Современная авиация в основном оснащена воздушно-реактивными двигателями (ВРД). В этих двигателях топливо в камеру сгорания подается непрерывно, и вследствие этого процесс горения протекает постоянно. Лишь для запуска двигателя используют постороннее зажигание.
Также непрерывно поступает в камеру сгорания ВРД и воздух (требуемый для сжигания топлива), предварительно сжатый и нагретый в компрессоре. Газообразные продукты сгорания из камеры сгорания поступают в турбину, где часть тепловой энергии превращается в механическую работу вращения колеса турбины, от вала которого приводится в движение ротор компрессора, а также топливный и масляный насосы. После турбины продукты сгорания топлива в виде газового потока проходят реактивное сопло и, расширяясь в нем, создают реактивную силу тяги, с помощью которой и осуществляется полет самолета.
В ВРД топливо из баков самолета под небольшим давлением (0,02-0,03 МПа) подается подкачивающим насосом через систему фильтров тонкой очистки к основному топливному насосу-регулятору высокого давления (0,8-1,0 МПа). С помощью последнего топливо, проходя через форсунки, распыливается в камерах сгорания в нагретый и сильно завихренный воздушный поток, что обеспечивает увеличение поверхности испарения топлива и равномерное распределение его паров по всему объему камеры сгорания двигателя.
В турбореактивных двигателях топливо,
проходя через топливо-масляный радиатор, снижает температуру смазочного масла,
т.е. выполняет функцию охлаждающей среды. Помимо этого, топливо используют и для
смазывания деталей трения топливных насосов. Кроме того, изменяя подачу топлива
с помощью топливорегулирующей аппаратуры, регулируют скорость полета
самолета.
Основные свойства реактивных топлив:
- хорошая испаряемость для обеспечения полноты сгорания;
- высокие полнота и теплота сгорания, предопределяющие дальность полета самолета;
- хорошие прокачиваемость и низкотемпературные свойства для обеспечения подачи топлива в камеру сгорания;
- низкая склонность к образованию отложений, характеризуемая высокой химической и термоокислительной стабильностью;
- хорошая совместимость с материалами: низкие противокоррозионные свойства по отношению к металлам и отсутствие воздействия на резиновые технические изделия;
- хорошие противоизносные свойства, обусловливающие небольшое изнашивание деталей топливной аппаратуры;
- антистатические свойства, препятствующие накоплению зарядов статического электричества, что обеспечивает пожаробезопасность при заправке летательных аппаратов.
Основная электризация происходит на фильтрах, особенно на фильтрах тонкой
очистки. Электризация топлива при фильтрации может возрастать в 200 раз. Поэтому
с повышением требований к чистоте топлива, т.е. с увеличением тонкости
фильтрации опасность воспламенения топливо-воздушных смесей от разрядов
статического электричества значительно возрастает.
Существуют различные
технические способы защиты от статического электричества: нейтрализаторы,
азотирование воздушных подушек над топливом, антиэлектризующие фильтры. Однако
они лишь локально решают проблему.
Единственным способом, обеспечивающим
и гарантирующим безопасность прокачки топлив и заправки авиатехники и
танкеров, является применение антистатических присадок.
Ассортимент, качество и состав реактивных топлив
Реактивные топлива вырабатывают для самолетов дозвуковой авиации по ГОСТ 10227-86 и для сверхзвуковой авиации по ГОСТ 12308-89. Согласно ГОСТ 10227-86 предусмотрено производство пяти марок топлива: ТС-1, Т-1, Т-1С, Т-2 и РТ. По ГОСТ 12308-89 производят две марки топлива: Т-6 и Т-8В.
Массовыми топливами в
настоящее время практически являются топлива двух марок: ТС-1 (высшего и первого
сортов), РТ (высшей категории качества).
Основное сырье для производства
массовых реактивных топлив - среднедистиллятная фракция нефти, выкипающая в
пределах температур 140-280°C.
Топливо ТС-1. В зависимости от
качества перерабатываемой нефти (содержания меркаптанов и общей серы в
дистиллятах) топливо получают либо прямой перегонкой, либо в смеси с
гидроочищенным или демеркаптанизированным компонентом (смесевое топливо).
Содержание гидроочищенного компонента в смеси не должно быть более 70 % во
избежание значительного снижения противоизносных свойств. Гидроочистку
используют, когда в керосиновых дистиллятах нефти содержание общей и
меркаптановой серы не соответствует требованиям стандарта, демеркаптанизацию -
когда только содержание меркаптановой серы не соответствует требованиям
стандарта. Из процессов демеркаптанизации практическое применение в нашей стране
и за рубежом нашел процесс "Мерокс" и его модификации. В процессе "Мерокс" общее
количество серы не уменьшается, при этом содержащиеся в дистиллятах меркаптаны
окисляются в дисульфиды кислородом воздуха в присутствии специального
катализатора. Процесс идет в щелочной среде.
Топливо Т-1 продукт
прямой перегонки малосернистых нефтей нафтенового основания с пределами
выкипания 130-280 °С. Содержит большое количество нафтеновых кислот и имеет
высокую кислотность, поэтому его подвергают защелачиванию с последующей водной
промывкой (для удаления образующихся в результате защелачивания натриевых мыл
нафтеновых кислот).
Наличие значительного количества гетероатомных
соединений, в основном кислородсодержащих, обусловливает, с одной стороны,
относительно хорошие противоизносные свойства и достаточно приемлемую химическую
стабильность топлива, с другой - низкую термоокислительную стабильность.
Длительный опыт применения топлива Т-1 в авиации показал, что вследствие его
низкой термоокислительной стабильности имеют место повышенные смолистые
отложения в двигателе НК-8, установленном на основных типах самолетов
гражданской авиации (ТУ-154, ИЛ-62, ИЛ-76), в результате чего резко (почти в 2
раза) сокращаются сроки службы двигателя. Производство топлива Т-1 очень
ограничено, и его вырабатывают только по первой категории
качества.
Топливо Т-2 (первой категории качества) - продукт прямой
перегонки широкого фракционного состава, выкипающий при температуре от 60 до 280
°С; содержит до 40 % бензиновой фракции, что обусловливает высокое давление его
насыщенных паров и низкие вязкость и плотность.
Повышенное давление
насыщенных паров топлива Т-2 создает опасность образования паровых пробок в
топливной системе самолета, что ограничивает высоту его полета.
Низкая
вязкость обусловливает плохие противоизносные свойства топлива, что ограничивает
срок службы топливных агрегатов, а низкая плотность ограничивает дальность
полетов. Топливо Т-2 является резервным по отношению к топливам ТС-1 и
РТ.
Топливо РТ получают, как правило, гидроочисткой прямогонных
дистиллятов с пределами выкипания 135-280 °С. В качестве сырья для гидроочистки
используют дистилляты, из которых нельзя получить топливо ТС-1 из-за повышенного
сверх нормы содержания общей и меркаптановой серы.
При гидроочистке из
нефтяного дистиллята удаляются агрессивные и нестабильные соединения, содержащие
серу, азот и кислород, при этом повышается термическая стабильность, как было
указано ранее, и снижается коррозионная агрессивность топлива.
Для улучшения
пониженных в результате применения гидрогенизационных процессов химической
стабильности и противоизносных свойств в топливо вводят антиокислительные и
противоизносные присадки.
При переработке малосернистых западно-сибирских
нефтей топливо РТ может быть получено прямой перегонкой с введением
антиокислительной и противоизносной присадок для сохранения высокого уровня
эксплуатационных показателей.
Топливо РТ полностью соответствует требованиям,
предъявляемым к реактивным топливам высшей категории качества, и находится на
международном уровне, превосходя его по отдельным эксплуатационным свойствам.
Оно имеет высокие противоизносные свойства, химическую и термоокислительную
стабильность, не агрессивно в отношении конструкционных материалов, практически
не содержит меркаптанов и содержит менее 0,02 % общей серы, может храниться до
10 лет без изменения качества и полностью обеспечивает ресурс работы
двигателя.
Топливо Т-6 получают, применяя процессы глубокого
гидрирования.
Топливо Т-8В получают из дистиллятов прямой перегонки
нефти с применением процесса гидроочистки. При переработке малосернистых нефтей
топливо может быть получено прямой перегонкой нефти. В топливо Т-6 и Т-8В для
улучшения химической стабильности и повышения противоизносных свойств вводят
присадки: антиокислительную Агидол-1 - 0,003-0,004 % (мас. доля) и
противоизносную "К" - 0,002-0,004 % (мас. доля).
Характеристики реактивных
топлив, предназначенных для сверхзвуковой авиации, - топлив Т-6 и Т-8В,
вырабатываемых по ГОСТ 12308-80, приведены в таблице.
Характеристики реактивных топлив | |||||||
Показатели |
ТС-1* |
Т-1 |
Т-1С |
Т-2 |
РТ |
Т-6 |
Т-8В |
Плотность при 20 °С, кг/м3, не менее |
780(775) |
800 |
810 |
755 |
775 |
840 |
800 |
Фракционный состав: | |||||||
температура начала перегонки , °С: | |||||||
не ниже |
- |
- |
- |
60 |
135 |
195 |
165 |
не выше |
150 |
150 |
150 |
- |
155 |
- |
- |
отгоняется при температуре, °С, не выше: | |||||||
10 % |
165 |
175 |
175 |
145 |
175 |
220 |
185 |
50 % |
195 |
225 |
225 |
195 |
225 |
255 |
Не норм. |
90 % |
230 |
270 |
270 |
250 |
270 |
290 |
Не норм. |
98 % |
250 |
280 |
280 |
280 |
280 |
315 |
280 |
Кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре: | |||||||
20 °С, не менее |
1,30(1,25) |
1,50 |
1,50 |
1,05 |
1,25 |
<4,5 |
>,5 |
-40 °С, не более |
8 |
16 |
16 |
6 |
16 |
60 |
16 |
Низшая теплота сгорания, кДж/кг, не менее |
43120(42900) |
42900 |
42900 |
43100 |
43120 |
42900 |
42900 |
Высота некоптящего пламени, мм, не менее |
25 |
20 |
20 |
25 |
25 |
20 |
20 |
Кислотность, мг КОН/100 см3 топлива |
<0,7 |
<0,7 |
<0,7 |
<0,7 |
0,2-0,7 |
0,4-0,7 |
0,4-0,7 |
Йодное число, г I2/100 г топлива, не более |
2,5 (3,5) |
2,0 |
2,0 |
3,5 |
0,5 |
0,8 |
0,9 |
Температура, °С: | |||||||
вспышки в закрытом тигле, не ниже |
28 |
30 |
30 |
- |
28 |
62 |
45 |
начала кристаллизации, не выше |
-60 |
-60 |
-60 |
-60 |
-55 |
-60 |
-50 |
Термоокислительная стабильность в статических условиях при 150 °С, не более: | |||||||
содержание осадка, мг/100 см3 топлива |
18 |
35 |
6 |
18 |
6 |
6 |
6 |
содержание растворимых смол, мг/100 см3 топлива |
- |
- |
- |
- |
30 |
60 |
- |
содержание нерастворимых смол, мг/100 см3 топлива |
- |
- |
- |
- |
3 |
Отс. |
- |
содержание фактических смол, мг/100 см3, не более |
3(5) |
6 |
6 |
5 |
4 |
4 |
4 |
Массовая доля, %, не более: | |||||||
ароматических углеводородов |
22 |
20 |
20 |
22 |
22 |
10 |
22 |
общей серы |
0,20(0,25) |
0,10 |
0,10 |
0,25 |
0,10 |
0,05 |
0,10 |
меркаптановой серы |
0,003(0,005) |
- |
0,001 |
0,005 |
0,001 |
Отс. |
0,001 |
нафталиновых углеводородов |
- |
- |
- |
- |
1,5 |
0,5 |
2,0 |
Зольность, %, не более |
0,003 |
0,003 |
0,003 |
0,003 |
0,003 |
0,003 |
0,003 |
Люминометрическое число, не ниже |
- |
- |
- |
- |
50 |
45 |
50 |
Термоокислительная стабильность динамическим методом при 150-180 °С: | |||||||
перепад давления на фильтре за 5 ч, кПа, не выше |
- |
- |
- |
- |
10 |
10 |
10 |
отложения на подогревателе, баллы, не более |
- |
- |
- |
- |
2 |
1 |
1 |
Взаимодействие с водой, баллы, не более: | |||||||
состояние поверхности раздела |
1 |
- |
- |
- |
1 |
1 |
1 |
состояние разделенных фаз |
1 |
- |
- |
- |
1 |
1 |
1 |
Удельная электрическая проводи мость, пСм/м: | |||||||
при температуре заправки техники, не менее |
50 |
- |
- |
50 |
50 |
- |
50 |
при 20 °С, не более |
600 |
- |
- |
600 |
600 |
- |
600 |
Давление насыщенных паров, гПа не более, |
- |
- |
- |
133 |
- |
- |
- |
* В скобках приведены значения показателей для ТС-1 первого сорта, отличные от значений для высшего сорта. | |||||||
Примечания. |
Отечественные марки топлив не уступают по качеству топливам других стран, а по некоторым показателям превосходят их.