных обстоятельства, которые делают весьма актуальными постановку и проведение ряда исследований в области обеспечения химмотологической надежности ГТД, использующих реактивные топлива.

Во-первых, отечественные реактивные топлива по некоторым показателям качества (противоизносным, низкотемпературным, характеристикам горения [10], совместимости с конструкционными и уплотнительными материалами) превосходят зарубежные аналоги, в связи с чем не все зарубежные товарные реактивные топлива могут применяться на отечественной авиатехнике без ограничений, что не способствует ее конкурентоспособности на внешнем рынке.

Во-вторых, самое массовое отечественное реактивное топливо ТС-1 по такому важному показателю, как термоокислительная стабильность (ТОС) уже не удовлетворяет требованиям применения в перспективных теплонапряженных авиадвигателях, имеющих высокую температуру воздуха и продуктов сгорания топлива по тракту двигателя, что будет сдерживать прогрессивное развитие авиационных ГТД.

Естественным выходом из создавшегося положения было бы прекращение производства прямогонного топлива ТС-1 (как это было сделано ранее с нетермостабильным топливом Т-1) и замена его более термостабильным топливом РТ, вырабатываемым с применением процесса гидроочистки. Однако такая замена требует больших капитальных затрат в связи с расширением производства топлива РТ.

Более рентабельным представляется повышение ТОС топлива ТС-1 с помощью полифункциональной присадки.

Что касается исследований по повышению энергоемкости реактивных топлив, следует отметить, что такое высокоплотное топливо в нашей стране было разработано достаточно давно – это топливо Т-6 с плотностью «не менее 0,84 г/см3». Отличие отечественного топлива Т-6 от разработанного в США JP-8X состоит, главным образом, в том, что топливо JP-8X по термостабильности уступает даже топливу JP-8, не говоря уже о топливе Т-6 – самом высокотермостабильном российском реактивном топливе. В топливе JP-8X предполагается иметь ароматических углеводородов более 30% (об.), в то время как в отечественном Т-6 их не более 10% (мас.). Таким образом, топливо JP-8X существенно уступает по показателям качества отечественному высокоплотному топливу Т-6, но в отличие от последнего не требует для своего производства сложных технологических процессов (глубокое гидрирование, гидрокрекинг и т.п.). На протяжении многих лет наиболее массовыми авиационными топливами за рубежом [14], применяемыми в гражданской авиации, являются Jet-A1 (ASTMD 1655, DERD 2494) и AVTUR (DERDS494). Преимущественно на внутренних линиях США и Канады используется также топливо Jet-A (ASTMD 1655) и широкофракционное топливо Jet-B (ASTMD 1655). 

В военной авиации наибольшее распространение как в США и Канаде, так и в странах НАТО получило топливо широкофракционного состава JP-4, а в авиации корабельного базирования – топливо JP-5 (AVCAT). В последние годы наметилась тенденция перехода от топлива JP-4 к топливу JP-8 (MiL-T-583133). В европейских странах – Франции, Бельгии, Великобритании, Швеции и других – применяются аналогичные топлива с незначительными отклонениями в показателях.

Номенклатура зарубежных реактивных топлив для военной и гражданской авиации остается постоянной, и каких-либо существенных изменений в требованиях спецификаций к качеству топлив не произошло. Некоторые изменения произошли в структуре потребления.

Основным направлением в области стандартных топлив для военной авиации является переход от топлива JP-4 широкого фракционного состава к топливу JP-8 типа керосина. С одной стороны, это объясняется повышенной пожарной опасностью топлива JP-4, с другой стороны, стремлением унифицировать топлива, применяемые в военной и гражданской авиации. 

На стратегическом разведчике SR-71, рассчитанном на длительный полет со скоростью, соответствующей Мп ~ 3, применяется топливо TSF (MiL-T-25524), имеющее повышенную термоокислительную стабильность.

Кроме того, в военных спецификациях сохранено топливо JP-7 (MiL-T-38239), характеризующееся высокими ТОС и массовой теплотой сгорания, а также улучшенными характеристиками горения.

Перед тем как рассмотреть направления исследований в области реактивных топлив за рубежом, целесообразно оценить общую ситуацию, сложившуюся в области производства этих топлив в последние годы. Это позволит понять причины проведения тех или иных исследований.

На современную ситуацию за рубежом в области топлив широкого применения для авиационных ГТД оказывают влияние следующие факторы: постепенное увеличение в перерабатываемом сырье доли тяжелых нефтей, имеющих повышенное содержание серы и ароматических углеводородов; углубление переработки нефти, т.е. использование остаточных продуктов переработки нефти в качестве сырья для получения легких дистиллятов; ужесточение требований к качеству дизельного топлива; переход ВВС США с топлива широкого фракционного состава JP-4 на топливо типа керосина. 

Наиболее важным достижением явилось то, что двигателестроительными фирмами был разработан ряд конструктивных и технологических мероприятий, внедрение которых будет способствовать возможности применения на современной и перспективной авиатехнике топлив пониженного качества. В первую очередь это относится к топливам с повышенным содержанием ароматических углеводородов. Так, фирмами Дженерал-Электрик и Пратт-Уитни были разработаны принципиально новые конструкции камер сгорания, так называемые двухзонные камеры сгорания. Эти камеры позволяют не только эффективно сжигать топливо с повышенным содержанием ароматических углеводородов, но, что еще очень важно в настоящее время, снизить эмиссию СО, СnНm и NOх до значений, удовлетворяющих нормам ICAO и ЕРА (Агентство США по охране окружающей среды). Однако использование двухзонных камер сгорания потребует внесения функциональных изменений в систему регулирования двигателя. 

Работы в направлении изучения влияния таких топлив на работу камер сгорания, совместимость с эластомерами продолжаются. Оцениваются характеристики сгорания топлив различного состава и качества. Диапазон значений показателей испытуемых топлив очень велик.

Так, содержание ароматических углеводородов находилось в пределах от 2,8% (топливо JP-7) до 37% (опытное топливо), при этом содержание водорода в составе топлива изменялось от 14,5 до 12,2%.

Проведенные фирмами Дженерал Электрик и Пратт-Уитни исследования показали, что одним из основных требований к топливам, которые будут применяться в двигателях истребителей является их хладоресурс. Другими словами, при нагреве топлива до высоких температур изменение их свойств не должно оказывать отрицательного влияния на надежность и ресурс двигателей, т.е. топливо должно обладать высокой термоокислительной стабильностью.

Масла в авиационных ГТД работают при различных режимах трения, высоких температурах, нагрузках, скоростях перемещения трущихся деталей, в контакте с различными конструкционными материалами, в условиях высокой аэрации.

Масла должны обладать высокой термической и термоокислительной стабильностью, хорошими смазывающими и вязкостно-температурными свойствами, низкой испаряемостью и температурой застывания, высокими теплоемкостью, температурой вспышки и самовоспламенения, низкой агрессивностью к конструкционным материалам при рабочих температурах в двигателях, хорошими защитными свойствами, малой вспениваемостью и т.п.

Достигнутый научно-технический уровень в области разработки масел для авиационных ГТД в нашей стране и за рубежом примерно одинаков, и по качеству российские масла практически не уступают лучшим авиационным маслам различных зарубежных фирм.

Имеющийся ассортимент отечественных смазочных масел для авиационных двигателей позволяет обеспечивать надежную эксплуатацию изделий авиатехники. Традиционно для нашей страны этот ассортимент включает минеральные (нефтяные) и синтетические масла [14]. 

Для применения в двигателях были допущены разработанные и поставленные на производство следующие сорта авиационных масел:

• МК-8, МК-8П, МС-8П, МС-8РК: маловязкие нефтяные масла для авиационных ТРД невысокой тепловой напряженности;
• ИПМ-10, ВНИИ НП 50-1-4ф, ВНИИ НП 50-1-4у, 36/1Ку-А: синтетические термостабильные масла для теплонапряженных ТРД объектов гражданской и военной авиации;
• Б-3В, ЛЗ-240: синтетические масла на основе сложных эфиров многоатомных спиртов для ГТД и редукторов вертолетов;
• МН-7,5У: нефтяное загущенное масло, разработанное для применения в серийных ТВД взамен смесей масел МС-20 (МК-22) и МК-8 (МС-8П) в различных соотношениях;
• ПТС-225: синтетическое масло на основе сложных эфиров пентаэритрита, работоспособное до 225 °С и допущенное для отработки высокотеплонапряженных перспективных ГТД;
• ВТ-301; Силоксаны, не имеющие по термостабильности зарубежных аналогов и предназначенные для применения в теплонапряженных ТРД.

По ряду причин (истощение запасов нефти определенных месторождений, прекращение производства основы некоторых масел или присадок к ним) в последние годы ассортимент вырабатываемых в России масел для изделий авиатехники резко сократился. 

В сложившихся условиях эксплуатирующие организации гражданской и военной авиации переходят на закупку смазочных материалов за рубежом (у западных фирм Nyco, Exxon-Mobil, Shell и т.п.), что является особенно для военной авиации крайне нежелательным. Зарубежные страны, закупающие и эксплуатирующие российскую авиатехнику, также сталкиваясь с подобными трудностями, переходят к применению смазочных материалов западных фирм. Все это наносит определенный урон престижу России на международной арене. Кроме того, проведение испытаний в стране для подтверждения возможности безопасного применения зарубежных смазочных материалов приводит к значительным материальным затратам.

Для преодоления создавшегося в настоящее время положения с обеспечением авиатехники необходимым ассортиментом смазочных материалов требуется в первую очередь возобновить проведение НИР в обеспечение разработки новых и совершенствованию существующих авиационных смазочных материалов (нового, более качественного масла для перспективных высокотеплонапряженных ТРД, ТВВД, редукторов вертолетов).

Проведенный анализ требований зарубежных спецификаций к качеству высокотермостабильных синтетических сложноэфирных масел с вязкостью примерно 5 сСт (при 100 °С) показал следующее. 

В области масел, предназначенных для использования в ГТД, в ближайшей перспективе предусматривается применение масел с вязкостью ≈ 4 сСт при 100 °С, характеризующихся высокой термоокислительной стабильностью (200 °С) и повышенной несущей способностью. В то же время продолжаются работы по поиску новых термостабильных основ для масел с уровнем термоокислительной стабильности выше 300 °С. 

В области масел, предназначенных для ГТД корабельной авиации, осуществляется переход на масла с повышенными защитными свойствами с вязкостью ≈ 5 сСт при 100 °С. 

Для обеспечения смазки перспективных вертолетов ВМФ предусмотрена разработка специального трансмиссионного масла на основе поэтапного улучшения смазывающих свойств, защитных свойств и термоокислительной стабильности. 

Для масел, используемых в ГТД гражданской авиации, термостабильных до 200 °С – 225 °С, предусмотрено массовое использование синтетических масел с вязкостью ≈ 5 сСт при 100 °С с постепенным переходом на преимущественное применение масел третьего поколения. 

Проблема увеличения срока службы масла при применении его в ГТД радикально может быть решена использованием новых высокотемпературных масел, обладающих улучшенным качеством (прежде всего, повышенной термоокислительной стабильностью – ТОС).

Наиболее важными параметрами масла, определяющими нормальную работоспособность маслосистемы ГТД, являются термоокислительная стабильность, смазывающая способность, коррозионная агрессивность и низкотемпературные свойства. Первые три параметра могут быть обобщены таким понятием, как предельно допустимая рабочая температура масла в двигателе, низкотемпературные же свойства масла во многом обусловливают пусковые характеристики двигателя.

Совершенствованию существующих лабораторных методов и разработке новых методов оценки этих показателей посвящены, в основном, в последние годы работы отечественных и зарубежных специалистов. Особое место среди этих исследований занимают работы по всестороннему изучению термоокислительной стабильности масел.

При работе в ГТД масло, как известно, подвергается воздействию множества различных факторов, причем характер воздействия сложен. Масло окисляется в объеме растворенным кислородом воздуха; масло окисляется также и в потоке масловоздушной смеси на линиях ее откачки; протекают процессы испарения и термоокислительной деструкции масла на деталях в зоне перегрева; протекает окисление в масляном тумане (в капельножидком состоянии) в опорах ротора и коробке привода. Во время работы двигателя масляная пленка подвергается мгновенному и значительному нагреву в подшипниках и шестернях, а после остановки двигателя – длительному воздействию высоких температур за счет тепла горячих деталей газовоздушного тракта двигателя. На процесс окисления масла в объеме, в тонкой пленке и в капельножидком состоянии оказывают каталитическое воздействие конструкционные материалы.

Процесс окисления большинства органических соединений экзотермичен, даже небольшой перегрев может стимулировать реакцию глубокого окисления масла. Поэтому основные изменения масла происходят в зонах наиболее высоких температур – в узлах опоры трансмиссии двигателя и др. При этом происходит как изменение свойств самого масла, так и образование лако- и коксообразных отложений на горячих деталях маслосистемы, что может привести к забивке фильтров и жиклерных отверстий, перегреву подшипников и т.п. Все это снижает надежность работы авиационных ГТД.

Прежде всего, целесообразно остановиться на основных результатах рассмотрения существующего ассортимента авиамасел для ГТД. Анализ данных показал, что существующий ассортимент авиационных минеральных и синтетических масел обеспечивает надежную эксплуатацию авиатехники сегодняшнего дня. 

К перспективным маслам возрастают требования по термоокислительной стабильности. Кроме того, для масел выдвигаются жесткие требования по смазывающей способности, возможности бессменной работы в течение всего ресурса, возможности низкотемпературного запуска без подогрева и, наконец, по стоимости.

С этих позиций очевидно, что минеральные масла не могут рассматриваться как перспективные, прежде всего, из-за невозможности обеспечения запаса качества по ТОС и бессменной работе.

Применение синтетических масел, безусловно, перспективно, но существующий ассортимент нуждается в заметном улучшении. Прежде всего, необходимо массовое дешевое высококачественное масло на 200 °C, на котором должен работать весь парк машин гражданской авиации. Стоимость товарных синтетических масел высока по сравнению со стоимостью минеральных масел (в > 10 раз). Отрицательными факторами являются также дефицитность основы диизооктилсебацината, некоторые технологические недостатки производства масел, отсутствие запаса качества по ТОС. 

Необходимо также дешевое массовое масло, работоспособное при температурах > 200 °С.

Таким образом, проблема улучшения качества синтетических масел (на 200 °С, 225 °С, 240–250 °С) при снижении стоимости и обеспечении возможности производства масел из недефицитного сырья по пригодной для массового производства технологии выдвигается на первое место. Одновременно в целях обеспечения научно-технического задела и для разового применения необходима разработка новых высокостабильных основ (на 300 °С и выше) и присадок к ним.

Следовательно, целесообразно выделить две основные проблемы совершенствования авиамасел: улучшение качества традиционных основ за счет использования новых присадок и совершенствования технологии производства; синтез и применение новых базовых основ высокотемпературных авиамасел и присадок к ним. 

Кроме улучшения ТОС, решается также задача улучшения смазывающих свойств высокотемпературных сложноэфирных масел. Разработка новых присадок данного функционального назначения вызвана необходимостью исключить из композиции масла традиционные присадки, содержащие атомы химически активных элементов S, P, Cl, которые при высокой температуре вызывают коррозию и осадкообразование. Для этих целей предложено использовать низкомолекулярные полиэфиры на основе диэфиров дикарбоновых кислот.

Рассматривая синтетические эфирные масла, следует остановиться также на проблеме создания высокотемпературного рабочего консервационного масла. Известно, что этому вопросу уделяется в последнее время очень большое внимание. До настоящего времени не удалось получить рабочее консервационное масло, работоспособное при температурах ≥ 200° С, т.е. синтетическое масло, обладающее консервационными свойствами. 

Важнейшими направлениями исследовательской работы в целях обеспечения перспективной авиатехники высококачественными маслами являются: улучшение качества синтетических масел (на 200, 225, 240–250 °С) при снижении их стоимости и обеспечении возможности массового производства; разработка новых высокостабильных основ (на 300° С и выше) и присадок к ним. 

В области улучшения качества синтетических масел наиболее перспективны работы по синтезу и подбору полифункциональных соединений, а также по поиску новых антиоксидантов для сложноэфирных масел. 

Необходимо дальнейшее развитие исследовательских работ по поиску термостабильных жидкостей, которые могут быть использованы для создания на их основе высокотемпературных смазочных масел. Наиболее перспективны различные азотсодержащие соединения (производные пиразина, симметричного триазина амидов и т.д., в том числе фторированные производные этих соединений). 

В заключение необходимо отметить, что актуальность проблемы повышения химмотологической надежности авиационных газотурбинных двигателей не изменилась за последние десятилетия и требует дальнейшей разработки и развития ее научных основ.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Исследовать процессы термической деструкции (газо- и смолообразование, температуры начала процесса термической деструкции) современных реактивных топлив. 
2. Исследовать влияние реактивных топлив, концентраций растворенных в них кислорода (воздуха) и воды, эмульсионной воды на характеристики износа различных пар трения, типичных для узлов трения современных и перспективных ГТД. 
3. Исследовать закономерности образования смоло- и коксоотложений при турбулентном, переходном и ламинарном режимах течения реактивных топлив в каналах в условиях нагрева и охлаждения. 
4. Разработать физико-химические модели и методы расчета образования смоло- и коксоотложений при нагреве реактивных топлив в условиях течения в каналах. 
5. Исследовать закономерности образования коксоотложений в топливных коллекторах основной и форсажной камер сгорания ГТД как в стационарных, так и в нестационарных условиях. Разработать рекомендации по подавлению коксоотложений в топливных коллекторах ГТД. 
6. Исследовать физико-механические, физико-химические и химико-термические методы удаления коксоотложений различной природы и состава, определить их сравнительную эффективность, разработать метод расчета скорости удаления коксоотложений из топливных систем ГТД химико-термическим методом, разработать научные основы и технологию очистки деталей и узлов ГТД от кокса. 
7. Исследовать эффективность полифункциональной присадки в составе массового прямогонного реактивного топлива ТС-1 с целью повышения его термоокислительной стабильности до уровня термостабильного гидроочищенного топлива РТ. 
8. Исследовать термоокислительную стабильность опытных перспективных высокотемпературных авиамасел и разработать рекомендации по выбору направлений дальнейших работ. 

1. Большаков Г.Ф. Образование гетерогенной системы при окислении углеводородных топлив [Тeкст] / Г.Ф.Большаков. – Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1990. – 248 с.

2. Девис Д.Д. Труды VII Мирового нефтяного конгресса [Тeкст] / Д.Д. Девис, Р.К. Иден. – М.: Химия, 1970. – С. 214–234.

3. Дубовкин Н.Ф. Топлива для воздушно-реактивных двигателей [Тeкст] / Н.Ф. Дубовкин [и др.]. – М.: ИРЦ. МАТИ. 2001. – С. 465.

4. Литвинов А.А. Применение реактивных топлив в гражданской авиации [Тeкст] / А.А. Литвинов. – М.: Машиностроение, 1986. – 240 с.

5. Папок К.К. Химмотология топлив и смазочных масел [Тeкст] / К.К. Папок. – М.: Воениздат, 1980. – 192 с.

6. Пискунов В.А. Влияние топлив на надежность реактивных двигателей и самолетов [Тeкст] / В.А. Пискунов, В.Н. Зрелов. – М.: Машиностроение, 1978. – 270 с.

7. Саблина З.А. Присадки к моторным маслам [Тeкст] / З.А.Саблина, А.А. Гуреев. – М., 1977. – 256 с.

8. Теоретические основы химмотологии [Тeкст] / под ред. А.А. Браткова. – М.: Химия, 1985. – 320 с.

9. Харин А.А. Реактивные топлива и методы оценки их качества [Тeкст] / А.А. Харин [и др.]. – М.: МАТИ – РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2001. – 59 с.

10. Харин А.А. Методика и экспериментальный стенд для определения характеристик горения реактивных топлив [Тeкст] / А.А. Харин, И.В. Шевченко, Л.С. Яновский // Сборник материалов 5-й Всероссийской научно-практическая конференции «Современные технологии в машиностроении». – Ч. II. – Пенза, 2002. – С. 186–188.

11. Харин А.А. Методы обеспечения химмотологической надежности воздушно-реактивных двигателей / А.А. Харин, Л.С. Яновский, И.В. Шевченко [Тeкст] // Сборник материалов 5-й Всероссийской конференции «Современные технологии в машиностроении». – Ч. II. – Пенза, 2002. – С. 161–163.

12. Харин А.А. Управление развитием инновационной деятельности в регионах России [Тeкст] / А.А. Харин [и др.]. – М.:ИНФРА-М, 2015. – 213 с.

13. Химмотология ракетных и реактивных топлив [Текст]: учебное пособие / А.А. Братков, Е.П. Серегин, А.Ф. Горенков. – М.: Химия, 1987. – 301с.

14. Чертков Н.Я. Окисление углеводородов реактивных топлив при различных температурах. [Тeкст] / Н.Я. Чертков, А.А. Гуреев // Химия в технология топлив и масел. – 1978. – № 8. – С. 48–52.

15. Шигабиев Т.Н. Эндотермические топлива и рабочие тела энергетических установок [Тeкст] / Т.Н. Шигабиев [и др.]. – Казань: РАН, 1996. – 264 с.

16. Яновский Л.С. Химмотологическое обеспечение надежности авиационных газотурбинных двигателей [Тeкст] / Л.С. Яновский, А.А. Харин. – М.: ИНФРА-М., 2015. – 264 с.

17. ConCorde (SST) // Cheoron Aviation Bulletin. – 1978. – № 4. – Р. 10.

18. Lydiard, W.G. Lydiard [Тext] // J. Roy Aeronaut. Soc. – 1964. – 68. – № 637. Рр. 11–21.