СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКЛОННОСТИ РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ К ОБРАЗОВАНИЮ КОНДЕНСАЦИОННЫХ СТРУКТУР В ПАРАХ ТРЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01N19/00 

Изобретение относится к области исследований материалов механическим способом, в частности реактивных топлив, образующих в процессе эксплуатации конденсационные структуры, которые снижают работоспособность топливорегулирующей аппаратуры. Изобретение может быть использовано для оценки качества реактивных топлив в научно-исследовательских организациях, а также во всех отраслях, связанных с применением реактивных топлив.

Статистика инцидентов летательных аппаратов РФ свидетельствует о том, что ряд отказов авиационных газотурбинных двигателей связан с заклиниванием (залипанием) золотниковых (прецизионных) пар топливорегулирующей аппаратуры [Коняев Е.А., Вихельмо. Статистика отказов авиационных ГТД по причине снижения качества топлива и отказов топливной аппаратуры за период 1991-2005 гг. Информационный сборник №2. Комитет по авиаГСМ, 2007, стр.26]. Одной из причин таких отказов является образование дисперсных систем реактивных топлив, стабилизированных поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые адсорбируются на поверхностях прецизионных пар и при температурном воздействии конденсируются на них.

Отказы техники, вызванные образованием конденсационных структур на поверхностях трения топливорегулирующей аппаратуры, носят внезапный характер и наблюдаются при применении реактивных топлив с противоводокристаллизационными жидкостями, когда, в случае не своевременного слива водных отстоев из топливных баков, концентрированные ПАВ, попадая в насос-регулятор, конденсируются на поверхностях трения и вызывают заклинивание прецизионных пар. Это обнаруживалось по колебаниям (зависаниям) оборотов ротора турбины двигателя при изменении положения рукоятки управления движением, а также в виде недопустимых изменений параметров системы распределения топлива, не выходом двигателя на заданный режим, самопроизвольном выключении двигателя и др.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения взаимодействия топлива с водой, сущность которого заключается в контактировании образца топлива с дистиллированной водой с последующей оценкой фаз (топливо-вода) и поверхности их раздела [ГОСТ 27154-86. Топливо для реактивных двигателей. Метод испытания на взаимодействие топлива с водой. М.: Изд-во стандартов, 1987, стр.1].

В известном способе анализируемую пробу топлива подготавливают к испытанию, для чего выдерживают при температуре (20±3)°С не менее 30 мин и перемешивают в течение 3 мин. После этого в тщательно подготовленный цилиндр при температуре (20±3)°С с помощью пипетки, избегая разбрызгивания, наливают 20 см³ дистиллированной воды или буферного раствора фосфата (измерение проводят по нижнему мениску с погрешностью не более 0,5 см³), затем наливают 80 см³ подготовленной пробы испытуемого топлива и закрывают цилиндр пробкой. Цилиндр встряхивают в течение 2 мин (по секундомеру), производя 2-3 взмаха в секунду в горизонтальном направлении с амплитудой 10-25 см. После встряхивания цилиндр с закрытой пробкой немедленно ставят на поверхность и дают содержимому отстояться. После 5 мин отстоя, не перемещая цилиндр, определяют визуально состояние поверхности раздела. После 30 минут отстоя, не перемещая цилиндр, определяют визуально состояние разделенных фаз при рассеянном свете на белом фоне. Результаты взаимодействия с водой оценивают по состоянию поверхности раздела и разделенных фаз в баллах (1 балл или 2 балла). Топливо считают некондиционным, если состояние поверхностей раздела или разделенных фаз или хотя бы одно из этих состояний оценивают в 2 балла.

Однако известный способ обладает слишком низкой чувствительностью, не позволяет надежно отбраковывать загрязненные топлива и пригоден лишь для грубых качественных оценок, т.к. имеет существенный и принципиально неустранимый недостаток, заключающийся в визуальной оценке, что уменьшает его точность. Наряду с этим способ не позволяет сопоставлять результат измерений с реальным значением напряжения сдвига, возникающим в реальной паре трения (прецизионной паре) при образовании на ее поверхностях конденсационной структуры.

Технический результат изобретения - повышение точности и надежности определения склонности реактивных топлив к образованию конденсационных структур в парах трения топливорегулирующей аппаратуры.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения склонности реактивных топлив к образованию конденсационных структур в парах трения, включающем отбор и подготовку пробы реактивного топлива, смешение пробы с водой в соотношении 4:1 и отстаивание до получения поверхности раздела фаз, согласно изобретению после отстаивания смеси отделяют агрегировавшуюся дисперсную фазу, которую помещают между двумя стеклянными пластинами, выдерживают их в термостате при температуре 70°С в течение 1 часа и охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры, замеряют площадь контакта образовавшейся конденсационной структуры с поверхностью пластины, после чего одну из пластин жестко закрепляют, а на вторую пластину воздействуют силой, направленной вдоль поверхности контакта пластин, фиксируют величину силы в момент сдвига пластины на расстояние не менее одного миллиметра, прекращают испытание и вычисляют отношение величины силы сдвига к площади контакта конденсационной структуры с поверхностью пластины и при значении полученного отношения более 2,0·10^-2 мПа считают топливо склонным к образованию конденсационных структур.

Сущность изобретения заключается в том, что искусственно создают конденсационную структуру топлива, которую подвергают воздействию механической силы с целью появления эффекта когезии, возникающего в реальной паре трения топливорегулирующей аппаратуры, в случае образования на ее поверхностях конденсационной структуры.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего способ определения склонности реактивных топлив к образованию конденсационных структур.

Устройство выполнено в виде равноплечего рычага с опорой 1. Одно плечо 2 рычага соединено жестко с держателем первой стеклянной пластины 3, взаимодействующей со второй стеклянной пластиной 4, жестко закрепленной с основанием. Между стеклянными пластинами 3 и 4 находится тонкий слой конденсационной структуры 5 с площадью S. Другое плечо 6 рычага связано с разновесами 7.

Режимные параметры испытаний.

Температура 70°С выдержки стеклянных пластин выбрана, исходя из ее максимального значения при эксплуатации насос-регуляторов авиационных газотурбинных двигателей. Время 1 час теплового воздействия на систему, образованную двумя пластинами 3 и 4 и размещенную между ними дисперсную фазу, обеспечивает образование конденсационной структуры 5 и установлено при испытании прецизионных пар на модельной установке. Выполнение пластин 3, 4 из прозрачного жаропрочного стекла позволяет производить измерение площади конденсационной структуры 5 методом графического способа численного интегрирования.

Способ реализуется следующим образом.

Подготовка пробы топлива к испытанию производится аналогично подготовке, изложенной в известном способе, т.е. анализируемую пробу топлива выдерживают при температуре (20±3)°С не менее 30 мин и перемешивают в течение 3 мин. После этого заливают в емкость дистиллированную воду в количестве 0,25 л, затем отбирают подготовленную пробу топлива в количестве 1 литра и заливают в емкость 0,25 л дистиллированной воды. После чего производят интенсивное перемешивание смеси известными способами, например, электрической мешалкой, помещенной в емкость, с одновременной прокачкой смеси на «кольцо» при помощи электронасоса в последовательности: перемешивание и перекачка в течение 60 минут; отстаивание смеси в течение 60 минут; повторное перемешивание и перекачка смеси в течение 60 минут и повторное отстаивание смеси в течение 60 минут для получения поверхности раздела фаз. После отстаивания с помощью делительной воронки отбирают с поверхности раздела фаз агрегировавшуюся дисперсную фазу, которую отбирают и наносят с помощью пипетки в виде капли на стеклянную пластину 3 (или 4), поверх которой кладут вторую стеклянную пластину 4 (или 3). Пластины 3 и 4 с находящейся между ними дисперсной фазой выдерживают в термостате при температуре 70°С в течение 1 часа для разрушения коагуляционных контактов дисперсной фазы и начала образования твердопластичной конденсационной структуры. После температурного воздействия их извлекают из термостата, помещают в эксикатор и охлаждают до комнатной температуры, получая конденсационную структуру, идентичную конденсационной структуре, образующейся в реальных условиях. Измеряют с внешней стороны любой стеклянной пластины 3 или 4 площадь контакта S образовавшейся конденсационной структуры 5 с поверхностью пластин 3 или 4 с помощью палетки, изготовленной из миллиметровой бумаги. После чего пластину 4 жестко закрепляют в горизонтальном или вертикальном положении (на чертеже вариант - вертикально), а пластину 3 соединяют с плечом 2 рычага нагружающего устройства и с помощью разновесов создают усилие, необходимое для ее смещения вверх. В момент сдвига пластины 3 (определяют по линейке, закрепленной к жесткому основанию) фиксируют величину силы F. Испытание прекращают и вычисляют отношение величины силы сдвига к площади контакта конденсационной структуры F/S. Полученное отношение представляет собой прочность конденсационной структуры, вызывающей заклинивание пар трения и являющейся показателем склонности топлив к их образованию.

Заявленным способом были исследованы товарные и искусственно приготовленные образцы реактивных топлив, состав которых и результаты определения взаимодействия теплив с водой известным способом представлены в табл.1.

Таблица 1Состав исследуемых образцов№ п/пМарка реактивного топливаПротивоводокристаллизационная жидкость Состояние*поверхности разделаразделенных фазмаркасодержание, % масс.1234561ТС-1 (товарное)Отсутствует112ТС-1 (товарное)«И»0,3223ТС-1 (товарное)ТГФ0,3224ТС-1 (искусственное с повышенным содержанием адсорбционных смол)Отсутствует115ТС-1 (искусственное с повышенным содержанием адсорбционных смол)ТГФ0,322Примечание: * - определение по методу испытания на взаимодействие с водой ГОСТ 27154-86 (норма не более 1 балла).

Результаты определения склонности реактивных топлив к образованию конденсационных структур в парах трения предлагаемым способом представлены в табл.2. Как видно из результатов испытаний известный способ (ГОСТ 27154-86) в отличие от заявляемого бракует образцы топлив, не склонные к образованию конденсационных структур (табл.1, строка 2 и 3, столбцы 5 и 6), и не бракует образец топлива, склонный к образованию конденсационных структур (табл.1, строка 4, столбцы 5 и 6), в то время как заявляемый способ позволяет выделить образцы топлива, склонные к образованию конденсационных структур в реальных условиях (табл.2, строки 4 и 5, столбцы 5 и 6).

Таблица 2Результаты определения склонности реактивных топлив к образованию конденсационных структур№ п/пОбразецСила сдвига, F, НПлощадь контакта, S, см²Показатель склонности реактивных топлив к образованию конденсационных структур, σ_адф·10^-2, мПа123451Топливо ТС-11,283,270,42Топливо ТС-1 с жидкостью «И»5,503,421,73Топливо ТС-1 с жидкостью ТГФ1,763,350,64Топливо ТС-1 с повышенным содержанием адсорбционных смол6,823,312,15Топливо ТС-1 с жидкостью «И» и повышенным содержанием адсорбционных смол12,313,393,7Примечание: * - залипание прецизионной пары при минимальном давлении топлива в насосе-регуляторе наступает при σ_с>2,0·10^-2 мПа.

Таким образом, способ позволяет оценивать склонность реактивных топлив, в т.ч. с противоводокристаллизационными жидкостями, к образованию конденсационных структур в прецизионных парах топливорегулирующей аппаратуры по величине напряжения сдвига конденсационной структуры.

Область использования изобретения - контроль качества реактивных топлив, а также исследования отрицательного воздействия конденсационных структур на топливную систему летательного аппарата. Технический результат изобретения - повышение точности и надежности определения склонности реактивных топлив к образованию конденсационных структур в парах трения топливорегулирующей аппаратуры. Сущность изобретения заключается в том, что искусственно создают конденсационную структуру топлива, которую подвергают воздействию механической силы с целью оценки силы преодоления эффекта когезии. Экспериментально получено числовое значение величины силы сдвига, более которой считают топлива склонными к образованию конденсационных структур в процессе эксплуатации авиатехники. Конденсационные структуры создают из агрегировавшейся дисперсной фазы, полученной после отстоя смеси топлива с водой, взятых в соотношении 4:1. 2 табл., 1 ил.

Способ определения склонности реактивных топлив к образованию конденсационных структур в парах трения, включающий отбор и подготовку пробы реактивного топлива, смешение пробы с водой в соотношении 4:1 и отстаивание до получения поверхности раздела фаз, отличающийся тем, что после отстаивания смеси отделяют агрегировавшуюся дисперсную фазу, которую помещают между двумя стеклянными пластинами, выдерживают их в термостате при температуре 70°С в течение 1 ч и охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры, замеряют площадь контакта образовавшейся конденсационной структуры с поверхностью пластины, после чего одну из пластин жестко закрепляют, а на вторую пластину воздействуют силой, направленной вдоль поверхности контакта пластин, фиксируют величину силы в момент сдвига пластины на расстояние не менее 1 мм, прекращают испытание и вычисляют отношение величины силы сдвига к площади контакта конденсационной структуры с поверхностью пластины и при значении полученного отношения более 2,0·10^-2 мПа считают топливо склонным к образованию конденсационных структур.