Нефть

Топлива для воздушно-реактивных двигателей. Состав и эксплуатационные свойства

Большинство летательных аппаратов в настоящее время оснащено газотурбинными — турбовинтовыми (ТВД) и турбореактивными (ТРД) — двигателями. В газотурбинных двигателях процесс сгорания топлива осуществляют в камерах сгорания, куда подают сжатый турбокомпрессором воздух и впрыскивают жидкое топливо. Воспламеняется топливо от электрической искры. Подача воздуха и топлива, сгорание топлива и образование горячей струи газов происходят одновременно и непрерывно, в едином потоке. Образовавшиеся газы в ТВД и ТРД используют по-разному. В ТВД они расширяются в турбине, вращающей компрессор для сжатия воздуха и воздушный винт, который создает основную тягу; окончательное расширение газов осуществляется в реактивном сопле, причем струей газов, вытекающих из сопла, создается дополнительная (8—12% от общей) тяга. В ТРД газы сгорания расширяются в турбине, вращающей компрессор, а затем в реактивном сопле; тяга создается в результате истечения газов из сопла. В современных ТРД газы после турбины направляют в форсажную камеру, в которой дополнительно сжигается часть топлива. Из форсажной камеры газы поступают в реактивное сопло с более высокой температурой и с большей скоростью, благодаря чему увеличивается сила тяги.
Топлива для воздушно-реактивных двигателей: реактивные топлива, авиационные керосины — вырабатывают на базе прямогонных фракций нефти и газойлей каталитического крекинга с применением в ряде случаев гидрогенизационных процессов. В СНГ выпускают топлива марок ТС-1, Т-1, Т-2, РТ, выкипающие в интервале 60—280 °С (применяют в двигателях с дозвуковой скоростью полета), и термостабильное топливо утяжеленного состава, выкипающее в интервале 195-315 °С (применяют для двигателей со сверхзвуковой   скоростью   полета).
К основным показателям качества топлив для реактивных двигателей относят плотность, теплоту сгорания, фракционный состав, вязкость, температуру начала кристаллизации, содержание аренов, серы, активных сернистых соединений, смол и непредельных  соединений,  термическую  стабильность.
Плотность и теплота сгорания реактивного топлива характеризуют его энергетические возможности. Чем выше плотность, тем большее количество топлива можно загрузить в баки летательного аппарата и увеличить таким образом дальность полета без дополнительной заправки. При использовании топлива, которое имеет высокую теплоту сгорания, с единицы массы или объема выделяется больше энергии, повышается скорость истечения газов из сопла, увеличивается тяга.
Теплота сгорания углеводорода зависит от содержания в молекуле водорода и от соотношения углерод; водород. Чем больше в молекуле атомов водорода, тем выше теплота сгорания; наивысшей теплотой сгорания (в расчете на единицу массы) обладают алканы, наименьшей — арены.
От химического состава топлива зависят также эффективность и полнота сгорания топлива. При сгорании аренов, в особенности бициклическИх (нафталиновых) углеводородов, образуются сажа и нагар, которые откладываются на стенках жаровых труб камер сгорания и распылителей форсунок. Нагарообразование нарушает аэродинамику потока газов в камере сгорания, изменяет форму распыления струи топлива и форму факела. В конечном итоге происходит прогар стенок жаровых труб. Кроме того, при использовании топлива с высоким содержанием аренов в газах сгорания появляются раскаленные частички углерода, увеличивается интенсивность излучения пламени, вследствие чего перегреваются стенки камеры сгорания. Нагарообразование растет также при повышении температуры конца кипения и плотности топлива, при увеличенном содержании сернистых соединений и смол.
По этим причинам нормами установлены ограничения содержания ароматических соединений (20—22 % для ТС-1, Т-1, Т-2, РТ; 10 % для утяжеленного термостабильного реактивного топлива) и смол в топливах. Показателями эффективности и полноты сгорания реактивных топлив являются также высота некоптящего пламени (не менее 20—25 мм) и люминометрическое число. Люминометрические числа, как и октановые числа бензинов, определяют методом сравнения с эталонными топливами. В качестве эталонов применяют тетралин и октан, люминометрические числа которых приняты соответственно за 0 и 100. Люминометрическое число топлива РТ должно быть не ниже 55.
Фракционный состав и давление насыщенных паров реактивного топлива в значительной степени влияют на условия образования воздушно-топливных смесей и их сгорание. Чем выше давление паров, тем лучше испаряемость топлива.
Понижение вязкости топлива благоприятно сказывается на условиях его распыливания, так как уменьшаются размеры капель. Поскольку, однако, снижение вязкости вызывает ухудшение работы топливной аппаратуры вследствие износа трущихся частей, чрезмерно уменьшать вязкость не следует. Вязкость реактивных топлив ТС-1, Т-1, Т-2, РТ при 20 °С должна быть не менее 1,05—1,50 мм2/с, а утяжеленного термостабильного топлива — не выше 4,5 мм2/с. Важным эксплуатационным показателем топлива для воздушно-реактивных двигателей служит температура начала кристаллизации. Так как при полетах самолетов с дозвуковой скоростью топливо в баках интенсивно охлаждается, то для предотвращения его застывания температура начала кристаллизации должна быть не выше — (55—60) °С.
Если в топливных баках самолетов топливо интенсивно охлаждается, то в топливоподающей системе оно, наоборот, нагревается до 150—250 °С. При этих температурах алкены, смолы, меркаптаны начинают разлагаться с образованием нерастворимых в топливе осадков, забивающих фильтры и форсунки, загрязняющих поверхности охлаждения. Поэтому к реактивным топливам предъявляют требования повышенной термической стабильности, что достигается очисткой топлив и введением присадок.