7.2.3. Реактивные топлива

В современной гражданской и военной авиации широкое применение получили воздушно-реактивные двигатели (ВРД), работающие на жидком углеводородном топливе. Это обусловлено достаточно широкими ресурсами нефтяных углеводородных топлив, их сравнительно невысокой стоимостью, высокими энергетическими показателями и рядом других достоинств.

Применение ВРД, являющегося одновременно движителем самолета без сложных механических передаточных и ходовых устройств, позволяет при относительно небольшой массе создать большую тягу, причем в отличие от поршневых двигателей с пропеллером, сила тяги ВРД не только не снижается с увеличением высоты и скорости полета, наоборот, даже возрастает.

Совершенствование ВРД и реактивных самолетов всегда было направлено на дальнейшее увеличение высоты и скоростей полета, повышение моторесурса, надежности и экономичности двигателей, обеспечение безопасности полетов. В зависимости от развиваемых скорости и высоты полета принято классифицировать ВРД и, соответственно, топлива на два типа: для дозвуковых и сверхзвуковых реактивных самолетов.

Среди моторных топлив к реактивным топливам предъявляются повышенные требования к их качеству, их подвергают более тщательному технологическому контролю как при производстве, так и транспортировке, хранении и применении.

К топливу для ВРД предъявляются следующие основные требования:

• оно должно полностью испаряться, легко воспламеняться и быстро сгорать в двигателе без срыва и проскока пламени, не образуя паровых пробок в системе питания, нагара и других отложений в двигателе;

• объемная теплота сгорания его должна быть возможно высокой;

• оно должно легко прокачиваться по системе питания при любой и экстремальной температуре его эксплуатации;

• топливо и продукты его сгорания не должны вызывать коррозии деталей двигателя;

• оно должно быть стабильным и менее пожароопасным при хранении и применении.

Испаряемость – одно из важнейших эксплуатационных свойств реактивных топлив. Она характеризует скорость образования горючей смеси топлива и воздуха и тем самым влияет на полноту и стабильность сгорания и связанные с этим особенности работы ВРД: легкость запуска, нагарообразование, дымление, теплонапряженность камеры сгорания, а также надежность работы топливной системы.

Испаряемость реактивных топлив оценивают, как и автобензинов, фракционным составом и давлением насыщенных паров. Для реактивных топлив нормируются температура начала кипения, 10, 50, 90 и 98 %-ного выкипания фракции. Температура конца кипения (точнее 98 % перегонки) регламентируется требованиями, прежде всего, к низкотемпературным свойствам, а начала кипения – пожарной опасностью и требованием к упругости паров. Естественно, у реактивных топлив для сверхзвуковых самолетов температура начала кипения существенно выше, чем для дозвуковых. В ВРД нашли применение три типа топлив, различающихся по фракционному составу. Первый тип реактивных топлив, который наиболее распространен, – это керосины с пределами выкипания 135–150 и 250–280 °С (отечественные топлива Т-1, ТС-1 и РТ, зарубежное – JR-5). Второй тип – топливо широкого фракционного состава (60–280 °С), являющееся смесью бензиновой и керосиновой фракций (отечественное топливо Т-2, зарубежное – JR-4). Третий тип – реактивное топливо для сверхзвуковых самолетов: утяжеленная керосино-газойлевая фракция с пределами выкипания 195–315 °С (отечественное топливо Т-6, зарубежное JR-6).

Давление насыщенных паров реактивного топлива обусловливает потери топлива и избыточное давление в баках, необходимое для обеспечения бескавитационной работы топливных насосов. Оно определяется в приборе типа бомбы Рейда при температуре 38 °С для топлива Т-2 и при 150 °С для топлив, не содержащих бензиновой фракции.

Горючесть является весьма важным эксплуатационным свойством реактивных топлив. Она оценивается следующими показателями: удельной теплотой сгорания, плотностью, высотой некоптящего пламени, люминометрическим числом и содержанием ароматических углеводородов (общим и отдельно - бициклических).

Удельная массовая теплота сгорания реактивного топлива колеблется в небольших пределах (10250–10300 ккал/кг), а удельная объемная – более существенно в зависимости от плотности топлива (которая изменяется в пределах от 755 для Т-2 до 840 кг/м³ для Т-6). Плотность топлива — весьма важный показатель, определяющий дальность полета, поэтому предпринимаются попытки получения топлив с максимально высокой плотностью.

Высота некоптящего пламени – косвенный показатель склонности топлива к нагарообразованию. Она зависит от содержания ароматических углеводородов и фракционного состава (должна быть не менее 16 мм для Т-1; 25 мм для ТС-1, Т-2 и РТ и 20 мм для Т-6).

Люминометрическое число характеризует интенсивность теплового излучения пламени при сгорании топлива, т.е. радиацию пламени. Также является косвенным показателем склонности топлива к нагарообразованию. Оно определяется путем сравнения с яркостью пламени эталонных топлив – тетралина и изооктана (ЛЧ для Т-6 ≥ 45, Т-1 ≥ 50, ТС-1, Т-2 и РТ ≥ 55).

Склонность топлива к нагарообразованию в сильной степени зависит от содержания ароматических углеводородов. Нормируется для реактивных топлив следующее содержание ароматических углеводородов: Т-6 ≤ 10, Т-1 ≤ 20, ТС-1, Т-2 ≤ 22 и РТ ≤ 18,5 % масс.

Воспламеняемость реактивных топлив обычно характеризуется концентрационными и температурными пределами воспламенения, самовоспламенения и температурой вспышки в закрытом тигле и др. По ГОСТу нормируется только температура вспышки (для ТС-1 и РТ ≥ 228, для Т-1 ≥ 30 и Т-6 ≥ 60 °С), а определение остальных перечисленных выше показателей предусматривается в комплексе квалификационных методов испытаний реактивных топлив.

Прокачиваемость реактивных топлив оценивают следующими показателями: кинематической вязкостью, температурой начала кристаллизации, содержанием мыл нафтеновых кислот и содержанием воды и механических примесей.

Кинематическая вязкость топлив нормируется при двух температурах: при 20 °С (Т-2 ≥ 1,05; ТС-1 и РТ ≥ 1,25; Т-1 > 1,5 и Т-6 ≤ 4,5 сСт) и при 40 °С (Т-2 ≤ 6; ТС-1 ≤ 8; Т-1 и РТ ≤ 16 и T-6 ≤ 60 сСт).

Температура начала кристаллизации для всех отечественных реактивных топлив до недавнего времени нормировалась не выше минус 60 °С. В настоящее время на наиболее широко используемый сорт Т-2 допускается этот показатель не выше минус 55 °С.

Химическая стабильность реактивных топлив. Поскольку топлива для ВРД готовят преимущественно из дистиллятных прямогонных фракций, они практически не содержат алкенов, имеют низкие йодные числа (не выше 3,5 г J₂/100 мл) и характеризуются достаточно высокой химической стабильностью. В условиях хранения окислительные процессы в таких топливах идут очень медленно. Гидроочищенные реактивные топлива, хотя в них удалены гетеросоединения, тем не менее легче окисляются кислородом воздуха ввиду удаления природных антиокислителей и образуют смолоподобные продукты нейтрального и кислотного характера. Для повышения химической стабильности гидроочищенных топлив добавляют антиокислительные присадки (типа ионола). Химическая стабильность реактивных топлив оценивается по йодным числам и содержанию фактических смол.

Термоокислительная стабильность характеризует склонность реактивных топлив к окислению при повышенных температурах с образованием осадков и смолистых отложений. В условиях авиационных полетов имеет место повышение температуры топлива в топливных системах вплоть до 200 °С и выше, например, в сверхзвуковых самолетах. Было установлено, что зависимость осадкообразования в топливах при изменении температуры от 100 до 300 °С носит экстремальный характер. Характерно, что для каждого вида топлива имеется своя температурная область максимального осадкообразования. Так, эта температура для топлив ТС-1 и Т-1 составляет 150 и 160 °С соответственно. Чем тяжелее фракционный состав топлива, тем при более высокой температуре наступает максимум осадкообразования. Окисление топлив при повышенных температурах значительно ускоряется за счет каталитического действия материала деталей топливных систем. Для снижения интенсивности окислительных процессов наиболее эффективно введение в реактивное топливо присадок, пассивирующих каталитическое действие металлов. Оценку термоокислительной стабильности реактивных топлив проводят в специальных приборах в статических и динамических условиях. Статический метод оценки заключается в окислении образца топлива при 150 °С в изолированном объеме с последующим определением массы образовавшегося осадка (в мг/100 мл) в течение 4 или 5 часов. Стабильность в динамических условиях оценивают по величине перепада давления в фильтре при прокачке нагретого до 150–180 °С топлива в течение 5 часов или по образованию осадков в нагревателе (в баллах).

Повышение термоокислительной стабильности реактивных топлив обеспечивают технологическими методами (гидроочисткой) и введением специальных присадок (антиокислительных, диспергирующих или полифункциональных).

Коррозионная активность реактивных топлив. Она оценивается показателями:

содержанием общей серы, в т.ч. сероводорода и меркаптановой серы, содержанием водорастворимых кислот и щелочей, кислотностью и испытанием на медной пластинке. В реактивном топливе ограничивается: содержание общей серы для Т-6 ≤ 0,05 %, для Т-1 и РТ ≤ 0,1 % и ТС-1 и Т-2 ≤ 0,25 % масс., меркаптановой серы для Т-6 отсутствие, PT ≤ 0,001, для ТС-1 и Т-2 ≤ 0,005 % масс.; кислотность для Т-6 ≤ 0,5 и для остальных марок ≤ 0,7 мг КОН/100 мл. В топливах должны отсутствовать сероводород, водорастворимые кислоты и щелочи, и они должны выдерживать испытание на медной пластинке (при 100 °С в течение трех часов).

Марки реактивных топлив. Отечественными стандартами предусматривается возможность производства реактивных топлив четырех марок для дозвуковой авиации (Т-1, ТС-1, Т-2 и РТ) и одна марка для сверхзвуковых самолетов – Т-6. Топливо Т-1 – это прямогонная керосиновая фракция (150–280 °С) малосернистых нефтей. Выпускают его в очень малых количествах. Т-2 – топливо широкого фракционного состава (60–280 °С), признано резервным и в настоящее время не вырабатывается. Наиболее массовыми топливами для дозвуковой авиации являются ТС-1 и РТ. Топливо ТС-1 – прямогонная фракция 150–250 °С сернистых нефтей. Отличается от Т-1 более легким фракционным составом. Топливо РТ разработано взамен Т-1 и ТС-1. В процессе его производства прямогонные дистилляты (135–280 °С) подвергают гидроочистке. Для улучшения эксплуатационных свойств в топливо РТ вводятся присадки противоизносные марки П (0,002–0,004 % масс.), антиокислительная (ионол 0,003–0,004 % масс.), антистатические и антиводокристаллизирующие типа тетрагидрофурфуролового спирта (ТГФ).

Реактивное топливо для сверхзвуковой авиации Т-6 представляет собой глубокогидроочищенную утяжеленную керосино-газойлевую фракцию (195–315 °С) прямой перегонки нефти. У топлива низкое содержание серы, смол, ароматических углеводородов (до 10 % масс., а фактическое – 3–7 % масс.), высокая термическая стабильность, хорошо прокачивается, малокоррозийно и используется на самолетах, имеющих скорости полета до 3,5 М.