СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ТОПЛИВ В ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Российский патент 2004 года по МПК G01N33/22 

Изобретение относится к лабораторным методам оценки эксплуатационных свойств топлив в динамических условиях (в частности термоокислительной стабильности) и может быть использовано в нефтехимической, авиационной и других отраслях промышленности.

Известен метод определения ТОС авиакеросинов, предусматривающий однократную прокачку топлива на установке ДТС-1М вдоль наружной поверхности нагреваемой оценочной трубки и через последовательно установленный контрольный фильтр с последующей оценкой образовавшихся отложений на оценочной трубке в совокупности с показателем “Перепад давления на контрольном фильтре” (ГОСТ 17751. Топливо для реактивных двигателей. Метод определения термической стабильности в динамических условиях).

В установке ДТС-1М предусмотрен осевой подвод топлива к оценочной трубке, которая установлена с небольшим наклоном к горизонтальной оси.

Недостатком этого метода является низкая точность и чувствительность за счет погрешности определения величины отложений на оценочной трубке в связи с визуальной (в сравнении с цветной шкалой) их оценкой. Кроме того, при появлении отложений на оценочной трубке отсутствует четкое разделение ее поверхности на область с отложениями и без них, что не позволяет определять такой показатель ТОС, как температура начала образования отложений (t_но). Температурный режим в методе характеризуется температурой топлива на выходе из оценочной трубки, что снижает достоверность полученных результатов, т.к. образование отложений зависит в этих условиях в большей степени от температуры поверхности оценочной трубки, соприкасающейся с топливом.

Известен также метод оценки ТОС авиакеросинов (ASTM D3241. Метод определения термоокислительной стабильности топлив для авиационных турбореактивных двигателей). Он также реализует схему однократной прокачки топлива через контрольные элементы и отличается от метода по ГОСТ 17751 тем, что в установке JFTOT местом фиксации температурного параметра является стенка оценочной трубки. Кроме того, отличия имеются в геометрических и режимных параметрах. Так, датчик температуры находится внутри оценочной трубки, равноудален от ее краев и используется как для измерения температуры стенки в указанном месте, так и для регулирования этой температуры. Ввод топлива осуществляется перпендикулярно к оси оценочной трубки, расположенной вертикально. В случае отсутствия отложений на оценочной трубке при ее температуре 245 или 260°С за время одного испытания (3 часа) и необходимости оценить предельную ТОС топлив проводят еще несколько испытаний (до появления отложений), в каждом из которых температура стенки повышается на 5...10°С. Кроме визуального определения отложений (в сравнении с цветной шкалой) допускается более объективная инструментальная их оценка с измерением яркости света, отраженного от поверхности оценочной трубки.

Однако этому методу присущи недостатки: отсутствие четкого разделения оценочной трубки на зоны с поверхностью без отложений и с отложениями, следовательно, невозможность точного определения температуры начала образования отложений (t_но) Оценка общего количества отложений в этом методе осуществляется только по отдельному пятну на оценочной трубке, образовавшемуся после прокачки топлива (в течение 3 часов), выбранному из других пятен по максимальному снижению его яркости в сравнении с чистой трубкой. Кроме того, необходимость проведения нескольких испытаний повышает длительность и трудоемкость определения ТОС топлив.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности, достигаемому положительному эффекту и взятым за прототип, является метод оценки ТОС топлив в динамических условиях на установке ДТС-2 (А.А. Гуреев и др. Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив. М.: Химия, 1984. с. 137-139). Этот метод также реализует однократную прокачку топлива в кольцевом канале между наружной поверхностью нагреваемой оценочной трубки и внутренней поверхностью охватывающей ее трубки-корпуса. Температурный режим в этом методе характеризуют температурой топлива в шести точках топливного канала, равномерно расположенных по его длине, равной 600 мм. Каждая из шести термопар закреплена стационарно на корпусе, а их спай расположен на расстоянии 1,5±0,15 мм от поверхности оценочной трубки. В методе предусмотрено вертикальное расположение оценочной трубки с наружным диаметром 12 мм, длиной 600 мм и осевой подвод топлива снизу к топливному кольцевому каналу шириной 4 мм. Испытание проводят при следующих постоянных параметрах: объемный расход топлива - 1,1 л/час; давление - 5,6 кГс/см², температура топлива у 5-й (по ходу потока) термопары t₅=192°C. Такие геометрические размеры и режимные параметры позволяют всегда получать на оценочной трубке после 5-и часов прокачки топлива две четкие зоны с отложениями и без них. Температуру в месте разделения этих зон характеризуют как температуру начала образования отложений (t_но). Для этого напротив каждого спая термопары на поверхности оценочной трубки нанесены риски. Оценочную трубку герметично крепят в корпусе, а образец топлива подают в зазор между корпусом и оценочной трубкой снизу, параллельно оси оценочной трубке (осевой подвод).

Для определения t_но и общего количества отложений чистую трубку (до прокачки топлива) устанавливают в устройство для сканирования яркости отраженного света по ее длине (профиля яркости). Это устройство состоит из настроечной поверхности, считывающей каретки (с лампочкой подсвета и фотосопротивлением), движущейся по направляющим вдоль оценочной трубки, и автопотенциометра. Оценочную трубку до прокачки устанавливают в фокусе считывающей каретки и осуществляют запись на диаграммную ленту автопотенциометра сигналов яркости ее поверхности. На диаграмме отображаются также сигналы от рисок, нанесенных на ее поверхности в шести точках расположения термопар. Профиль яркости чистой оценочной трубки представляет из себя линию с небольшими колебаниями (по оси ординат). Эти колебания характеризуют дефекты трубки и выступают в качестве шумового сигнала.

После проведения предварительного сканирования по яркости чистой оценочной трубки ее герметично крепят в корпусе, который подсоединяют к магистралям установки, и осуществляют нагрев и прокачку топлива на заданном режиме в течение 5 часов. После прекращения прокачки и охлаждения установки оценочную трубку вновь помещают в устройство для сканирования яркости. При этом по яркости настроечной поверхности в начальной ее точке осуществляют наложение и совмещение I и II линий яркости. В результате такого наложения линий яркости на начальном участке эти линии практически совпадают, а в некоторой точке диаграммы (зависящей от качества топлива) они разъединяются. Точку расхождения этих линий, находящуюся на расстоянии L_но от начала отсчета, фиксируют и используют в дальнейшем для определения температуры t_но в этой точке. Для этого на диаграмму с линиями яркостей наносят дополнительную ось ординат с температурной шкалой. В точках оси абсцисс диаграммы, отмеченных сигналами яркостей от рисок, нанесенных на оценочной трубке в местах расположения шести термопар, проводят вертикальные линии, на которых откладывают значения температур. Эти температуры фиксируют в процессе прокачки топлива (на заданном режиме). Соединяя отмеченные точки, получают температурную зависимость t_ст=f(L_к). За температуру t_но принимают значение ординаты точки с температурной зависимости, абсцисса которой равна L_но. Далее рассчитывают пропорциональную общему количеству отложений площадь S_т области, ограниченной на диаграмме I и II линиями яркостей за точкой L_но. Для повышения точности определения этого показателя проводят специальное испытание на эталонном топливе с получением значения S_эт и по частному от деления S_т на S_эт определяют относительное количество отложений, которое характеризуют как индекс термостабильности (ИТ). Чем меньше ИТ, тем выше ТОС топлива.

К недостаткам этого метода следует отнести низкие характеристики по точности, особенно по достоверности, высокую трудоемкость и относительно большой расход топлива.

Невысокая достоверность результатов оценки ТОС объясняется выбором недостаточно обоснованного температурного параметра - температуры топлива на расстоянии 1,5±0,15 мм от поверхности оценочной трубки. Известно, что процесс образования отложений в большей степени зависит от температуры теплоподводящей поверхности, чем от более низкой температуры в потоке топлива.

Низкая точность по воспроизводимости результатов (на разных установках) объясняется:

а) трудностью выдерживания при монтаже термопар необходимого размера (1,5±0,15) мм, что усугубляется большой длиной оценочной трубки 600 мм и некоторым неконтролируемым ее прогибом;

б) наличием стационарных термопар в корпусе, которые затрудняют его промывку при подготовке к последующим испытаниям.

Относительно большое количество топлива (≈10 л), необходимое для одного испытания, объясняется большим объемом топливного канала в зоне оценочной трубки (при ее диаметре 12 мм, длине 600 мм, ширине канала 4 мм) и временем испытания - 5 часов.

Технический результат изобретения - повышение достоверности и точности результатов определения ТОС топлив с одновременным снижением трудоемкости и количества образца, необходимого для испытания.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения ТОС топлив по температуре начала образования отложений и количеству отложений на нагреваемой оценочной трубке, помещенной в герметичный корпус, включающем прокачку вдоль наружной поверхности оценочной трубки эталонного и испытуемого топлив, измерение по ее длине сигналов яркости от внешней поверхности оценочной трубки до и после прокачки образца, измерение текущих значений температуры в заданных точках с последующей регистрацией зависимостей “температура - длина трубки”, “яркость трубки до и после прокачки образца - длина трубки”, по которым фиксируют температуру начала образования отложений как точку, соответствующую точке начала изменения яркости поверхности оценочной трубки, и рассчитывают величину, пропорциональную количеству отложений по площади области, ограниченной линиями зависимостей яркости трубки до прокачки образца и яркости трубки после прокачки испытуемого и эталонного топлив за точкой, характеризующей температуру начала образования отложений, согласно изобретению подвод образца осуществляют перпендикулярно к поверхности оценочной трубки с последующим изменением направления движения топлива и стабилизацией потока вдоль оценочной трубки, фиксируют точку начала стабилизации потока, которую принимают в качестве места установки первого по ходу потока датчика измерения температуры, задают максимальную температуру стенки оценочной трубки и время пребывания образца в зоне нагрева, прокачку образца осуществляют при отношении максимальной температуры стенки к времени пребывания в диапазоне 0,47-0,87°С/с, при этом за текущее значение температуры в заданных точках принимают температуру стенки оценочной трубки в этих точках, а температуру начала образования отложений (t_но) определяют из расчетной зависимости

где t_n-1 - температура стенки оценочной трубки на заданном режиме прокачки на расстоянии L_n-1 от точки начала отсчета, °С;

L_но - длина отрезка между точкой отсчета и точкой фиксации начала изменения сигнала яркости поверхности оценочной трубки по ее длине (чистой оценочной трубки и после прокачки образца), мм;

L_n-1 - длина отрезка между точкой отсчета и точкой расположения ближайшего к точке начала изменения яркости поверхности трубки датчика температуры, предшествующего (по ходу потока) точке начала изменения яркости поверхности, мм;

L_n - длина отрезка между точкой отсчета и точкой расположения ближайшего к точке начала изменения яркости поверхности трубки датчика температуры, следующего (по ходу потока) за точкой начала изменения яркости поверхности, мм;

Δt_n - разность температуры стенки оценочной трубки на заданном режиме прокачки в точках расположения термопар, находящихся на расстоянии от начала отсчета, соответственно, L_n-1 и L_n, °C.

На фиг.1 представлена блок-схема установки (как вариант), реализующая способ определения термоокислительной стабильности топлив. Эта установка условно названа ДТС-3 (ДТС - динамическая термоокислительная стабильность).

- фиг.2 - оценочная трубка;

- фиг.3 - штанга для крепления термопар;

- фиг.4 - графики зависимостей:

а - яркости чистой оценочной трубки по ее длине (J°=f(L));

b - яркости оценочной трубки по ее длине после прокачки испытуемого топлива (J=f(L));

с - яркости оценочной трубки по ее длине после прокачки эталона (J^эт=f(L));

d - температуры стенки по длине оценочной трубки на заданном режиме прокачки (t=f(L)).

Установка ДТС-3 включает расходный бак 1 объемом 1 л с крышкой 2, внутри которого находится образец топлива 3, фильтр 4 предварительной очистки топлива, размещенный в крышке 2 и закрытый крышкой 5, по оси которой выполнен штуцер 6. Внутри бака расположен поршень 7, связанный через шток 8, гайку 9, винт 10 и редуктор 11 с электродвигателем 12. Расходный бак 1 крепится на жестком корпусе 13, в котором помещены упомянутые элементы 8, 9, 10, 11 и 12. Электродвигатель 12 связан с задатчиком 14 его оборотов. Для отработанного топлива предусмотрен приемный бачок 15. Установка содержит герметичный корпус 16 с входным штуцером 17, который связан со штуцером 6 расходного бака 1 и обеспечивает перпендикулярный к оси оценочной трубки подвод топлива снизу. В верхней части герметичного корпуса 16 имеются штуцер 18 и штуцер 19. Внутри штуцера 19 расположен контрольный фильтр 20. Внутри корпуса 16 по его оси закреплена с кольцевым зазором относительно стенок корпуса оценочная трубка 21, которая содержит кольцевую насадку 22 с каналами, параллельными оси оценочной трубки 21. Кольцевая насадка 22 размещена над входным штуцером 17 и служит для выравнивания потока после его поворота. В корпусе 16 размещен ограничитель 23 положения оценочной трубки 21. Внутрь оценочной трубки при помощи гайки 24 (в верхней части) ввернута до упора штанга 25 для крепления термопар. На наружной поверхности оценочной трубки 21 нанесено шесть кольцевых рисок в местах контакта спаев термопар с внутренней поверхностью оценочной трубки 21. Первая по ходу потока риска нанесена на расстоянии 10% длины рабочего участка (L) оценочной трубки от внутреннего торца кольцевой насадки 22 (точка отсчета) до внутреннего торца ограничителя 23 положения оценочной трубки 21. Это расстояние выбрано исходя из результатов исследований. Они показали, что на расстоянии 0,1 L заканчивается стабилизация потока. Кроме того, на этом расстоянии не происходит образования отложений при испытаниях авиакеросинов, вырабатываемых по ГОСТ 10227. Другие риски распределены равномерно по длине оценочной трубки на расстоянии 0,17 L друг от друга (фиг.1, 2, 3). Штанга 25 представляет собой металлическую трубку с резьбовым выступом 26 на одном из ее концов для ввинчивания в гайку 24, На наружной стороне штанги 25 укреплены пружинки с шестью термопарами (спаями) 27, а внутри ее проложены провода от этих термопар. При этом обеспечивается совпадение положения спаев термопар на штанге 25 с соответствующими рисками на оценочной трубке 21.

Нагрев оценочной трубки 21 осуществляется путем включения силового трансформатора 28 с регулятором мощности 29. Соединенные с трансформатором 28 токопроводящие шины 30 закреплены на нижнем и верхнем концах оценочной трубки 21 вне корпуса 16. Штуцер 18 и штуцер 19 соединены байпасным трубопроводом, в котором установлен постоянно закрытый электроклапан 31. Датчик давления 32 и одно из плеч датчика перепада давления 33 подсоединены к трубопроводу между штуцерами 6 и 17, а другое плечо датчика 33 соединено с байпасным трубопроводом в точке между штуцером 19 и краном 34, служащим для поддержания заданного давления в магистралях установки от поршня 7 до крана 34. Кран 34 установлен на трубопроводе, соединяющем патрубок 19 с герметичным корпусом 16 и с бачком 15 приема отработанного топлива.

Управление работой установки (регистрацию параметров, поддержание заданного режима работы) осуществляют с помощью компьютера (на чертеже не показан).

Для пояснения реализации способа введены следующие условные обозначения:

L - длина рабочего участка оценочной трубки (расстояние от верхнего торца кольцевой насадки 22 для выравнивания потока с каналами, параллельными оси оценочной трубки, до нижнего торца ограничителя 23 ее положения в корпусе), мм;

L_k1...L_k6 - расстояние от верхней кромки кольцевой насадки 22 до очередной риски (точки контакта внутренней стенки оценочной трубки с очередным спаем термопары, к=1-6 - термопары), мм;

N - функциональная зависимость яркости настроечной поверхности (НП) по ее длине (от ее крайней точки до нижней кромки насадки 22), J°_нп=f(L_нп);

L_нп -значение координаты по настроечной поверхности, мм;

J°_нп -значение яркости по настроечной поверхности, мв;

R - функциональная зависимость яркости насадки 22 по ее высоте,

J°₂₂f=(L₂₂);

J°₂₂ - значение яркости по высоте насадки 22, мв;

L₂₂ - значение координаты по насадке 22, мм;

J° - значение яркости чистой оценочной трубки, мв;

а - функциональная зависимость яркости чистой оценочной трубки (до прокачки образца) по ее длине, J°=f(L);

J °- значение яркости оценочной трубки после прокачки образца, мв;

М - точка фиксации начала изменения зависимости яркости оценочной трубки b после прокачки образца относительно зависимости яркости чистой оценочной трубки а;

с - функциональная зависимость яркости оценочной трубки после прокачки эталона по ее длине, J^эт=f(L);

J - значение яркости оценочной трубки по ее длине после прокачки эталона, мв;

d - зависимость температуры стенки оценочной трубки (на заданном режиме прокачки образца) по ее длине, t=f(L);

t -температура стенки, измеренная к-й термопарой (27-1)-(27-6) °С;

S_т - площадь области, ограниченной линиями функциональных зависимостей а и b, мм² (эквивалент количества отложений продуктов термического окисления испытуемого топлива на оценочной трубке),

S_эт - площадь области на диаграмме, ограниченной линиями функциональных зависимостей а и с, мм² (эквивалент количества отложений продуктов термического окисления эталонного топлива на оценочной трубке).

Способ осуществляется следующим образом

Проводят подготовительные операции. Заполняют бак 1 испытуемым топливом 3 в количестве 800 см³ и герметизируют его крышкой 2. В этой крышке устанавливают фильтр 4 предварительной очистки и герметизируют его крышкой 5.

Чистую оценочную трубку 21 помещают в устройство для сканирования [3] яркости (не показано), представляющее собой жесткий каркас с 2-я посадочными центрами для горизонтального крепления оценочной трубки. Между центрами установлены горизонтальные направляющие, на которых подвижно закреплена каретка с лампочками подсветки и фотосопротивлением. Электродвигатель и редуктор могут осуществлять синхронное вращательное движение центров и поступательное движение каретки. Вдоль направляющих в крайнем положении установлена полированная настроечная поверхность (НП). Устройство сканирования яркости включает также записывающий автопотенциометр. Чистую оценочную трубку (до прокачки топлива) закрепляют параллельно направляющим и включают электропитание. Каретку устанавливают в крайнее положение над настроечной поверхностью. Фиксируют и при необходимости регулируют заданный для настроечной поверхности уровень сигнала яркости от фотосопротивления. Включают электродвигатель и осуществляют перемещение каретки вдоль настроечной поверхности (линия N на фиг.4). За настроечной поверхностью каретка фиксирует сигналы яркости от насадки 22 (линия R на фиг.4), а затем от поверхности чистой оценочной трубки (зависимость а на фиг.4) и от ограничителя 23 (линия Р на фиг. 4). На ленте автопотенциометра отображаются также сигналы от шести рисок, нанесенных на поверхности оценочной трубки в местах контактов спаев термопар с оценочной трубкой.

После получения на диаграмме зависимости а (фиг.4) оценочную трубку 21 извлекают из устройства сканирования и крепят в ее внутренней полости штангу 25 с размещенными на ней датчиками температуры (27-1)-(27-6). Крепление осуществляют ввинчиванием до предела в гайку 24 оценочной трубки 21 резьбового выступа 26 штанги 25. Оценочную трубку (в сборе) помещают в корпус 16 и герметизируют с помощью специальных прокладок и накидных гаек (без позиций). Устанавливают токопроводящие шины 30 по концам оценочной трубки 21. Топливный бак 1 и корпус 16 своими штуцерами 6 и 17 соединяют между собой трубопроводом, а штуцера 18 и 19 соответственно между собой, образуя байпас, и через кран 34 соединяют с приемным бачком 15. Подключают приборы контроля, включают двигатель 12 при открытом кране 34, устанавливают по задатчику оборотов 14 объемный расход топлива. В соответствии с принятой геометрией топливного канала и объемным расходом топлива:

d₁=1,2 см - наружный диаметр оценочной трубки;

d₁=1,6 см - внутренний диаметр корпуса, охватывающего оценочную трубку;

L=30 cм - длина рабочего участка оценочной трубки;

G=0,05 см³/с - объемный расход топлива;

π=3,14.

Время пребывания топлива в зоне нагрева равно:

- объем топливного канала.

Далее топливо 3 (фиг.1) вытесняется поршнем 7 из бака 1, проходит предварительную очистку на фильтре 4 и через штуцер 17 поступает к оценочной трубке 21, где осуществляется поворот потока на 90°, при котором происходит некоторая его турбулизация. Далее топливо попадает в каналы кольцевой насадки 22, где происходит выравнивание потока после его поворота. После протекания вдоль оценочной трубки 21 топливо попадает на контрольный фильтр 19 и через кран 34, которым устанавливают заданное давление (31-32) кГс/см², контролируемое с помощью датчика 32, оно поступает в приемный бачок 15.

Включают нагрев оценочной трубки. Регулятором 29 устанавливают температуру стенки у 5-й термопары, равную 260°С. Эта температура автоматически поддерживается постоянной в течение 3-х часов прокачки топлива. При этом фиксируют и другие температуры t₁-t₄, t₆. На основании измерения этих температур фиксируется температурная зависимость на заданном режиме (зависимость d на фиг.4). Из этой зависимости видно, что максимальная температура по длине оценочной трубки устанавливается у 5-й термопары. При этом значение соотношения t_max/τ_пр=260°C/520c=0,5°C/c входит в диапазон значений (0,47-0,87)°С/с, обеспечивающий разделение поверхности оценочной трубки на зоны с отложениями и без них, т.е. получение достоверных значений показателя t_но. В процессе прокачки топлива датчиком 33 фиксируют перепад давления на контрольном фильтре 20, а в случае его достижения значения 0,5 кПа (за время, меньшее 3 часа от момента достижения t₅=260°C) открывают электроклапан 31 и большая часть топлива перетекает через штуцер 18 по байпасному трубопроводу и далее через кран 34 в приемный бачок 15. Перепад давления, фиксируемый датчиком 33, падает до нуля. Через три часа испытания на заданном режиме нагрев оценочной трубки отключают, а еще через (10-15) минут (после охлаждения корпуса 16) прекращают прокачку топлива. Оценочную трубку 21 извлекают из корпуса 16 и отделяют от нее штангу 25, затем оценочную трубку промывают в изооктане, высушивают и помещают в сканирующее устройство для определения зависимости b (фиг.4). Для этого каретку устройства сканирования устанавливают в крайнее положение над настроечной поверхностью. При этом линию яркости от настроечной поверхности N (фиг.4) в крайней точке совмещают с пером автопотенциометра. Включают питание элементов каретки и при необходимости регулятором корректируют совпадение линии N с пером автопотенциометра. Включают привод движения каретки и вращения трубки. Осуществляется запись линий N, R и b (яркости после прокачки топлива) при наложении ее на запись линии а, а также линии Р. Правильность работы устройства сканирования яркости контролируется по совмещению мест и уровней сигналов от элементов N, R, Р, а также от шести рисок (мест расположения термопар 27). Точку расхождения линий яркостей а и b на диаграмме фиксируют визуально (точка М). Для определения координаты этой точки М измеряют расстояние L_но на диаграмме между сигналами яркости от внутренней (к рабочему участку трубки) кромки кольцевой насадки 22 (точки отсчета) до отмеченной точки расхождения 2-х линий яркостей (М). Для определения L_n-1 измеряют отрезок на абсциссе между сигналом яркости на диаграмме от точки отсчета и сигналом от риски, соответствующей ближайшему к точке М спаю датчика температуры, предшествующего (по ходу потока) точке М. Для определения L_n измеряют отрезок на абсциссе сигнала яркости от точки отсчета и сигнала от точки расположения ближайшего к точке М спая датчика температуры (за точкой М по ходу потока). Определяют значение температуры начала образования отложений по формуле

где t_n-1 -температура стенки оценочной трубки в точке L_n-1 (27-2) на заданном режиме (зависимость d),

Δt_n - разность температур стенки оценочной трубки в точках L_n и L_n-1 на заданном режиме (зависимость d, точки К₃-К₂).

Определяют также индекс термостабильности (ИТ) - величину, характеризующую относительное количество отложений на оценочной трубке, как отношение площади S_т, полученной после испытания образца топлива, к площади S_эт, полученной после специального испытания эталонного топлива (зависимость с на фиг.4):

ИТ = S_т/S_эт.

При этом чем выше ИТ, тем хуже ТОС образца.

Для обоснования заявленной совокупности существенных признаков изобретения были проведены специальные исследования, результаты которых приведены в табл. 1. В 1-й серии испытаний оценивалось влияние изменения температурного параметра по сравнению с прототипом (температуры стенки, вместо температуры топлива), изменение направления подвода топлива (перпендикулярного к оси оценочной трубки (вместо осевого) с последующим выравниванием потока). В табл. 1 для сравнения приведены значения t_но и ИТ, полученные в условиях (при геометрических и режимных параметрах) прототипа. Результаты, приведенные в табл. 1 свидетельствуют о том, что без выравнивания потока (серия 1, п.1, столбец 5, 11) при тангенциальном подводе топлива к оценочной трубке разделение ее поверхности на четкие зоны (с отложениями и без них) не происходит, тогда как при его выравнивании (п.3, столбец 5 и 11) такое разделение обеспечивается. Значение t_но при изменении температурного параметра (температура стенки вместо температуры топлива) также изменяется (от 172°С в прототипе (столбец 13) до 215°С в предлагаемом изобретении (столбец 11)). Последнее значение в большей степени согласуется с реальными результатами, получаемыми при использовании этой марки топлива на теплонапряженных авиадвигателях. Т.е. этот результат более достоверный, чем полученный в условиях прототипа.

Для обоснования геометрических и режимных параметров в способе были проведены испытания с изменением размеров топливного канала, режимов прокачки, максимальной температуры топлива, времени испытания (табл. 1). Из табл. 1 следует, что минимальное (наиболее вероятное) значение показателя t_но сохраняется постоянным в достаточно узком диапазоне значений отношения максимальной температуры стенки (t₅) к времени пребывания (τ_пр) топлива в зоне нагрева, равного (0,47-87)°С/с. При снижении и повышении этого отношения значение показателя t_но повышается, что снижает достоверность результата определения t_но (завышает ТОС топлива). Кроме того, за пределами этого диапазона значений отношения t₅/τ_пр точность определения показателя t_но, ухудшается в 3-4 раза.

Используя полученный при исследовании оптимальный диапазон значений отношения t₅/τ_пр. равный (0,47-0,87)°С/с, удалось уменьшить размер оценочной трубки с 600 до 300 мм, зазор топливного канала - с 4 до 2 мм, объемный расход топлива - с 0,305 до 0,05 см³/с, что привело к уменьшению количества образца, необходимого для испытания, габаритов установки, повышению максимальной температуры нагрева оценочной трубки. В результате в заявленном способе время испытания удалось уменьшить с 5 до 3 ч.

Таким образом, оптимальными параметрами установки для реализации способа являются:

длина оценочной трубки 300 мм;

зазор топливного канала 2 мм;

объемный расход топлива 0,05 см /с;

максимальная температура стенки оценочной трубки 260° С;

время испытания 3 часа.

При указанных параметрах проводили испытания разных марок и образцов авиакеросинов, выпускаемых в РФ по ГОСТ 10227 и ГОСТ 12308. Статистические данные по результатам испытаний приведены в табл. 2. Из этих результатов следует, что значения показателя t_но, полученные по заявленному способу на установке ДТС-3, выросли на 30-50°С по сравнению с результатами, полученными в условиях прототипа, и в большей степени соответствуют данным стендовых испытаний и эксплуатации авиадвигателей на соответствующих марках топлив. При этом значения показателя ИТ практически не меняются, что свидетельствует о сходном с прототипом механизме образований отложений.

В табл. 3 приведен порядок расчета показателей оценки ТОС - t_но и ИТ в заявленном способе и прототипе. Из результатов, приведенных в табл. 1, 2, 3, следует, что несмотря на существенное изменение параметров в заявленном способе (по сравнению с прототипом), значение показателя ИТ осталось практически без изменения. Повышение значения показателя t_но при этом обусловлено изменением места измерения температурного параметра.

В табл. 4 приведены результаты расчетов точности показателей t_но и ИТ, полученные методам ДТС-3 и ДТС-2 (прототип), для одного и того же образца авиакеросина. Из результатов, представленных в табл. 4, видно, что сходимость (r) значений показателей t_но и ИТ, полученных методом ДТС-3 в одной организации, и их воспроизводимость (R) - в разных организациях ниже (т.е. точность выше), чем аналогичные значения, рассчитанные для метода ДТС-2 (прототипа), что свидетельствует о более высокой точности метода ДТС-3. Повышение точности метода ДТС-3 по сравнению с методом ДТС-2 объясняется улучшением условий промывки корпуса установки вследствие отсутствия термопар в топливном канале, отсутствия необходимости обеспечения заданного расстояния (1,5±0,15) мм между спаем термопары и поверхностью оценочной трубки.

Перпендикулярный к оси оценочной трубки подвод образца в совокупности с последующим изменением его направления вдоль оценочной трубки в методе ДТС-3 и выравнивание потока позволили применить более надежный непосредственный ее нагрев от силового трансформатора (вместо внутреннего спирального нагревателя), расположить термопары на освободившееся место внутри оценочной трубки для измерения температуры ее стенки. Это позволило повысить достоверность определения t_но При этом разделение оценочной трубки на четкие зоны - с отложениями и без них - могут быть получены только при обеспечении выравнивания потока, а стабильное значение t_но - только при обеспечении соотношения t_max/τ_пр=(0,47-87)°С/с.

Применение изобретения позволит:

повысить достоверность показателя t_но (таблица 4);

повысить точность определения показателей t_но и ИТ (таблица 4);

снизить необходимое количество образца, габариты установки и время испытания (до 3 часов).

Источники информации:

1. ГОСТ 17751 - Топлива для реактивных двигателей. Метод определения термической стабильности в динамических условиях.

2. ASTM D3241 - Метод определения термоокислительной стабильности топлив для авиационных газотурбинных двигателей,

3. А.А. Гуреев, Е.П. Серегин, В.С. Азев. Квалификационные методы испытания нефтяных топлив. М.: Химия, 1984, с. 137-139 (прототип).

Изобретение относится к лабораторным методам оценки эксплуатационных свойств моторных топлив, в частности к способам определения термоокислительной стабильности (ТОС) топлив в динамических условиях, и может быть использовано в нефтехимической, авиационной и других отраслях промышленности. Способ определения ТОС топлив по температуре начала образования отложений и количеству отложений на нагреваемой оценочной трубке, помещенной в герметичный корпус, включает прокачку вдоль наружной поверхности оценочной трубки эталонного и испытуемого топлив, измерение по ее длине сигналов яркости от внешней поверхности оценочной трубки до и после прокачки образца, измерении текущих значений температуры в заданных точках с последующей регистрацией зависимостей “температура – длина трубки”, “яркость трубки до и после прокачки образца – длина трубки”, по которым фиксируют температуру начала образования отложений как точку, соответствующую точке начала изменения яркости поверхности оценочной трубки, и рассчитывают величину, пропорциональную количеству отложений по площади области, ограниченной линиями зависимостей яркости трубки до прокачки образца и яркости трубки после прокачки испытуемого и эталонного топлив за точкой, характеризующей температуру начала образования отложений, при этом подвод образца осуществляют перпендикулярно к поверхности оценочной трубки с последующим изменением направления движения топлива и стабилизацией потока вдоль оценочной трубки, фиксируют точку начала стабилизации потока, которую принимают в качестве места установки первого по ходу потока датчика измерения температуры, задают максимальную температуру стенки оценочной трубки и время пребывания образца в зоне нагрева, прокачку образца осуществляют при отношении максимальной температуры стенки к времени пребывания в диапазоне 0,47-0,87°С/с, при этом за текущее значение температуры в заданных точках принимают температуру стенки оценочной трубки в этих точках и температуру начала образования отложений (t_но) определяют из расчетной зависимости. Достигается повышение точности и достоверности определения термоокислительной стабильности топлив, снижения количества образца топлива, необходимого для испытания. 4 табл., 4 ил.

Способ определения термоокислительной стабильности топлив по температуре начала образования отложений и количеству отложений на нагреваемой оценочной трубке, помещенной в герметичный корпус, включающий прокачку вдоль наружной поверхности оценочной трубки эталонного и испытуемого топлив, измерение по ее длине сигналов яркости от внешней поверхности оценочной трубки до и после прокачки образца, измерение текущих значений температуры в заданных точках с последующей регистрацией зависимостей “температура - длина трубки”, “яркость трубки до и после прокачки образца - длина трубки”, по которым фиксируют температуру начала образования отложений как точку, соответствующую точке начала изменения яркости поверхности оценочной трубки, и рассчитывают величину, пропорциональную количеству отложений по площади области, ограниченной линиями зависимостей яркости трубки до прокачки образца и яркости трубки после прокачки испытуемого и эталонного топлив за точкой, характеризующей температуру начала образования отложений, отличающийся тем, что подвод образца осуществляют перпендикулярно поверхности оценочной трубки с последующим изменением направления движения топлива и стабилизацией потока вдоль оценочной трубки, фиксируют точку начала стабилизации потока, которую принимают в качестве места установки первого по ходу потока датчика измерения температуры, задают максимальную температуру стенки оценочной трубки и время пребывания образца в зоне нагрева, прокачку образца осуществляют при отношении максимальной температуры стенки к времени пребывания в диапазоне 0,47-0,87°С/с; при этом за текущее значение температуры в заданных точках принимают температуру стенки оценочной трубки в этих точках, а температуру начала образования отложений (t_но) определяют по следующей зависимости:

где t_n-1 - температура стенки оценочной трубки на заданном режиме прокачки на расстоянии L_n-1 от точки начала отсчета, °С;

L_но - длина отрезка между точкой отсчета и точкой фиксации начала изменения сигнала яркости поверхности оценочной трубки по ее длине после прокачки образца, мм;

L_n-1 - длина отрезка между точкой отсчета и точкой расположения ближайшего к точке начала изменения яркости поверхности трубки датчика температуры, предшествующего по ходу потока точке начала изменения яркости поверхности, мм;

L_n - длина отрезка между точкой отсчета и точкой расположения ближайшего к точке начала изменения яркости поверхности трубки датчика температуры, следующего по ходу потока за точкой начала изменения яркости поверхности, мм;

Δt - разность температур стенки оценочной трубки на заданном режиме прокачки в точках расположения термопар, находящихся на расстояниях от начала отсчета соответственно l_n-1 и L_n, °C.