УЛУЧШАЮЩАЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАШИН ЖИДКАЯ ПРИСАДКА, УГЛЕВОДОРОДНАЯ ЖИДКОСТЬ НА ОСНОВЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМАЯ В МАШИНАХ, И ЖИДКОЕ УГЛЕВОДОРОДНОЕ ГОРЮЧЕЕ Российский патент 2009 года по МПК C10L1/16 

Изобретение относится к области нефтехимии и касается улучшающей эксплуатационные энергетические характеристики машин жидкой присадки к углеводородной жидкости и углеводородной жидкости на основе нефтепродуктов, используемой в машинах преимущественно с тепло- и/или энергонапряженными гидравлическими трактами в условиях эксплуатации, при нагреве и/или сжигании, в том числе в реактивных двигателях.

Изобретение касается как собственно углеводородной жидкости, так и углеводородной жидкости как углеводородного топлива или углеводородного горючего.

Понятие «углеводородная жидкость» описывает нефтепродукты в широком смысле. Углеводородная жидкость движется (течет) по трубопроводам, трубам и т.д., включая гидравлический тракт топливной системы, в том числе внутри агрегатов, устройств и т.д.

Понятие «жидкое углеводородное топливо» описывает углеводородную жидкость, но предназначенную для сжигания с получением тепла.

Понятие «жидкое углеводородное горючее» описывает углеводородную жидкость, но предназначенную для сгорания с получением тяги, движения, в том числе в ЖРД - жидкостном ракетном двигателе.

Известно введение полимерных присадок различного назначения к углеводородным жидкостям, к топливам или маслам, для улучшения их эксплуатационных свойств.

Известна присадка к топливам, используемым в двигателях внутреннего сгорания, содержащая, мас.%: алифатический спирт С₃-С₄ 5-15; полиэтиленполипропиленгликоль с мол.м. 3000-4000 5-15; N-(диэтиламинометил)бензотриазол 2-10; углеводородная фракция, выкипающая в интервале 160-350°С - остальное. Использование топлива с присадкой в двигателях внутреннего сгорания позволяет снизить токсичность выбросов в окружающую среду от автомобилей, повысить безопасность при наливе и транспортировке топлив (заявка РФ №94039648, 1996.11.20).

Известны депрессорные присадки для снижения гидравлического сопротивления при ламинарном течении, содержащие низкомолекулярные сополимеры (РФ №2171818, МКИ C08F 8/50, оп. 2001).

Известны противотурбулентные присадки, содержащие гидродинамически активный полимер, обеспечивающие гашение возникающей при транспортировке нефти турбулентности (РФ №2004132562, приор. 10.11. 2004).

Известен состав, содержащий полиальфаолефиновые агенты, снижающие сопротивление течению (патент РФ №2193569), в котором состав агента для снижения сопротивления течению, определяемый как состав, который уменьшает потери энергии на трение при протекании веществ по проводящим каналам, содержит жидкий полиальфаолефин с характеристической вязкостью не менее 10 дл/г, полимеризованный в жидкофазной полимеризационной смеси, и гидрофобный диспергатор, который вводится в жидкофазную полимеризационную смесь во время полимеризации, причем гидрофобный диспергатор определяется как диспергатор, неспособный растворяться в воде.

Известен агент снижения гидродинамического сопротивления углеводородных жидкостей (патент РФ №2171817), который получают сополимеризацией высших альфаолефинов в среде углеводородного растворителя, в качестве альфаолефинов используют индивидуальные альфаолефины от С₆ до С₁₂ или смесь двух или боле альфаолефинов С₄-С₁₄. Использование индивидуальных альфаолефинов с числом атомов менее 6 ведет к образованию кристаллических гомополимеров, ограниченно растворимых в углеводородных растворителях (осадок при стоянии в растворах гептана и керосина) и имеющих более низкую характеристическую вязкость.

Известно жидкое углеводородное топливо с добавкой растворимого в нем неполярного полимера с целью воздействия на вязкость и уменьшения разбрызгивания топлива при ударе. Применен полимер с молекулярным весом более 10⁶ и характеристической вязкостью более 2,5 дл/г, например полиизобутилен или сополимер этилена и пропилена, в такой концентрации, при которой молекулы частично перекрывают друг друга. Неполярный полимер вводят в количестве 0,1-2 вес.%. Молекулярный вес полимера должен быть более 10⁶ для минимального влияния на другие свойства жидкости и уменьшения разбрызгивания в наиболее широких пределах ударных условий. Для углеводородных полимеров этот низший предельный молекулярный вес соответствует характеристической вязкости 2,5 дл/г, определяемой в углеводородной жидкости, в которой полимер растворяют при 25°С (патент СССР №446973).

В известном изобретении введение неполярного полимера, в том числе твердого высокомолекулярного полиизобутилена, в жидкое углеводородное топливо применено для уменьшения разбрызгивания топлива за счет увеличения вязкости сдвига.

Уменьшение разбрызгивания (распыла), в частности, в форсунках, например, жидкостного реактивного двигателя может привести к нарушению смесеобразования и возникновению высокочастотных пульсаций в камере сгорания, а следовательно, к ухудшению эксплуатационных энергетических характеристик двигателя (машины).

Под «машиной» здесь и далее понимается механизм или сочетание механизмов, осуществляющий преобразование энергии.

Преимущественно к машинам относятся различные двигательные установки, двигатели, в том числе авиационные турбореактивные и жидкостные ракетные, насосы различных типов и т.п.

Под трактом понимается тракт движения углеводородной жидкости (горючего, топлива) в целом - перекачка от исходного магистрального трубопровода, трубопроводов, насосов и т.п. до установок и агрегатов, где топливо используется по назначению.

Для оценки характеристик машин традиционно используют такие характеристики как коэффициент полезного действия, в основном здесь для двигателей, напор для насосов, или гидравлические потери и, обобщаемые термином «эксплуатационные энергетические характеристики».

Известные полимерные добавки (присадки, агенты, составы), увеличивая вязкость или снижая гидродинамическое сопротивление, или гася турбулентность, в случае использования их в условиях эксплуатации в машинах уменьшают конвективный теплообмен в несколько раз.

Столь значительное уменьшение известными полимерными добавками конвективного теплообмена является неблагоприятным фактором, препятствующим использованию жидкого углеводородного топлива или жидкого углеводородного горючего с полимерными добавками в теплонапряженных энергоустановках, особенно в охлаждающих трактах авиационных, реактивных двигателей и установок, в которых углеводородная жидкость (горючее) отводит тепло от более нагретых поверхностей.

Кроме того, известные добавки для снижения гидравлического сопротивления, улучшая характеристики углеводородной жидкости (топлива, горючего) на одном участке тракта, одновременно могут привести к непригодности его использования на этом и/или последующем участке. Например, добавка, снижающая гидравлическое сопротивление углеводородной жидкости и уменьшающая потери энергии на трение при протекании углеводородной жидкости по проводящим каналам (начальному участку тракта), не позволяет использовать эту углеводородную жидкость на последующем участке тракта - в топливных агрегатах с теплонапряженными участками - из-за снижения добавкой конвективного теплообмена углеводородной жидкости иногда в несколько раз, так как снижение конвективного теплообмена, в частности в жидкостном реактивном двигателе, может вести к аварийным ситуациям из-за прогара топливной системы.

Все известные присадки улучшают какое-либо свойство углеводородной жидкости в узком диапазоне эксплуатационных параметров и не предназначены для улучшения энергетических характеристик машин в целом, в реальном эксплуатационном диапазоне температур современной техники.

Улучшающие эксплуатационные энергетические характеристики машин присадки и углеводородные жидкости на основе нефтепродуктов, используемые в машинах, с присадками, влияющими на улучшение эксплуатационных энергетических характеристик машин (коэффициент полезного действия, напор и т.п.) и тракта в целом, которые могут быть использованы в машинах с тепло- и/или энергонапряженными гидравлическими трактами в условиях эксплуатации при нагреве и/или сжигании, в известных технических решениях (в известном уровне техники) отсутствуют.

В основу изобретения положена задача создания улучшающей эксплуатационные энергетические характеристики машин жидкой присадки к углеводородной жидкости и углеводородной жидкости на основе нефтепродуктов и используемой в машинах преимущественно с тепло- и/или энергонапряженными гидравлическими трактами в условиях эксплуатации, при нагреве и/или сжигании. Задачей изобретения является также создание углеводородной жидкости на основе керосина для реактивных двигателей, улучшающей их эксплуатационные энергетические характеристики.

Задача связана с тем, что создание современной техники требует обеспечения больших напоров и минимальных массы и габаритов, высоких антикавитационных качеств, высокой экономичности и ресурса, что является «противоречивыми» требованиями, в значительной мере определяемыми рядом различных свойств углеводородной жидкости, так, например, напор и кпд насоса определяются вязкостью, антикавитационные качества зависят от давления насыщенных паров и т.д.

Кроме того, при эксплуатации современной техники транспортировка углеводородной жидкости может осуществляться в широком диапазоне температур и скоростей течения. Например, значительная часть ракет-носителей в настоящее время оснащены двигателями, в которых применяются жидкие углеводородные ракетные горючие. При подаче жидкого углеводородного горючего из бака в камеру сгорания скорость течения изменяется от 3-5 м/с во входных магистралях до 200-250 м/с в межлопаточных каналах насосов агрегатов подачи, а температура жидкого углеводородного горючего изменяется от -40 до 200°С, при этом температура горячей охлаждаемой стенки может достигать 400°С и более. В топливных баках самолетов топливо интенсивно охлаждается до -50°С, а в топливоподающей системе оно, наоборот, нагревается до 150-250°С.

Поэтому решение задачи направлено на изменение свойств углеводородной жидкости, которое улучшает энергетическую эффективность машин в целом и проявляется в техническом результате как улучшение эксплуатационных энергетических характеристик, таких как кпд двигателя, напор насоса и т.п.

Технический результат - улучшение эксплуатационных энергетических характеристик машин: коэффициента полезного действия двигателей, напоров насосов и т.д.

Поставленная задача решается улучшающей эксплуатационные энергетические характеристики машин жидкой присадкой к углеводородной жидкости на основе нефтепродуктов и используемой в машинах преимущественно с тепло- и/или энергонапряженными гидравлическими трактами в условиях эксплуатации, при нагреве и/или сжигании, содержащей раствор углеводородной жидкости и высокомолекулярного полиизобутилена, имеющего молекулярную массу от примерно 3,7·10⁶ до примерно 4,9·10⁶.

Целесообразно, чтобы улучшающая эксплуатационные энергетические характеристики машин жидкая присадка содержала бы высокомолекулярный полиизобутилен в количестве до получения уровня предельной растворимости высокомолекулярного полиизобутилена в углеводородной жидкости.

Поставленная задача решается также тем, что углеводородная жидкость на основе нефтепродуктов и используемая в машинах преимущественно с тепло- и/или энергонапряженными гидравлическими трактами в условиях эксплуатации, при нагреве и(/или) сжигании, содержит жидкую присадку, содержащую раствор углеводородной жидкости и высокомолекулярного полиизобутилена, имеющего молекулярную массу от примерно 3,7·10⁶ до примерно 4,9·10⁶, в количестве, достаточном для усовершенствования эксплуатационных энергетических характеристик машин.

Целесообразно, чтобы углеводородная жидкость содержала жидкую присадку в количестве, обеспечивающим концентрацию высокомолекулярного полиизобутилена в углеводородной жидкости от 0,015 до 0,095 мас.%.

Углеводородная жидкость может содержать жидкую присадку, имеющую раствор на идентичной углеводородной жидкости.

Поставленная задача решается также тем, что жидкое углеводородное горючее для реактивных двигателей дополнительно содержит улучшающую эксплуатационные энергетические характеристики двигателей жидкую присадку, содержащую раствор керосина и высокомолекулярного полиизобутилена, имеющего молекулярную массу от примерно 3,7·10⁶ до примерно 4,9·10⁶, в количестве, обеспечивающем концентрацию высокомолекулярного полиизобутилена в жидком углеводородном горючем от 0,015 до 0,095 мас.%.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и прилагаемыми чертежами.

Фиг.1 - графики растворимости высокомолекулярного полиизобутилена в углеводородной жидкости в зависимости от продолжительности растворения (времени растворения) и температуры.

Фиг.2 - графики зависимости коэффициента гидродинамического сопротивления трения λ от числа Рейнольдса при течении в трубопроводе углеводородной жидкости с жидкой присадкой согласно изобретению и собственно углеводородной жидкости для сравнения.

Фиг.3а - графики зависимости начальной температуры стенки трубы от теплового потока через стенку при течении по трубе нагретой углеводородной жидкости с жидкой присадкой согласно изобретению и нагретой собственно углеводородной жидкости для сравнения.

Фиг.3в - графики зависимости прироста температуры стенки трубы за 10 мин от начальной температуры стенки трубы при течении по трубе нагретой углеводородной жидкости с жидкой присадкой согласно изобретению и нагретой собственно углеводородной жидкости для сравнения.

Фиг.4а и 4в - графики эксплуатационных энергетических характеристик модельного высокоскоростного шнекоцентробежного насоса - напора Н и коэффициента полезного действия η (соответственно) - в зависимости от расхода углеводородной жидкости с жидкой присадкой согласно изобретению и собственно углеводородной жидкости для иллюстрации улучшения эксплуатационных энергетических характеристик машин согласно изобретению.

Фиг.5 - графики эксплуатационных энергетических характеристик бустерного осевого турбонасосного агрегата жидкостного реактивного двигателя - напорные характеристики (Н/n²)_БН при работе с углеводородной жидкостью с жидкой присадкой согласно изобретению концентрации 0,05% и собственно углеводородной жидкостью, для иллюстрации улучшения эксплуатационных энергетических характеристик машин.

Фиг.6 и 7 - напорные характеристики первой H₁ и второй ступеней Н₂ (соответственно) шнекоцентробежного насоса жидкостного реактивного двигателя при работе с углеводородной жидкостью с жидкой присадкой согласно изобретению концентрации 0,05% и собственно углеводородной жидкостью для иллюстрации улучшения эксплуатационных энергетических характеристик машин.

Фиг.8 - графики зависимости изменения потери давления Δр_охл гидравлического тракта регенеративного охлаждения жидкостного реактивного двигателя в зависимости от расхода углеводородной жидкости с жидкой присадкой согласно изобретению и собственно углеводородной жидкости для иллюстрации улучшения эксплуатационных энергетических характеристик машин согласно изобретению.

Фиг.9 - графики, иллюстрирующие улучшение эксплуатационных энергетических характеристик агрегатов в гидравлическом тракте жидкостного реактивного двигателя в зависимости от содержания высокомолекулярного полиизобутилена в жидком углеводородном горючем.

Жидкую присадку согласно изобретению готовят следующим образом.

Высокомолекулярный полиизобутилен молекулярной массой от примерно 3,7·10⁶ до примерно 4,9·10⁶ мелко измельчили, поместили в емкость и полностью покрыли углеводородной жидкостью. Емкость снабжена устройством вращения и системой подогрева. Температуру раствора контролировали термометром. Полученный раствор, который является жидкой присадкой согласно изобретению, сливали из емкости в отдельную тару.

При растворении высокомолекулярного полиизобутилена его концентрация и время, требуемое для полного растворения, увеличиваются неравномерно, в зависимости от величины концентрации высокомолекулярного полиизобутилена в растворе и от омывания его углеводородной жидкостью. Графики растворимости высокомолекулярного полиизобутилена в углеводородной жидкости в зависимости от продолжительности растворения (времени растворения) и температуры приведены на фиг.1. По оси абсцисс в качестве единицы времени выбрана «рабочая смена», и не принималось во внимание время, когда устройство вращения и система подогрева были отключены. Это оправдано тем, что интенсивность растворения в промежутки растворения, когда высокомолекулярный полиизобутилен не омывается и не подогревается, резко уменьшается. В качестве углеводородной жидкости применяли керосин, авиационный бензин, дизельное топливо, жидкое реактивное топливо.

Процесс растворения, по сути, массоперенос, осуществляющийся посредством диффузии, описываемый законом Фика. В силу этого увеличение концентрации при растворении высокомолекулярного полиизобутилена описывается показательной функцией, т.е. достигается раствор, который содержит высокомолекулярный полиизобутилен на уровне предельной растворимости.

При образовании раствора сначала происходит набухание высокомолекулярного полиизобутилена, т.е. углеводородная жидкость «растворяется» в высокомолекулярном полиизобутилене, а затем происходит образование раствора углеводородной жидкости и высокомолекулярного полиизобутилена.

Полученную жидкую присадку хранили до 1 года в широком диапазоне температуры хранения (от -70 до 40°С).

Жидкая присадка при хранении была однородна, стабильна, без расслоения и выпадения осадка, в том числе при изменениях окружающей температуры и давления.

Как видно из фиг.1, время получения жидкой присадки согласно изобретению с достижением уровня предельной растворимости составляет около 30 рабочих смен.

Чтобы создать запасы жидкой присадки в количестве, достаточном для промышленного использования, жидкую присадку согласно изобретению готовили порциями, которые последовательно сливали в одну емкость.

Жидкая присадка при хранении была однородна, стабильна, без расслоения и выпадения осадка, в том числе при изменениях окружающей температуры и давления.

Углеводородную жидкость согласно изобретению готовили следующим образом.

В углеводородную жидкость добавляли жидкую присадку, полученную согласно изобретению, в количестве, достаточном для усовершенствования эксплуатационных энергетических характеристик машин.

Наиболее целесообразно, чтобы содержание высокомолекулярного полиизобутилена составляло от 0,015 до 0,095 мас.%.

Жидкая присадка согласно изобретению однородно и быстро растворяется в углеводородной жидкости.

Полученная углеводородная жидкость представляет собой сильно разбавленный раствор высокомолекулярного полиизобутилена.

В качестве углеводородной жидкости использовали керосин, авиационный бензин, дизельное топливо, жидкое реактивное топливо.

В углеводородную жидкость добавляли жидкую присадку, имеющую раствор на собственной углеводородной жидкости и на идентичной углеводородной жидкости.

Концентрация уровня предельной растворимости также позволяет минимизировать количество углеводородной жидкости присадки в собственно углеводородной жидкости (топливе, горючем).

Углеводородную жидкость согласно изобретению проверяли на стабильность при длительном хранении до 1 года в широком диапазоне температуры хранения (от -70°С до 40°С).

Углеводородная жидкость имела стабильность при всем времени хранения в диапазоне температур от -70 до 40°С.

Специальные химические исследования показали, что жидкая присадка не ухудшает стандартизированных показателей качества углеводородной жидкости, в том числе жидкого углеводородного горючего, например, для реактивных двигателей большой тяги, и что свойства углеводородной жидкости с жидкой присадкой сохраняют стабильность при длительном хранении до трех месяцев и в диапазоне температур, предусмотренном техническим заданием на реактивные двигатели большой тяги.

Полученную углеводородную жидкость согласно изобретению исследовали в лабораторных условиях, в экспериментах, направленных на изучение коэффициента сопротивления трения λ и конвективного теплообмена в условиях теплонапряженных гидравлических трактов.

Лабораторные эксперименты, касающиеся коэффициента сопротивления трения λ, проводились на специальной установке на участке стального трубопровода диаметром 4,2 мм, длиной 800 мм.

Эксперименты осуществляли путем проливки участка стального трубопровода углеводородной жидкостью, содержащей жидкую присадку согласно изобретению с концентрацией высокомолекулярного полиизобутилена от 0,011 до 0,05 мас.% и той же углеводородной жидкостью без присадки в одинаковых условиях при температуре от -45°С до 14°С и измерении коэффициента гидродинамического сопротивления трения λ.

Полученные результаты представлены на фиг.2 в виде графиков зависимости коэффициента гидродинамического сопротивления трения λ от числа Рейнольдса.

Результаты, полученные при течении в трубопроводе углеводородной жидкости - керосина с жидкой присадкой согласно изобретению - нанесены ромбами, и скоррелированы сплошной линией 1, результаты, полученные при течении в трубопроводе собственно керосина для сравнения, нанесенные прямоугольниками, также скоррелированы сплошной линией. 2.

Из представленных результатов видно, что добавление жидкой присадки смещает линию 2 на меньшие значения коэффициента сопротивления, коэффициент сопротивления уменьшается примерно на 40-70%, в зависимости от числа Рейнольдса. Добавление жидкой присадки снизило коэффициент сопротивления, что говорит о том, что добавление жидкой присадки согласно изобретению к углеводородной жидкости уменьшает турбулентность потока.

Лабораторные эксперименты, касающиеся конвективного теплообмена, проводили на теплообменной установке с кольцевым трактом, в котором внутренняя поверхность нагревалась электричеством до температур 230-600°С и охлаждалась потоком углеводородной жидкости.

Эквивалентный диаметр охлаждающего тракта составлял 3,9 мм, скорость потока 10 м/с, давление на входе 8 МПа, число Рейнольдса по входному сечению Re=6,8·10³.

В качестве углеводородной жидкости использовали керосин, содержащий жидкую присадку в количестве, обеспечивающим содержание высокомолекулярного полиизобутилена от 0,05 до 0,1 мас.%.

Полученные результаты представлены на фиг.3а в виде графиков зависимости начальной температуры стенки трубы от теплового потока при течении по трубе нагретой углеводородной жидкости с жидкой присадкой согласно изобретению и нагретой собственно углеводородной жидкости для сравнения и на фиг.3в в виде графиков зависимости прироста температуры стенки трубы за 10 мин от начальной температуры стенки трубы при течении по трубе нагретой углеводородной жидкости с жидкой присадкой согласно изобретению и нагретой собственно углеводородной жидкости для сравнения.

Температура стенки определялась на установившемся режиме через 1 мин и через 10 мин после включения установки. Диапазон измеренных тепловых параметров для собственно углеводородной жидкости обозначен на фиг.3а и Зв сплошными линиями, а измеренные тепловые параметры для углеводородной жидкости с жидкой присадкой обозначены кружками.

Из полученных результатов видно, что тепловые параметры для углеводородной жидкости с жидкой присадкой лежат внутри диапазона для углеводородной жидкости. Эксперименты на теплообменной установке не обнаружили ухудшения охлаждающей способности углеводородной жидкости в диапазоне температур охлаждаемой стенки 230-600°С.

Это говорит о том, что добавление жидкой присадки, уменьшающей турбулентность потока, согласно вышеприведенным результатам, касающимся коэффициента гидродинамического сопротивления трения λ, не привело к ожидаемому ухудшению тепловых параметров (увеличению температуры стенки и снижению конвективного теплообмена).

Это является, в частности, следствием деструкции высокомолекулярного полиизобутилена, которая представляет собой разрыв химической связи между атомами в главной цепи макромолекулы полимера. Разрыв химической связи происходит из-за напряжений, возникающих вдоль главной цепи макромолекулы вследствие совместного и одновременного воздействия гидродинамических сил, определяемых степенью турбулизации жидкости, и сил, вызванных тепловыми флуктуациями, определяемыми интенсивностью теплового потока от стенки.

Открытый эффект позволил применить углеводородную жидкость с жидкой присадкой согласно изобретению в натурных экспериментах в машинах - гидравлическом тракте двигателя, ряде ступеней насоса и т.п., в ходе которых был получен дополнительно неочевидный эффект изменения свойств углеводородной жидкости, что вкупе проявилось как улучшение энергетической эффективности и проявилось в техническом результате как улучшение эксплуатационных энергетических характеристик, таких как кпд двигателя, напор насоса и т.п.

Полученные данные, подтверждающие получение технического результата, представлены на фиг.4-9 и в таблице. Фиг.4а и 4в касаются экспериментов, проведенных автономно на отдельном агрегате (машине), а фиг.5-9 и таблица содержат данные натурных экспериментов, осуществленных в реактивном двигателе, имеющем гидравлический тракт, содержащий в том числе участки трубопроводов, насосы, участки с теплообменом и т.п., работающие совместно, условно далее называемые элементы.

При осуществлении автономных экспериментов в качестве углеводородной жидкости использовали керосин. Жидкую присадку согласно изобретению добавляли в количестве, чтобы количество высокомолекулярного полиизобутилена составляло от 0,012 до 0,056 мас.%.

На фиг.4а приведены напорная и на фиг.4в кпд - характеристики модельного высокооборотного шнекоцентробежного насоса при работе с углеводородной жидкостью с жидкой присадкой согласно изобретению разных концентраций и собственно углеводородной жидкостью (без жидкой присадки).

Число Рейнольдса для лопастных насосов Re=D₂·ω/ν≅1,4·10⁸, здесь и далее D₂ - наружный диаметр рабочего колеса, м; ω - частота вращения вала рабочего колеса, с^-1; ν - кинематическая вязкость перекачиваемой жидкости, Ст.

Автономные испытания показали, что использование углеводородной жидкости с жидкой присадкой согласно изобретению увеличило напор насоса на 7%, а кпд насоса - на 15% (при концентрации 0,056 мас.%) относительно значений напора и кпд при использовании углеводородной жидкости без жидкой присадки.

Одновременно отмечено улучшение антикавитационных качеств насоса.

Из представленных данных видно, что с ростом концентрации полимера в углеводородной жидкости имеет место увеличение напора и кпд насоса, а также расширение диапазона по расходу безкавитационной работы насоса. Соответствющее этому максимальное снижение величины срывного кавитационного запаса насоса (при концентрации 0,056%), по сравнению с чистой жидкостью, составляет приблизительно 25%.

При натурных экспериментах, осуществленных в реактивном двигателе, в гидравлический тракт двигателя заливали жидкое углеводородное горючее для реактивных двигателей с жидкой присадкой согласно изобретению, концентрация высокомолекулярного полиизобутилена 0,005, 0,020, 0,050, 0,080 и 0,095 мас.%.

Гидравлический тракт двигателя по линии реактивного горючего от расходных баков до смесительной головки камеры сгорания включал в себя последовательно бустерный насосный агрегат, состоящий из шнекового насоса и осевой гидротурбины, основного двухступенчатого центробежного насоса с предвключенным шнеком, регулирующего дросселя и тракта регенеративного охлаждения камеры.

На фиг.5 для примера приведены напорные характеристики бустерного осевого турбонасосного агрегата жидкостного реактивного двигателя тяжелого класса - напорные характеристики (Н/n²)_БН при работе с углеводородной жидкостью с жидкой присадкой согласно изобретению концентрации 0,05% и собственно углеводородной жидкостью (без жидкой присадки). Увеличение напора при работе с углеводородной жидкостью с жидкой присадкой согласно изобретению подтверждается адекватным измерением давления ДГАБ в полости автозагрузочного устройства осевого турбонасосного агрегата. Число Рейнольдса Re≅4·10⁷.

На фиг.6 и 7 для примера приведены напорные характеристики первой H₁ и второй Н₂ ступеней (соответственно) шнекоцентробежного насоса реактивного двигателя тяжелого класса при работе с углеводородной жидкостью с жидкой присадкой согласно изобретению концентрации 0,05% и собственно углеводородной жидкостью. Число Рейнольдса Re≅1,6·10⁸.

Результаты измерений потери давления гидравлического тракта регенеративного охлаждения Δр_охл реактивного двигателя (фиг.8) при течении керосина с жидкой присадкой (концентрация высокомолекулярного полиизобутилена 0,05%) согласно изобретению нанесены черными кружками и скоррелированы сплошной линией 1, результаты, полученные при течении собственно керосина, для сравнения нанесенные более светлыми кружками, и также скоррелированы сплошной линией 2.

Из представленных результатов видно, что добавление жидкой присадки смещает линию 2 на меньшие значения потери давления. Потеря давления, т.е. гидропотери гидравлического тракта, уменьшилась примерно на 20%.

Влияние жидкой присадки определялось путем сравнения полученных параметров с параметрами, полученными в том же двигателе на том же жидком углеводородном горючем без присадки. Полученные результаты представлены на фиг.9 и в таблице в относительном виде:

где A_ci - значения параметров Δр_охл, (Н/n²)_БН,

H₁, Н₂,, η_Г1 при работе двигателя на керосине с высокомолекулярным

полиизобутиленом концентраций С₁, С₂...C_i.

Здесь η_Г1 - кпд первой ступени шнекоцентробежного насоса.

A₀ - значения этих же параметров при работе двигателя на штатном жидком углеводородном горючем.

В таблице представлены величины максимальных приростов параметров и соответствующие им величины оптимальных концентраций С_опт.

Полученные результаты показывают, что кпд насосов увеличился на 12-15%.

В ходе натурных экспериментов было установлено, что для усовершенствования эксплуатационных энергетических характеристик жидкое углеводородное горючее должно содержать жидкую присадку согласно изобретению в таком количестве, чтобы концентрация высокомолекулярного полиизобутилена в ней составляла от 0,005 до 0,095 мас.%.

Механизм действия жидкой присадки окончательно не установлен. Однако можно сказать следующее.

Молекулы высокомолекулярного полиизобутилена имеют линейную структуру и большую молекулярную массу.

Углеводородная жидкость с жидкой присадкой представляет собой разбавленный раствор, в котором растворенные молекулы, свернутые в клубок, друг с другом не взаимодействуют. При турбулентном течении около стенки под гидродинамическим воздействием потока молекулярные клубки разворачиваются и ориентируются вдоль по потоку. При этом они препятствуют турбулентному поперечному переносу импульса и массы, который имеет место в пристенной зоне в виде микроструй. Происходит диссипация энергии этих микроструй, что обуславливает снижение турбулентного трения. В случае кавитации большая инерционность молекул высокомолекулярного полиизобутилена, окружающих кавитационный пузырек, задерживает его рост и схлопывание, что обуславливает задержку кавитации в потоке.

По результатам натурных испытаний эксплуатируемого ЖРД тяжелого класса с жидкой присадкой в жидком углеводородном горючем согласно изобретению установлено отсутствие влияния добавки полимера на теплосъем в тракте регенеративного охлаждения камеры, определяемый как произведение секундного расхода через тракт регенеративного охлаждения на величину подогрева жидкости в тракте регенеративного охлаждения. Это свойство является следствием деструкции полиизобутилена, которая представляет собой разрыв химической связи между атомами в главной цепи макромолекулы полимера. Разрыв химической связи происходит из-за напряжений, возникающих вдоль главной цепи макромолекулы вследствие совместного и одновременного воздействия гидродинамических сил, зависящих от степени турбулизации жидкости, и сил, вызванных тепловыми флуктуациями и зависящих от интенсивности теплового потока от стенки.

Изобретение может быть использовано в гидравлических трактах при транспортировке нефти и нефтепродуктов, в гидравлических трактах летательных аппаратов и любых иных агрегатах, установках и т.п.

Изобретение целесообразно использовать в машинах преимущественно с тепло- и/или энергонапряженными гидравлическими трактами в условиях эксплуатации, при протекании углеводородной жидкости по трактам преимущественно разомкнутого типа, например топливным магистралям тепловых двигателей, преимущественно двигателей внутреннего сгорания, котельных агрегатов, при протекании в трактах, имеющих температуронапряженные участки конвективного теплообмена с температурой охлаждаемой горячей стенки выше 160°С, расположенные в конце трактов и заканчивающиеся форсунками для распыления углеводородной жидкости.

Элемент гидравлического тракта двигателяБустерный насос n_s=3601-ая ступень основного насоса n_s=702-я ступень основного насоса n_s=18Тракт регенеративного охлажденияПараметры эксплуатационных энергетических характеристикПриведенный напор (Н/n²)_БННапор H₁КПД η_г1Напор H₂Снижение гидропотерь ΔР_охл12,76,513,512,5-19,5Концентрация высокомолекулярного полиизобутилена С₁=С_опт, %˜0,0750,035˜0,05˜0,0900,05...0,080

Изобретение относится к области нефтехимии. Сущность: присадка представляет собой раствор высокомолекулярного полиизобутилена, имеющего молекулярную массу от примерно 3,7·10⁶ до примерно 4,9·10⁶, в используемой углеводородной жидкости. Углеводородная жидкость для машин с гидравлическим трактами с тепло- и/или энергонапряженными условиями эксплуатации содержит присадку в количестве, обеспечивающем энергетические характеристики этих машин. Преимущественно углеводородная жидкость представляет собой керосин или авиационный бензин или дизельное топливо или жидкое реактивное топливо. Жидкое углеводородное горючее для реактивных двигателей содержит присадку в количестве, обеспечивающем концентрацию высокомолекулярного полиизобутилена в жидком углеводородном горючем от 0,015 до 0,095 мас.%. Технический результат - улучшение эксплуатационных энергетических характеристик машин: коэффициента полезного действия двигателей, напора насосов и т.д. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 11 ил.

1. Жидкая присадка к углеводородной жидкости для машин с гидравлическими трактами с тепло- и/или энергонапряженными условиями эксплуатации в них углеводородной жидкости, представляющая собой раствор высокомолекулярного полиизобутилена, имеющего молекулярную массу от примерно 3,7·10⁶ до примерно 4,9·10⁶ в используемой углеводородной жидкости.2. Жидкая присадка по п.1, отличающаяся тем, что содержит высокомолекулярный полиизобутилен в количестве, достаточном для получения уровня предельной растворимости высокомолекулярного полиизобутилена в углеводородной жидкости.3. Жидкая присадка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что углеводородная жидкость выбрана из ряда керосин, или авиационный бензин, или дизельное топливо, или жидкое реактивное топливо.4. Углеводородная жидкость для машин с гидравлическими трактами с тепло- и/или энергонапряженными условиями эксплуатации в них углеводородной жидкости, отличающаяся тем, что дополнительно содержит жидкую присадку по п.1 в количестве, обеспечивающем энергетические характеристики этих машин.5. Углеводородная жидкость по п.4, отличающаяся тем, что содержит жидкую присадку по п.1 в количестве, обеспечивающем концентрацию высокомолекулярного полиизобутилена в углеводородной жидкости от 0,015 до 0,095 мас.%.6. Углеводородная жидкость по п.4 или 5, отличающаяся тем, что углеводородная жидкость представляет собой керосин, или авиационный бензин, или дизельное топливо, или жидкое реактивное топливо.7. Жидкое углеводородное горючее для реактивных двигателей, отличающееся тем, что содержит дополнительно жидкую присадку, представляющую собой раствор высокомолекулярного полиизобутилена молекулярной массы от примерно 3,7·10⁶ до примерно 4,9·10⁶ в керосине в количестве, обеспечивающем концентрацию высокомолекулярного полиизобутилена в жидком углеводородном горючем от 0,015 до 0,095 мас.%.8. Жидкое углеводородное горючее для реактивных двигателей по п.7, отличающееся тем, что в качестве реактивного двигателя использован жидкостный ракетный двигатель.