3.6.2. Эксплуатационные свойства топлив

Т е п л о т а с г о р а н и я позволяет оценить энергетические свойства топлива. Теплотой сгорания или теплопроводностью топлива называется количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива.

Теплотворность топлива зависит от его химического состава и прочности связей в молекулах топлива и продуктах сгорания. Авиационные топлива имеют сравнительно стабильный элементарный состав и поэтому имеют примерно одинаковое значение теплотворности.

От значения теплотворности зависят дальность полета воздушного судна и экономичность работы двигателя. Чем больше теплотворность топлива, тем больше будет дальность полета при одном и том же запасе топлива на борту воздушного судна. Чем больше теплотворность топлива, тем меньше будет значение удельного расхода топлива и выше экономичность работы двигателя.

П л о т н о с т ь представляет собой массу топлива в единице объема. Обычно плотность топлива измеряется в г/куб.см. Плотность является важнейшей характеристикой топлива и стандартами регламентируется минимально допустимое значение ее при температуре 20 град.

Применение топлив с большей плотностью при одинаковой их теплотворности ведет к увеличению дальности и продолжительности полета.

О т н о с и т е л ь н ы й р а с х о д т о п л и в а - это количество топлива, которое нужно ввести на 1 кг воздуха.

И с п а р я е м о с т ь ю т о п л и в а называется способность его переходить в газообразное состояние. Она является одной из важнейших характеристик авиационных топлив. От испаряемости топлив зависит запуск двигателя и потери топлива от испарения при полетах на больших высотах. Испаряемость влияет на пределы горючести смеси, полноту сгорания, нагарообразование, работу топливных насосов и образование паровых пробок в топливной системе газотурбинных двигателей в условиях высотных полетов.

Фракционный состав и отдельные параметры, характеризующие работу двигателя и топливной системы, находятся в определенной зависимости.

Т е м п е р а т у р а н а ч а л а к и п е н и я ограничивает предельную высоту подъема воздушного судна и зависит от присутствия в топливе легких фракций. Использование топлив с низкой температурой начала кипения приводит к образованию паровых пробок в топливной системе и потерям топлива при выполнении высотных полетов. Как известно, с повышением высоты полета атмосферное давление снижается, что и является причиной закипания топлив при температуре, значительно пониженной по сравнению с наземными условиями.

В я з к о с т ь ю называется свойство жидкости оказывать сопротивление взаимному перемещению частиц под воздействием внешних сил. Вязкость - это внутреннее трение между частицами жидкости, обусловленное молекулярным сцеплением и обменом количеством движения между молекулами.

Вязкостные свойства топлив оценивают кинематической вязкостью. За единицу кинематической вязкости принят квадратный метр на секунду. Чаще кинематическая вязкость измеряется в сантистоксах (вызкостью в 1 сантистокс обладает вода при температуре 20,2 град.). От вязкости топлив зависит величина гидравлического сопротивления и потери напора при перекачках. При увеличении вязкости топлива возрастают гидравлические потери, уменьшается производительность топливных насосов, ухудшается качество распыливания топлива в камере сгорания, увеличиваются размеры капель топлива, что ухудшает условия его испарения и снижает теплоту сгорания.

При понижении температуры вязкость топлива значительно увеличивается, что приводит к снижению эффективности процесса сгорания топлива и ухудшению прокачиваемости топлива в системах.

Стандартом вязкость топлива нормируется при температурах плюс 20 град. и минус 40 град.

Т е м п е р а т у р а н а ч а л а к р и с т а л л и з а ц и и топлива характеризует его низкотемпературные свойства.

Температуру, при которой из топлива выпадают твердые кристаллы, называют температурой начала кристаллизации.

При полетах на больших высотах, где температура воздуха и летом может достигать минус 60 град. и ниже, топливо в баках может охлаждаться до минус 40 град. и ниже. Появление даже единичных кристаллов в топливе может привести к опасным последствиям, связанным с забивкой топливных фильтров и прекращением подачи топлива в камеру сгорания. Для отечественных топлив температура начала кристаллизации нормируется стандартами и должна быть не выше 50...60 град.

Г и г р о с к о п и ч н о с т ь ю называется способность топлив поглощать водяные пары или воду из окружающей среды. Все углеводороды обладают гигроскопичностью, поэтому в топливах всегда содержится растворенная вода.

Количество этой воды зависит от химического состава топлива, влажности, температуры и атмосферного давления. При благоприятных условиях в них может раствориться около 0,0012% воды (120 г/т).

При снижении температуры топлива растворимость воды уменьшается и она выделяется в свободном виде. Так, например, при снижении температуры от плюс 20 до 0 град. из каждой тонны топлива может выделяться 60 г воды в виде эмульсии - мелких капелек размером 10...40 мкм. В итоге за один полет самолета Ил-62 количество выделившейся воды может составить 6...7 л, а самолета Ан-24 - 0,3...0,4 л.

Главная опасность присутствия эмульсионной воды заключается в том, что оно может вызывать обмерзание фильтров и нарушить работу топливной системы. Мельчайшие капельки воды склонны оставаться в жидкой фазе при переохлаждении (до минус 40 град.). Такие капельки воды, сталкиваясь с твердой поверхностью фильтра, мгновенно превращаются в лед, вызывая обмерзание сетки фильтра. Кроме того, вода отрицательно влияет на работу топливомеров, различных клапанов, дренажной системы и топливорегулирующей аппаратуры.

Для предотвращения кристаллообразования воды в топливе в случае отсутствия специальных систем подогрева топлива при температуре наружного воздуха в месте вылета плюс 5 и ниже, полетах за Полярный круг и полетах продолжительностью более 5 ч в топливо вводят антиводокристаллизирующие присадки этилцеллозольв (жидкость "И"), тетрагидрофурфуриловый спирт (жидкость "ТГФ") и их смеси 1:1 с метанолом. Эти спирты образуют с водой низко замерзающие растворы. Тем самым предотвращается кристаллизация воды в интервале эксплуатационных температур.

Присадки вводят в количестве 0,1...0,3% в зависимости от типа воздушного судна и продолжительности полета. В современных воздушных судах (типа Ил-86) вместо добавки в топливо антиводокристаллизующих присадок предусматривается местный подогрев фильтров для предотвращения их обмерзания.

П о д с т а б и л ь н о с т ь ю т о п л и в а понимается способность его сохранять неизменными химический состав и свойства в процессе хранения, транспортирования, заправки и эксплуатации в различных условиях. Различают химическую стабильность (при умеренных температурах – до 120 град.) и термическую стабильность (при высоких температурах - 140...250 град.).

При длительном хранении под влиянием температуры, кислорода, воздуха, света и каталитического действия металлов малостабильные компоненты топлива окисляются, полимеризуются и уплотняются с образованием органических кислот, смолистых веществ, жидких и твердых осадков.

Затормозить образование смол и осадков можно добавлением в топливо антиокислительных присадок и подбором оптимального химического состава нефтепродуктов, которые должны содержать непредельные углеводороды.

К о р р о з и о н н а я а г р е с с и в н о с т ь топлива обуславливается присутствием в топливе коррозионно-активных примесей - свободной серы и активных сернистых соединений, органических кислот, водорастворимых кислот и щелочей, воды.

Сильную коррозию топливной аппарутуры и системы могут вызвать водорастворимые кислоты и щелочи, которые являются в топливе случайными примесями.

Н а г а р о о б р а з у ю щ а я с п о с о б н о с т ь топлива характеризует склонность топлива к образованию нагара (твердого углеродистого вещества черного цвета) из-за недостаточной полноты его сгорания. Основными местами отложения нагара в газотурбинных двигателях являются внутренние стенки жаровых труб камер сгорания, лопатки соплового аппарата, торцевые и внутренние поверхности сопел топливных форсунок и т.д. Образование в камере сгорания нагара влечет за собой крайне отрицательные явления: нарушается аэродинамика газового потока, а следовательно, качество смесеобразования, что ведет к неудовлетворительному использованию топлива. Уносимые газовым потоком частицы нагара оказывают разрушающее действие на лопатки турбины. Образование нагара на форсунках изменяет форму распыленной струи топлива, что может привести к нарушению смесеобразования и к прогару камеры сгорания при струйной подаче топлива, а также к пожару в двигателе.

Увеличение нагарообразования в двигателе происходит при увеличении содержания в топливе ароматических углеводородов, утяжелении фракционного состава, увеличении плотности топлива, а также при повышенном содержании в топливе смолистых веществ, серы и других примесей.

Ч и с т о т а т о п л и в а определяется отсутствием в нем свободной воды и механических примесей. Как указывалось выше, наличие воды в топливе недопустимо, так как при низких температурах образуются кристаллы льда, способные нарушить подачу топлива в двигатель. Кроме того, вода может вызвать коррозию топливных агрегатов. Механические примеси в топливе также опасны ввиду того, что они приводят к интенсивному износу прецизионных пар топливных насосов и засорению деталей топливорегулирующей аппаратуры. Ввиду этого механические примеси в топливе не допускаются. Высокая чувствительность топливной аппаратуры газотурбинных двигателей к чистоте применяемых топлив требует применения специальных систем тонкой очистки их от механических загрязнений.

П о д р а с п ы л о м т о п л и в а понимают процесс дробления подаваемого в камеру сгорания топлива на мельчайшие частицы - капли. Целью распыливания топлива является стремление увеличить поверхность соприкосновения частиц топлива с воздухом. Легко представить себе, что грубый распыл, при котором получаются крупные капли, приводит к уменьшению полноты сгорания топлива, так как образуется "богатая" горючая смесь с избытком топлива и недостатком кислорода. В реактивном двигателе капли топлива грубого распыла попадают в поток и могут вызвать факеление, т.е. выброс пламени за пределы камеры сгорания. Чрезмерно тонкое распыление приводит к неустойчивому горению на "бедных" смесях, т.е. смесях с недостаточным количеством топлива. На распыл топлива существенным образом влияют его свойства. Например, с ростом вязкости диаметр капель увеличивается.

Э л е к т р и з а ц и я - способность топлива, определяющая его способность при движении накапливать статическое электричество. При движении топлива по трубопроводам топливной бортовой системы из-за трения жидкости о стенки труб на трущихся поверхностях возникают электростатические заряды. Накапливаясь, заряды могут достигать такой величины, когда возможно появление искры, способной вызвать пожар или взрыв. Одним из путей предотвращения образования и накопления статического электричества является изменение электрических свойств самолетного топлива. Задача состоит в том, чтобы путем увеличения электропроводности топлива добиться такого положения, когда основная часть зарядов не накапливается, а стекает, разряжается. Это достигается с помощью специальных присадок. Кроме того, обязательным условием является заземление самолета и топливозаправщика при осуществлении заправки топливом. При заправке топливом используют только шланги в металлической оплетке с заземляющим устройством.

Т о к с и ч н о с т ь (или ядовитость) - это способность химических веществ оказывать поражающее воздействие на живые организмы. Авиационные топлива относятся к веществам, обладающим наркотическим действием и поражающим центральную нервную систему человека. Они повышают возбудимость человека, вызывают головокружение, слабость и вегетативные расстройства. При попадании на кожу авиационные топлива сушат ее, вызывают зуд и при длительном воздействии могут привести к различным кожным заболеваниям. Сами реактивные топлива по токсичности относятся к группе малоопасных веществ. Однако присадки, добавляемые в топливо для улучшения эксплуатационных свойств, относятся к группе нервно-паралитических ядов. Это метанол, входящий в состав жикостей "ТГФ-М" и "И-М". Этот яд обладает способностью накапливаться в организме человека. Поэтому в результате длительного систематического воздействия этого вещества даже в малых дозах могут возникнуть острые хронические отравления. Ввиду этого при обращении с топливами требуется строгое соблюдение техники безопасности.

О г н е о п а с н о с т ь т о п л и в а оценивается температурой вспышки и воспламенения. Минимальная температура, при которой смесь паров топлива с воздухом вспыхивает от контакта с открытым источником огня, называется температурой вспышки. Минимальная температура, при которой не только вспыхивают пары, но и воспламеняется топливо, называется температурой воспламенения.

Температура воспламенения обычно на 5...10 град. выше температуры вспышки. Чем больше легких фракций в топливе и ниже температура начала его кипения, тем ниже будет его температура вспышки. Реактивные топлива с температурой вспышки плюс 28 град. являются легковоспламеняющимися топливами и поэтому требуют при обращении строгого соблюдения правил пожарной безопасности.

При возгорании топлива нельзя пользоваться водой для его тушения. Известно, что удельный вес топлива меньше, чем воды, так что топливо всплывает на поверхность воды. Для тушения загоревшегося топлива используют пену, углекислый газ или специальные составы.

Высокая пожаро- и взрывоопасность топлив обусловлена способностью их образовывать легковоспламеняющиеся парогазовые смеси в широком диапазоне изменения концентрации кислорода, температуры и давления окружающего воздуха.

При авариях ВС образуются первые очаги пламени, а от них уже загорается топливо.

Топливо в жидком состоянии от внешнего источника загорается тогда, когда над ним образуется такая смесь паров топлива с воздухом, которая способна воспламеняться.

Для авиационных топлив при нормальных атмосферных условиях нижний предел воспламенения (самая бедная смесь, способная гореть) соответствует значению коэффициента избытка воздуха 1,4, а верхний предел (самая богатая смесь, способная гореть) имеет коэффициент избытка воздуха 0,5.

Образование взрывоопасных смесей зависит от температуры топлива. Существуют нижний и верхний температурные пределы образования взрывоопасных смесей. За нижний предел принимают ту минимальную температуру топлива, при которой давление его паров достигает величины, когда в закрытом пространстве бака образуется взрывоопасная смесь. при дальнейшем охлаждении топлива смесь обедняется настолько, что становится трудновоспламеняемой.

Максимальную температуру топлива, при которой смесь его сохраняет взрывные свойства, принимают за верхний предел.

Наличие в топливе растворенных газов оказывает существенное влияние на образование взрывоопасных смесей. Известно, что растворимость газов в жидкости прямо пропорциональна их парциальному давлению. При нормальных атмосферных условиях в топливе растворяется до 15-18% воздуха. При этом растворенный воздух обогащен кислородом, так как растворимость его в 1,8 раза больше азота.

С подъемом на высоту надтопливное пространство баков обогащается выделяющимся из топлива кислородом, увеличивая пожарную опасность.

Уменьшение возможности возникновения пожара, быстрая его локализация и тушение осуществляются путем конструктивных мероприятий, установки пожарных систем и систем заполнения баков нейтральным газом, повышением эффективности огнегасящих веществ и надежности сигнализации.