CC BY
100
УДК 662.75:621.45
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПРОТИВОИЗНОСНЫХ СВОЙСТВ РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ
В.В. КОНДРАТЕНКО, В.В. СУЗИКОВ, Н.М. ЛИХТЕРОВА
В статье рассматриваются вопросы направления развития современных методов оценки противоизносных свойств реактивных топлив.
Ключевые слова: реактивные топлива, противоизносные свойства, плунжерные и шестеренчатые насосы.
В топливных системах авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) для подачи топлива в камеры сгорания и агрегаты системы управления широко применяются плунжерные и шестеренчатые насосы. Топливо служит для них, в том числе, смазывающей средой, и, таким образом, оказывает существенное влияние на скорость изнашивания пар трения насосов, их надежность и долговечность.
В парах трения как плунжерных, так и шестеренчатых насосов имеет место трение скольжения (в паре «плунжер-цилиндр») и сочетание трения скольжения и трения качения («плун-жер-наклонная шайба», «плунжер-подпятник», зубья шестерен). Как правило, более чувствительны к качеству топлива плунжерные насосы вследствие высоких контактных нагрузок в паре трения «плунжер-наклонная шайба». Причем, детали плунжерной пары изнашиваются в условиях трения качения с проскальзыванием практически на всех режимах работы насосов-регуляторов. Исключение составляет только режим нулевого угла установки наклонной шайбы, когда качение в зоне контакта отсутствует. На скорость изнашивания деталей такой пары влияют не только нагрузка и свойства материалов, но и соотношение между скоростями скольжения и качения, т.е. коэффициент скольжения. Скольжение в зоне контакта деталей обусловлено не только смещением оси вращения наклонной шайбы относительно оси ротора (дезаксаж), но и геометрическими размерами контактирующих тел (геометрическое скольжение). Скорости этих двух независимых друг от друга и переменных по величине и направлению скольжений суммируются. Влияние коэффициента скольжения на скорость изнашивания плунжерной пары обуславливается изменением степени участия в процессах трения и изнашивания физических и химических свойств топлива.
Наиболее достоверными методами оценки противоизносных свойств топлив, хорошо коррелирующими с условиями эксплуатации, являются стенды с натурными агрегатами топливных систем. В качестве примера можно привести стендовый метод ВНИИ НП для оценки противо-износных свойств топлив с насосом-регулятором НР - 21Ф2 двигателя Р11Ф - 300 самолета МиГ - 21. В настоящее время указанный стенд не функционирует ввиду необходимости значительных материальных и временных затрат на проведение испытаний (например, для одного цикла испытаний требуется около 120 т топлива и новый насос-регулятор).
Лабораторные методы оценки противоизносных свойств позволяют оперативно и с малым количеством топлива оценить смазывающие свойства различных образцов топлив и эффективность противоизносных присадок к ним. Однако значительное разнообразие как отечественных, так и зарубежных лабораторных методов свидетельствует о недостаточном соответствии условий трения и изнашивания их контрольных пар условиям трения и изнашивания плунжерных пар насосов, вследствие чего результаты испытаний не всегда согласуются с результатами эксплуатации.
В табл. 1 приведены основные характеристики отечественных и зарубежных лабораторных методов оценки противоизносных свойств топлив для реактивных двигателей.
Метод BOCLE стандартизован (ASTM D 5001) и поэтому широко применяется для контроля смазывающей способности авиационных топлив. В процессе испытания неподвижный стальной шар диаметром 0,5 дюйма прижимается к вращающемуся цилиндру, смазываемому тонкой пленкой топлива при постоянных условиях нагрузки, скорости скольжения, температуры и влажности. Смазывающие свойства оцениваются по пятну износа на испытуемом шаре. Достоинствами метода являются хорошие сходимость и воспроизводимость.
В методе Лукаса моделируются рабочие условия в аксиальном поршневом насосе, в котором не обеспечивается нормальная смазка. В процессе испытания стержень из алюминиевой бронзы трется о диск из инструментальной стали. Испытание проводится при смазке в «режиме голодания». В течение испытательного цикла на вращающемся стальном диске образуется тонкая пленка топлива; к диску прижимается бронзовый стержень и производится замер фрикционного усилия.
Количество оборотов диска, совершенное для получения заданного уровня фрикционного усилия, называют «индекс останова» (dwell number). Следует отметить, что «индекс останова» определяется, главным образом, испаряемостью топлива, и, например, если в топливо добавить небольшую концентрацию высококипящих н-алканов - «индекс останова» повысится, но на смазывающие свойства топлива это не окажет существенного влияния.
Метод TAFLE разработан в Торнтонском испытательном центре фирмы «Шелл». В испытании используются два образца, описанные в табл. 1. Верхний образец неподвижен, он устанавливается на нижний, который вращается с частотой 200 об/мин. (при скорости скольжения 0,52 м/с.), что обеспечивает реализацию условий линейного контакта зубьев шестерен шестеренчатого насоса.
Образцы находятся в камере, через которую непрерывно пропускается топливо, что позволяет избежать протекания в нем процессов окисления. Метод заключается в воспроизведении серии возрастающих нагрузок в пределах от 1 до 200 кГс в течение 15 минут на каждую ступень нагрузки, при которых измеряется коэффициент трения до тех пор, пока не будут достигнуты максимальный задир или максимально допустимая нагрузка.
При каждой новой ступени нагрузки верхний образец поворачивается на 5o. В конце испытания производится измерение пятна износа и строятся графики в виде зависимостей коэффициента трения и ширины пятна износа от нагрузки. Разрушительная фрикционная нагрузка, определяемая как нагрузка, при которой коэффициент трения достигает значения 0,4, позволяет хорошо отличать одно топливо от другого.
Однако при добавлении присадок в топливо с низкими смазывающими свойствами увеличение максимальной нагрузки задира не всегда такое значительное, как можно было бы ожидать. Ширина пятна износа позволяет отличать друг от друга малосернистые топлива с низкими смазывающими свойствами, а также топлива с присадкой для повышения смазывающих свойств и без нее. Однако некоторые топлива с высокими смазывающими свойствами тоже характеризуются большим износом верхнего цилиндра.
В методе ВНИИ НП агрегатоносителем является плунжерный насос-регулятор НР - 21Ф2, в котором в плунжеры, движущиеся по наклонной шайбе, установлены шары. Испытуемое топливо прокачивается через полость контрольного узла трения на проток. Оценочным показателем метода является среднее арифметическое диаметров пятна износа трех контрольных шаров.
Прибор УПС - 01 является дальнейшим развитием хорошо зарекомендовавших себя стендов КИИГА и СИССТ - 1. В качестве пары трения применяется вращающийся плоский диск и три шара, неподвижно закрепленные в оправке. Пара трения помещена в герметичную топливную камеру. В приборе имеется возможность изменять нагрузку на пару трения. Противоизнос-ные свойства топлив характеризует обобщенный показатель, рассчитываемый по определенной
формуле, в которой учитываются диаметр пятна износа шаров, определяемый при заданной нагрузке, и критическая нагрузка перехода к схватыванию.
Таблица 1
Основные характеристики лабораторных методов оценки противоизносных свойств реактивных топлив
Метод, установка (прибор) Конструкция пары трения Вид трения Удельная нагрузка, МПа Скорость скольжения, м/с Форма пятна износа Литературная ссылка
Установка с модифицированным насосом-регулятором НР-21Ф2 шар 012,7 мм -наклонная шайба ; К+С 0,28-0,36 2,40 О [1]
Прибор УПС-01 шар 025,4 мм - §¡52^ плоский диск О С 830 1,18 о [1]
Установка ПСТ-2 шар 040,0 мм - "ЗҐ коническая шай- / [¡Л ба ГЦІГ К+С 500 0,34 о [1]
Метод BOCLE шар 012,7 мм - і цилиндр 044,5 /V V, мм Г7 7» С 565 0,5 CD [2]
Метод Лукаса штифт 01 мм -диск 0120 мм О С 0,82 0,4 □ [3]
Метод TAFLE цилиндры (гбч 050,0 мм шири- /х’л ной 10 мм О ) С 43-612 0,52 □ [4]
• - К-трение качения, С-трение скольжения, К+С трение качения с проскальзыванием
Анализ корреляции результатов определения противоизносных свойств образцов реактивных топлив на установке с модифицированным насосом-регулятором НР - 21Ф2 и приборе УПС - 01 с результатами испытаний этих топлив на серийном насосе-регуляторе свидетельствует о неравномерной чувствительности указанных методов при оценке топлив с разным уровнем противоизносных свойств.
Корреляционная зависимость результатов испытаний на установке ПСТ - 2 и серийном насосе-регуляторе линейная, что хорошо соотносится с высокой чувствительностью метода при
испытании образцов топлив с низкими противоизносными свойствами (например, гидроочищенных керосиновых фракций). Метод позволяет дифференцировать топлива по уровню их смазывающих свойств, а также оценивать как эффективность противоизносных присадок, так и их оптимальную концентрацию в топливе.
Пара трения в установке ПСТ - 2 (разработанной в 25 ГосНИИ МО РФ) следующая: плунжер (или шар), закрепленный в оправке и вращающаяся коническая шайба. Отличительной особенностью этой пары трения является возможность вращения оправки относительно своей оси, расположенной перпендикулярно оси вращения конической шайбы. В установке предусмотрено периодическое притормаживание оправки, обеспечивающее изменение соотношения между скольжением и качением в зоне контакта деталей пары трения аналогично тому, как это имеет место в зоне контакта плунжера и наклонной шайбы (или подпятника) насоса-регулятора при смене режимов его работы. Показатель противоизносных свойств в методе (ПИ - показатель износа) определяется как отношение пятна износа плунжера (шара) на испытуемом топливе к пятну износа на контрольном топливе. Основным недостатком метода является его недостаточная повторяемость (сходимость) вследствие ряда конструктивных недостатков, связанных в основном со сложностью восстановления заданной геометрии плунжера и конической шайбы после испытания. Кроме того, не обеспечивается необходимая стабильность процесса притормаживания.
Анализ конструкции действующей установки ПСТ - 2 указывает на возможность устранения отмеченных недостатков и создания, таким образом, современного достоверного и надежного метода оценки противоизносных свойств реактивных топлив на базе основных идей, заложенных в конструкцию установки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуреев А.А. Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив / А.А.Гуреев, Е.П.Серегин, В.С. Азев. - М.: Химия, 1984. - С.154-165.
2. Askwith, T. C. Lubricity of Aviation Turbine Fuels. Second report of the work and findings of the MOD (PE) Fuel Lubricity Panel, [Ref]: T. C Askwith,. P. J. Hardy, R. A Vere. AX/395/014, January 1976.
3. Hadley, J. W. An appraisal of the ball-on-cylinder technique for measuring aviation turbine fuel lubricity. Shell Research Ltd., Thornton Research Centre, P.O. Box 1. J. W Hadley, P. Blackhurst., Chester CHI 3SH Paper presented at the STLE Annual Meeting, May 1990, Denver, Colorado, USA.
4. Hadley, J. W. A method for the evaluation of the boundary lubricating properties of aviation turbine fuels. J. W Hadley. Paper published in Wear Vol. 101, No.3, pp. 219-253 (1985).
CURRENT STATE AND PROSPECTS DEVELOPMENT OF METHODS FOR EVALUATION LUBRICITY OF JET FUELS
Kondratenko V.V., Suzikov V.V., Likhterova N.M.
In clause the questions of development of modem methods for evaluate lubricity of jet fuels.
Key words: jet fuel, anti-wear properties, lubricating, piston and gear pamps.
Сведения об авторах
Кондратенко Валерий Викторович, 1977 г.р., окончил Ульяновское ВВТУ им. Б. Хмельницкого (1994), ВАТТ им. А.В. Хрулева (2008), старший научный сотрудник 162 лаборатории ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор 3 научных работ, область научных интересов - квалификационные испытания авиационных топлив и масел.
Сузиков Владимир Викторович, 1963 г.р., окончил Харьковское ВВАИУ (1986), ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1994), научный сотрудник 162 лаборатории ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор 10 научных работ, область научных интересов - квалификационные испытания авиационных топлив и масел.
Лихтерова Наталья Михайловна, окончила МИНХ и ГП им. И.М. Губкина (1969), доктор технических наук, доцент, профессор кафедры технологии нефтехимического синтеза и искусственного жидкого топлива МИТХТ им. М.В. Ломоносова, автор более 80 научных работ, область научных интересов - технология получения и химмотология моторных топлив, технология, свойства и рациональное применение тяжелого нефтяного сырья, коллоидное строение нефти и нефтепродуктов
