Особенности производства топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Особенности процессов переработки при получении топлив для газотурбинных двигателей

Газотурбинное топливо по условию эксплуатации турбин подразделяются на топливо для стационарных и реактивных двигателей.

Для стационарных двигателей выпускают топлива двух видов ТГВК (высшей категории) и ТГ(обычное, ).

Топливо для реактивных двигателей бывает двух видов:

- Для аппаратов с дозвуковой скоростью (Т-I, ТС-I, ТС -2, РТ).

- Для аппаратов со сверхзвуковой скоростью (Т-6, 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 газотурбинный смазочный двигатель

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).

2. Особенности топлив для газотурбинных двигателей

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.

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.

Для чего предназначены и каковы функции смазочных масел

В поршневых авиационных двигателях масла работают в очень напряженных условиях, создаваемых высокими температурами в зоне поршневых колец, внутренней части поршней, клапанов и других конструкций. Для обеспечения смазывания авиационного двигателя в условиях высоких температур, давлений и нагрузок применяют специальные высоковязкие авиационные масла, подвергнутые специальной очистке. Такие масла должны иметь высокую смазочную способность, не быть агрессивными к металлам, сплавам и другим конструкционным материалам, используемым в авиационных двигателях, и обладать достаточной стабильностью к окислению при высоких температурах и в условиях хранения.

В связи с конструктивными особенностями газотурбинных двигателей (ГТД) условия работы авиационных масел в них существенно отличаются от условий работы тех же авиационных масел в поршневых двигателях. В отличие от поршневого двигателя авиационное масло в ГТД изолировано от камеры сгорания (зоны горения топлива); кроме того, в наиболее ответственных узлах трения реализуется в основном трение качения, а не скольжения, как в поршневых двигателях (коэффициент трения качения на порядок ниже коэффициента трения скольжения). Вал турбокомпрессора в ГТД хорошо сбалансирован и при большой частоте вращения и больших осевых и радиальных нагрузках работает без резких переменных нагрузок.

Современные газотурбинные двигатели характеризуются жесткими условиями работы: высокие температуры - до 300 °С и выше, большие частоты вращения турбин - 12000-20000 мин-1. Напряженность работы авиационных масел в таких условиях эксплуатации ГТД определяется количеством тепла, которое необходимо отвести от поверхностей трения деталей, и при прочих равных условиях характеризуется скоростью прокачивания авиационного масла через двигатель.

Температура авиационного масла на входе в ГТД колеблется от 20 до 50 °С, а на выходе зависит от теплонапряженности двигателя. В двигателях самолетов, летающих с дозвуковыми скоростями, она не превышает 125 °С, а при скорости полета с числом М = 2 она достигает 200 °С (где М - число Маха, обозначающее скорость, равную скорости звука).

Подвод авиационного масла к узлам трения у ГТД осуществляется не только для смазывания поверхностей трения, но и для отвода тепла от этих узлов. Для исключения перегрева узлов трения авиационное масло непрерывно подводится к следующим элементам двигателя: подшипникам, зубчатым колесам, контактным уплотнителям и шлицевым соединениям. Наиболее высокий уровень тепловыделения - в радиально-упорных шарикоподшипниках роторов ГТД, воспринимающих осевую нагрузку, поэтому к ним подводят масла больше, чем к другим элементам.

Авиационные масла для реактивных двигателей летательных аппаратов проходят тщательную проверку. При оценке качества авиационного масла учитывают возможные условия эксплуатации и напряженность работы его в двигателе. Масла для реактивных двигателей летательных аппаратов проходят тщательную проверку. При оценке качества масла учитывают возможные условия эксплуатации и напряженность работы его в двигателе.

Авиационные масла для турбореактивных двигателей должны отвечать следующим требованиям:

· надежное смазывание всех узлов и агрегатов двигателя с минимальным износом в пределах рабочих температур от -50 до +200 °С;

· пологая вязкостно-температурная кривая и хорошая прокачиваемость при низких температурах (пусковые свойства авиационного масла должны обеспечивать надежный запуск двигателя без подогрева до температуры -50 °С);

· однородный и стабильный фракционный состав, что обусловливает минимальную испаряемость фракций и сохраняет вязкостные характеристики авиационного масла в течение всего времени работы двигателя (целесообразно применять авиационные масла узкого фракционного состава);

· высокие антиокислительные свойства и минимальное окисление в двигателе при рабочих температурах 150-200 °С и выше;

· минимальная вспениваемость, высокая температура самовоспламенения;

· неагрессивность по отношению к металлам, сплавам, резинотехническим изделиям, покрытиям, клеям и другим материалам.

Особенности конструкции турбовинтовых двигателей связаны с наличием в них многоступенчатых зубчатых передач (редукторов), которые предназначены для передачи больших усилий и работают при больших частотах вращения. Выдержать такие нагрузки, как показывает опыт эксплуатации, могут масла с повышенной вязкостью. Поэтому для турбовинтовых двигателей применяют масла с более высокой вязкостью, чем для турбореактивных.

Требования, предъявляемые к авиационным маслам для турбовинтовых двигателей, следующие:

· пологая вязкостно-температурная кривая и хорошая прокачиваемость при низких температурах;

· высокие противоизносные и противозадирные свойства;

· устойчивость к окислению в условиях высоких температур (150- 175 °С) и контакта с воздухом и различными авиационными материалами;

· инертность по отношению к металлам, сплавам, резинам, покрытиям, клеям и другим конструкционным материалам;

· минимальные вспениваемость и испаряемость.

Для смазывания этих двигателей применяют нефтяные и синтетические авиационные масла. Основными смазочными материалами являются маслосмеси, получаемые смешением на местах потребления авиационных масел МС-8п и МС-20в следующих соотношениях (мас. доля, %): 75:25; 50:50; 25:75. Допускается применение масла МС-8рк в составе маслосмесей. Благодаря применению высококачественного авиационного масла МС-8п качество маслосмесей значительно повышается. Маслосмеси готовят и контролируют их качество по ведомственной инструкции МГА.

В вертолетах маслами смазывают двигатели, редукторы трансмиссии и шарниры втулок винтов. В двигателях вертолетов МИ-6 и МИ-10 используют масла МС-8п и МС-8рк, в вертолетах МИ-2 и МИ-8 - синтетическое масло Б-ЗВ, в турбокомпрессорной части силовой установки вертолета МИ-26 применяют синтетическое изопарафиновое масло ИПМ-10.

В двигателе и редукторе перспективных и вновь проектируемых вертолетов рекомендовано использовать синтетическое масло ПТС-225. Для смазывания редукторов трансмиссии вертолетов используют широкий ассортимент масел различного назначения, уровень качества которых невысок. Так как маловязкие моторные масла имеют недостаточную смазывающую способность, а высоковязкие нефтяные масла обладают неудовлетворительными низкотемпературными свойствами, то для смазывания редукторов трансмиссий широко применяют смеси масел. В вертолетах МИ-6 и МИ-8 для летней эксплуатации до температуры -10 °С используют смесь масел СМ-11,5 - 75 % (мас. доля) МС-20 и 25 % (мас. доля)МС-8п, для зимней эксплуатации - смесь СМ-8 - 50 % (мас. доля) МС-20 и 50 % (мас. доля) МС-8п. В редукторах хвостовой трансмиссии вертолетов летом широко применяют масло МС-20 и трансмиссионное масло ТСгип по ТУ 38.101332-90, а зимой из-за плохих низкотемпературных свойств масел - смесь МС-20 с МС-8п и смесь ТСгип с жидкостью АМГ-10 (маслосмесь СМ-9).

3. Показатели оценки вязкостно-температурных характеристик

Вязкость -- это внутреннее трение или сопротивление течению жидкости. Вязкость масла, во-первых, является показателем его смазывающих свойств, так как от вязкости масла зависит качество смазывания, распределение масла на поверхностях трения и, тем самым, износ деталей. Во-вторых, от вязкости зависят потери энергии при работе двигателя и других агрегатов. Вязкость -- основная характеристика масла, по величине которой частично делается выбор масла для применения в конкретном случае.

Вязкость масла зависит от химического состава и структуры соединений, составляющих масло, и является характеристикой масла как вещества. Кроме этого, вязкость масла также зависит и от внешних факторов -- температуры, давления (нагрузки) и скорости сдвига, поэтому рядом с числовым значением вязкости всегда должны указываться условия определения вязкости.

Условия работы двигателя определяют два основных фактора, влияющих на определение вязкости -- температура и скорость сдвига.

Вязкость масел определяется при температурах и скоростях сдвига, близких к реальным при эксплуатации. Если масло должно работать при низкой температуре(даже в течении короткого времени), то при этой же температуре должны быть определены и eго вязкостные свойства.

Вязкость масла определяется при помощи двух основных типов вискозиметров:

· вискозиметры истечения, в которых измеряется кинематическая вязкость по скорости свободного течения (времени вытекания). Для этой цели применяется капиллярный вискозиметр или сосуды с калиброванным отверстием на дне - вискозиметры Энглера, Сейболта, Редвуда. В настоящее время для стандартных определений применяется стеклянный капиллярный вискозиметр; он отличается простотой и точностью определения. Скорость сдвига в таком вискозиметре незначительна.

· ротационные вискозиметры, в которых определяется динамическая вязкость по крутящему моменту с установленной скоростью ротора или по скорости вращения ротора при заданном крутящем моменте.

С повышением температуры вязкость масла понижается. Характер изменения вязкости выражается параболой. Такая зависимость неудобна для экстраполяции для расчетов вязкости. Поэтому кривую зависимости вязкости от температуры строят полулогарифмических координатах, в которых эта зависимость приобретает практически прямой характер.

Индекс вязкости VI -- это эмпирический, безразмерный показатель для оценки зависимости вязкости масла от температуры. Чем выше численное значение индекса вязкости, тем меньше вязкость масла зависит от температуры и тем меньше наклон кривой.

Масло с более высоким индексом вязкости имеет лучшую текучесть при низкой температуре (запуск холодного двигателя) и более высокую вязкость при рабочей температуре двигателя. Высокий индекс вязкости необходим для всесезонных масел и некоторых гидравлических масел (жидкостей). Индекс вязкости определяется (по стандартам ASTM D 2270, DIN ISO 2909) при помощи двух эталонных масел. Вязкость одного из них сильно зависит от температуры (индекс вязкости принимается равным нулю, VI=0), а вязкость другого -- мало зависит от температуры (индекс вязкости принимается равным 100 единиц, VI =100).. При температуре 100°С вязкость обоих эталонных масел и исследуемого масла должна быть одинаковой. Шкала индекса вязкости получается делением разницы вязкостей эталонных масел при температуре 40°С на 100 равных частей. Индекс вязкости исследуемого масла находят по шкале после определения его вязкости при температуре 40°С, а если индекс вязкости превышает 100, его находят расчетным путем.

Индекс вязкости сильно зависит от молекулярной структуры соединений, составляющих базовые минеральные масла. Наивысший индекс вязкости бывает у парафиновых базовых масел (около 100), у нафтеновых масел -- значительно меньший (30 -- 60), у ароматических масел -- даже ниже нуля. При очистке масел их индекс вязкости, как правило, повышается, что в основном связано с удалением из масла ароматических соединений. Высоким индексом вязкости обладают масла гидрокрекинга. Гидрокрекинг является одним из основных методов получения масел с высоким индексом вязкости. Высокий индекс вязкости у синтетических базовых масел: у полиальфаолефинов -- до 130, у полиэтиленгликолей -- до 150, у сложных полиэфиров -- около 150. Индекс вязкости масел можно повысить введением специальных присадок -- полимерных загустителей.

Размещено на Allbest.ru