Особенности сертификации ГСМ

Топливо_1 1 1. ОСОБЕННОСТИ СЕРТИФИКАЦИИ ГСМ.

     Современный летательный аппарат должен соответствовать  высокому уровню безопасности полетов  и экологическим требованиям по защите окружающей среды и охране здоровья человека.

     На  протяжении многих лет были выработаны механизмы прохождения процедур сертификации в авиационной промышленности [1]. Так планер и двигатель сертифицируют на соответствие нормам летной годности, которые содержат минимальные государственные требования для обеспечения безопасности полетов. Экипаж летательного аппарата сертифицируется на соответствие указаниям Руководства по летной эксплуатации.

     Для усиления гарантий в области обеспечения  стабильности качества изделий на протяжении всего периода их производства и эксплуатации сертификации подвергается вся система управления качеством, в том числе исходное сырье, полуфабрикаты, горюче-смазочные материалы (ГСМ) и технологии.

     Безопасность  полетов летательных аппаратов  во многом определяется качеством ГСМ. Качество ГСМ - это свойство, определяющее пригодность их использования по назначению [2].

     Горюче-смазочными материалами являются топливо, присадки к топливам, масла и смазки, специальные  жидкости. Круг проблем касающихся обеспечения безопасности полетов через повышение надежности и качества, применяемых в летательном аппарате ГСМ весьма большой, поэтому в данном учебном пособии будут рассмотрены проблемы, связанные с хранением, транспортированием, применением и эксплуатацией реактивных топлив.

     Особенностями топлив является изменение их свойств  при транспортировании, хранении и эксплуатации. В связи с этим процедуры обеспечения соответствия топлива нормативным требованиям значительно отличаются от общепризнанных процедур сертификации продукции.

     Дистелированая вода Дистиллированная вода 

      Производители топлива обязаны обеспечивать соответствие выпускаемых топлив стандарту, в котором установлен ряд показателей, характеризующих свойства топлива.

     В результате научно-технических поисков  и решений в Российской Федерации  в ЦИАМ разработана номенклатура реактивных топлив, принятая для использования в авиации, с разделением на основные и дублирующие и резервные марки, .ОСТ100317-91 «Топливо для газотурбинных двигателей самолетов и вертолетов. Марки и назначение» Каждый тип реактивного топлива производится в соответствии с требованиями государственных стандартов |3].

     В настоящее время основными марками  авиационных топлив в нашей стране являются ТС-1, РТ (ГОСТ-10227), Т-8В и Т-6 (ГОСТ-12308), см. табл. 1. [4].

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

     Топливо РТ - гидроочищенное. Оно полностью удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к топливу ГС-1, и может заменять его. Вместе с тем, будучи более термостабильным, чем топливо ТС-1. оно допускает нагрев в топливной системе силовой установки 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 не менее 0.77? г/см у топлив ТС-1 и РТ) и утяжеленный фракционный состав. Топливо Т-8В предназначено для применения и сверхзвуковых самолетах с большой продолжительностью сверхзвукового полет.

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

     В    качесгве    резервной    марки    топлива    в    особый    период    может    вырабатываться    топливо    Т-2 щирокофракционное прямогонное реактивное топливо с плотностью не менее 0.755 г/см', давлением насыщенных паров по ГОСТ 1757 не более 13 кПа (100 мм рт. ст.), выкипающее в диапазоне температур 70-280°С. Благодаря более широком}, чем у топлива ТС-1, фракционному составу топливо Т-2 имеет по сравнению с топливом ТС-1 в 1,3 - 1,8 раза больший выход из нефти.

Топливо Т-2 с определенными ограничениями  может применяться вместо топлив ТС-1, РТ и Г-8В.

     Разработчики  государственных стандартов на топливо  устанавливают количество и пределы  изменения значений показателей свойств топлива, исходя из необходимости, обеспечить требуемое для летательных аппаратов качество топлива. Однако в связи с тем, что показателей, характеризующих свойства топлива много, экономически не целесообразно включать их все в стандарты, поскольку это повлечет за собой огромные расходы на проведение лабораторных исследований свойств топлива у производителей. Как правило, в стандарт включают показатели, характеризующие состав топлива, физико-химические свойства топлива и важнейшие показатели, характеризующие )ксплу;,тацгюнпые свойства топлива.

      На  практике же чаете состояние топлива необходимо оценивать и по другим показателям, не включенным в стандарты, кроме того, при транспортировании, хранении и эксплуатации свойства топлива меняются, поэтому возникает необходимость в дублировании и проведении дополнительных исследований состояния топлива непосредственно перед его применением. Временной фактор, в данном случае играет весьма существенную роль, поскольку производитель топлива и аэропортные хозяйства, где топливо применяется, разнесены в пространстве и, естественно,  во времени,  поэтому произведенное  в соответствии со стандартом топливо,  по своим   показателям

Топливо_1 2

качества  может существенно отличаться от самого себя непосредственно перед его применением на летательном аппарате.

     Показатели, характеризующие свойства топлива  условно можно классифицировать по следующим группам: физико-химические (проверка большинства из них установлена в стандартах на топливо), эксплуатационные и экологические [5].

      К физико-химическим показателям относятся  свойства, характеризующие состав и  стабильное состояние топлива: элементный, фракционный и групповой углеводородный составы, плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность, поверхностное натяжение, электрическую проводимость, диэлектрическую проницаемость и др. Во второй группе сосредоточены все эксплуатационные свойства топлива: воспламеняемость, горючесть, прокачиваемость, склонность к образованию отложений, вспениваемость, стабильность, совместимость с материалами и др. К экологическим свойствам топлива можно отнести такие показатели, как безопасность транспортирования и хранения, пожаровзрывобезопасность, токсичность, электризуемость, биологическая стойкость и т.д.

     В свою очередь необходимо отметить, что выполнение требований по соответствию единичных показателей влечет за собой выполнение требований по соответствию целого ряда других показателей, что значительно усложняет комплекс исследований свойств топлива. Как пример для оценки такого свойства топлива, как прокачиваемость требуется знание таких свойств топлива, как вязкость, температура начала кристаллизации, содержание воды, мыл нафтеновых кислот и механических примесей, состояние поверхности раздела фаз.

     Процедуры допуска топлива к использованию  разрабатывались на протяжении многих лет. При Госстандарте России была создана Государственная межведомственная комиссия по испытанию топлив, смазок, масел и специальных жидкостей. В компетенцию комиссии входит разработка, утверждение и пересмотр действующих стандартов на топливо с целью обеспечения требуемого качества. Были организованы комиссии научной экспертизы по методам квалификационной оценки, применительно к различным видам топлив, масел, смазок и специальных жидкостей [4].

     Идея  создания квалификационных методов  оценки позволила упорядочить производство и применение горюче-смазочных материалов, в том числе и топлив. Производители топлив, выпускают его в соответствии с нормативами, указанными в стандартах. Методы квалификационных оценок позволяют обеспечить допуск данного типа топлива непосредственно к применению на летательном аппарате. Кроме того методы квалификационных оценок позволяют оперативно, в очень короткие сроки (3-4 недели) решить вопрос о возможности использования на летательном аппарате вновь разрабатываемых ГСМ. Главным принципом, положенном в основ) квалификационных методов оценок, является стремление, как можно более полно отразить специфику использования топлива и смазочных материалов в данном типе двигателя. Поэтому для каждой группы топлива существует специальный комплекс методов квалификационной оценки.

      Показатели  качества топлива систематически контролируются, начиная сего производства и непосредственно до этапа заправки топлива в летательный аппарат. Контрольные мероприятия подразделяются по этапам их проведения: приемо-сдаточные, контрольные, полные, арбитражные [6].

     Приемо-сдаточный  анализ осуществляется при отгрузке топлива потребителю по тем показателям, которые указаны в соответствующих сопроводительных документах. Производители топлива обязаны предоставить потребителю паспорт на передаваемое топливо, в котором указываются фактические значения исследованных параметров топлива. Контрольный анализ осуществляется на этапах производства, перекачки, хранения и т.д. Полный анализ, дающий оценку качеству топлива по основным эксплуатационным свойствам, включенным в стандарт, проводится перед закладкой партии топлива на длительное хранение и в некоторых других случаях. Арбитражный анализ осуществляется в случаях разногласий между поставщиками и потребителями независимыми экспертными лабораториями, причем по показателям, являющимся предметом разногласий.

Все анализы качества топлива проводятся с использованием квалификационных методов для типов топлива.

     Наиболее  широко, из-за большого потребления  и разнообразия марок топлива, используется комплекс квалификационных методов испытаний топлив для авиационных газотурбинных двигателей. Это наиболее полный по оценке эксплуатационных и экологических свойств комплекс.

2. СВОЙСТВА  РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ.

     В соответствии с комплексом квалификационных методов испытаний топлив для  ГТД проверке подвергаются следующие эксплуатационные и экологические показатели топлив, каждый из которых характеризуется набором физико-химических и других свойств топлив [6].

Испаряемость. Испаряемость оценивается фракционным составом топлива и давлением насыщенных паров.

     Воспламеняемость и горючесть. Воспламеняемость и горючесть оценивается температурой вспышки реактивных топлив. удельной теплотой сгорания, плотностью, высотой не коптящего пламени, люмииометрическим числом, содержанием ароматических углеводородов, содержанием нафталиновых углеводородов, полнотой сгорания топлива, пределами устойчивого горения, склонностью топлива к нагарообразованию.

     Склонность  к образованию  отложений. Склонность к образованию отложений оценивается полным числом, зольностью, содержанием фактических смол, термоокислительной стабильностью.

     Совместимость с материалами. Совместимость с материалами оценивается содержанием общей серы, содержанием меркаптановой серы и сероводорода, содержанием водорастворимых кислот и щелочей, испытаниями на медной пластине, кислотностью. Коррозионной активностью при повышенных температурах, содержанием микроколичеств металла, периодом старения нитрильных резин, воздействием на резину и тмоколовые герметики, содержанием антиокислителей.

Топливо_1 3

     Прокачиваемость. Прокачиваемость оценивается по кинематической вязкости, температуре начала кристаллизации, содержанию мыл нафтеновых кислот, взаимодействию с водой, содержанию воды и механических примесей.

     Противонзносные свойства. Противоизносные свойства оцениваются по вязкости, кислотности, критериям износа, критической нагрузке при износе, износовому числу.

Защитные  свойства. Защитные свойства являются самостоятельным критерием.

Эликтризуемость. Эликтризуемость оценивается удельной электрической проводимостью.

     Стабильность. Стабильность оценивается изменением термоокислительной стабильности, химической стабильностью.

     В таблицах 2 и 3 представлены перечни квалификационных методов оценок для реактивных теплив и физико-химических показателей, определяемых для реактивных топлив.

      Рассмотрим   более   полно   влияние   некоторых,   наиболее   важных   параметров   на   надежность   работы __ двигательной установки.

     Плотность - одна из важнейших характеристик топлива, которая позволяет определить возможности хранения необходимого запаса топлива в баках при их ограниченном объеме [7]. Плотность зависит от углеводородного и фракционного составов топлива табл.4.

     Нафтеновые  и парафиновые углеводороды имеют низкую плотность, а ароматические углеводороды обладают высокой плотностью. Оптимизация массового состава перечисленных углеводородов в топливе, в идеальном случае, могла бы дать возможность получения реактивного топлива с наибольшим значением плотности. Однако на практике дело обстоит по-другому. Так среди энергетических показателей топлив, относящихся к классу авиакеросинов, существует закономерность [8]. При возрастании плотности топлива растет ее объемная теплота сгорания и имеется тенденция к снижению массовой теплоты сгорания, см_. табл.5.

     Связано это с тем, что ароматические  углеводороды, присутствующие в составе  топлива в количествах до 25%, обладают высокой объемной теплотой сгорания, но низкими значениями массовой теплоты сгорания. Нафтеновые и парафиновые углеводороды наоборот имеют низкие значения объемной теплоты сгорания и высокие значения массовой теплоты сгорания. С эксплуатационной точки зрения желательно, чтобы массовая и объемная теплота сгорания по своим значениям были близки друг к другу. Чем выше массовая теплота сгорания, тем меньше, при прочих равных условиях, удельный расход топлива двигателем, чем выше объемная теплота сгорания, тем меньший запас топлива должен храниться на борту летательного аппарата для достижения заданной продолжительности полета. Однако, чтобы сблизить значения массовой и объемной теплоты сгорания плотность топлива должна стремиться к единице. Это имеет место только для синтезируемых углеводородов индивидуальной структуры. В реактивных топливах плотность значительно ниже.

     Для повышения энергетических характеристик  топлив, их подвергают обработке с  целью ограничения в составе топлив нефтяного происхождения количества ароматических углеводородов, что повышает массовую теплоту сгорания, снижает объемную теплоту сгорания и понижает плотность топлива.

     На  практике не удается получить реактивные топлива, имеющие одновременно высокое  значения и плотности и массовой теплоты сгорания. Известны или высококолорийные топлива с низкими значениями плотности, состоящие из облегченных фракций, или более плотные топлива, утяжеленного фракционного состава, но с пониженными значениями массовой теплоты сгорания [4].

     Косвенно  по плотности можно также судить о пределах выкипаемости, испаряемости, пожароопасное™, поскольку эти характеристики также напрямую связаны с углеводородным и фракционным составами топлив.

     Как следует из вышесказанного, плотность не является категорией надежности реактивных топлив, поскольку не связана напрямую с причинами возникновения отказов в силовых установках. Однако прослеживается косвенное влияние значения плотности реактивного топлива на надежность двигателей. Поскольку высокую плотность топлива можно обеспечить только за счет увеличения количества ароматических углеводородов в его составе, которые отрицательно влияют на процессы нагарообразования в камерах двигателя, то повышение плотности реактивного топлива отрицательно скажется на надежности силовой установки. Нагар вызывает растрескивание жаровых труб, что приводит к преждевременной потере их работоспособности.

     Другим  условием влияния плотности на надежность силовой установки является то. что  высококолорийные топлива, состоящие преимущественно из легких фракций, имеют низкую плотность и повышенную испаряемость, что существенно сказывается на пожароопасности хранимого в баках топлива.

вс<51 Испаряемость топлив определяет также условия подготовки топливо-воздушной смеси в камере сгорания [7]. Топливо, имеющее повышенную испаряемость и низкую вязкость способно образовывать переобогащенную смесь в отдельных частях камеры сгорания, что вызовет уменьшение полноты сгорания из-за недостатка кислорода и. наоборот, топливо с противоположными значениями данных физических параметров может иметь большую полноту сгорания, вследствие невозможности испарения крупно распыленных частиц топлива. Следовательно, в камере сгорания только по причинам различия в топливах таких физических параметров как испаряемость и вязкость невозможно получить одинаковый энергетический тепловой эффект. Кроме того, возникновение в камере сгорания зон переобогащения и обеднения топливных смесей, сказывается на температурных режимах работы камеры сгорания. Неравномерность температурного поля приводит к возникновению термических напряжений в жаровой трубе и последующего ее разрушения.

     Испаряемость  влияет па условия хранения топлива на борту летательного аппарата. Температура кипения реактивного топлива связана с давлением насыщенных паров. Когда давление насыщенных паров топлива при данной температуре становится равным атмосферному давлению, топливо закипает, т.е. наступает момент достижения наивысшей испаряемости топлива. С увеличением высоты полета атмосферное давление значительно снижается, так при достижении высоты полета равной 18 км. атмосферное давление падает со 100.8 кПа до 5,3 кПа. Как следует из

Топливо_14

рис. I при температуре 40°С топливо Т-2 начинает кипеть на высоте полета 15 км., ТС-1 и РТ - на высоте 20 км. и т.д. При сверхзвуковом полете из-за аэродинамического нагрева корпуса летательного аппарата и баков соответственно, а также из-за использования реактивного топлива в системе охлаждения в качестве хладогента, реактивное топливо нагревается. Это приводит к тому, что при температуре топлива в 100°С топливо Т-2 кипит уже на высоте 4 км., а ТС-1 и РТ - на высоте 9 км. Все это приводит к потерям аэронавигационного запаса топлива на боргу летательного аппарата. Так при температуре топлива 117°С на высоте 10 км. потери реактивного топлива составляют для Т-1 -1,2%. для ТС-1 - 10,9%, с увеличением высоты полета потери существенно возрастают [7J.

     Повышенная  испаряемость реактивных топлив может, особенно при полетах на больших  высотах, при дозвуковых скоростях, вызвать появление в топливных трубопроводах паровых пробок, которые являются причиной выхода из строя насосов и приводят к возникновению вибраций в трубопроводах, что также является причиной разрушения трубопроводов.       po~i ^c«t—оу-о-*» i—«-у->»^~ v   c~Q - (2-*,

     Низкотемпературные  свойства топлива оцениваются по температуре, при которой в топливе  появляются первые кристаллы [9] (температура начала кристаллизации). В отечественных топливах по нормативным требованиям к топливам температура кристаллизации должна находиться на уровне минус 60°С. При этом понижение температуры кристаллизации уменьшает выход топлива из исходного сырья. Поэтому постоянно ведутся работы с целью н-оьышонпл температуры кристаллизации топлива. Для нашей страны эти работы являются особенно актуальными, поскольку, из-за сложных климатических условий эксплуатации летательных аппаратов, процессы затвердения и образования кристаллов в топливе могут начинаться уже на земле. В странах с «теплым» климатом низкотемпературным воздействиям топливо подвергается только при полетах на большой высоте, однако, из-за аэродинамического нагрева, процессы затвердения топлива могут быть значительно растянуты во времени.

     При понижении температуры топлива  происходит понижение его вязкости, топливо теряет свойство прокачиваемое!и. Это приводит к отклонениям от расчетных режимов работы силовой установки, вследствие чего увеличиваются затраты на прокачивание топлива. Дальнейшее понижение температуры топлива может вызвать появление кристаллов последующее забивание топливных фильтров и выход из строя всей топливной системы.

      Испытания, проведенные на самолете «Боинг-707»  показали, что через 2 ч. полета в  подвесных баках температура топлива может достигать значений минус 30°С. в крыльевых и фюзеляжных отсеках и в топливных трубопроводах температура топлива снижается до минус 25°-30°С, при этом температура окружающего воздуха составляет минус 55°-60°С [10].

     Основной  причиной возникновения в топливе  кристаллов является нерастворенная в  топливе вода [7]. Поэтому по международным нормативам количество нерастворенной воды в топливе при заправке не должна превышать 0,003%. Учитывая климатические особенности нашей страны, в отечественных топливах не допускается присутствие углеводородов, кристаллизующихся при температурах выше минус 60°С.

     В растворенном виде вода в топливах ТС-1. Т-1. Т-2 при нормальных температурных условиях содержится максимально 0.012%, а в топливе Т-5 количество растворенной воды несколько ниже. Углеводороды, содержащиеся в топливе, растворяют воду следующим образом, парафино-нафтеновые углеводороды обладают наименьшей растворимостью воды, ароматические - наибольшей. Из таблиц 6 и 7 следует, что с увеличением ароматических углеводородов в реактивном топливе растворимость воды существенно возрастает, при 20% содержания ароматических углеводородов в дезароматическом топливе растворимость воды достигает 0,01%. Таким образом, увеличение содержания ароматических углеводородов в топливе способствует растворимости воды.

     Кроме углеводородного содержания на растворимость воды в топливе существенное влияние оказывают эксплуатационные факторы [4]. При увеличении температуры топлива, относительной влажности окружающего воздуха н атмосферного давления растворимость воды в топливе растет.

Растворимость воды в топливе зависит от следующих величин:

• скорости диффузии молекул воды из воздуха в топливо и обратно;
• скорости диффузии молекул воды в самом топливе;
• отношения поверхности контакта топлива с воздухом к объему топлива;
• интенсивности перемешивания топлива.

     При протекании этих процессов при отрицательных температурах, из топлива выделяются микрокапли воды, которые замерзают, и в топливе накапливаются кристаллы льда. Наиболее интенсивное образование кристаллов льда наблюдается при температуре 0°С, при более низких температурах интенсивность образования кристаллов льда падает, вследствие ограниченного количества воды в топливе, т.е. вся вода уже превратилась в лед при 0°С.

     На  образование кристаллов льда в топливе  влияет уровень загрязнения топлива  посторонними примесями и скорость охлаждения топлива. При быстром охлаждении в топливе образуются кристаллы размером до 3 мкм. при медленном до 4-5- мкм. Образование кристаллов льда происходит также за счет инея, образующегося на поверхности баков из-за испарения топлива и растворенной в них воды.         Т Т> С.

           Важнейшим эксплуатационным свойством топлива  является его устойчивость к окислению  кислородом воздуха в жидкой фазе. Растворимость кислорода в топливе понижается при повышении температуры кипения, плотности, молекулярной массы и вязкости топлива. При достижении температуры топлива близкой к температуре кипения или при увеличении давления паров топлива до уровня, когда пары топлива препятствуют проникновению кислорода воздуха в толщу жидкой массы, интенсивность окисления значительно падает. Топливная фракция имеет температуру, при которой, растворенный в ней кислород удаляется, и новые его порции извне не поступают. Эта предельная температура тем выше, чем выше температурные пределы выкипания фракции [I 1].

           На практике топливо нагревается до температур ниже, чем температуры, при которых кислород удаляется из топлива, поэтому в топливе протекают процессы жидкофазного окисления, в результате которых образуются высокомолекулярные соединения, оказывающие существенное влияние на надежность силовой установки.

Топливо_1 5

           Таким образом, на эксплуатационные свойства топлива, а, следовательно, и на надежность силовой  установки, влияет огромное количество различных факторов, обобщение каждого из которых является весьма сложной и трудоемкой задачей.

     Большое значение на безопасность эксплуатации двигателя и экологическое состояние  окружающей среды оказывают такие  свойства топлив как термоокислительная стабильность, микробиологическое поражение  и пожаровзрывобезопасность топлива.