автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Совершенствование технологии заправки топливом воздушных судов на основе исследования физико-химической механики взаимодействия эмульсии ПВКЖ с фильтровальными картонами в топливе ТС-1 в условиях отрицательных температур

На правах рукописи

ОСИПОВ АРТЕМ ОЛЕГОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗАПРАВКИ ТОПЛИВОМ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭМУЛЬСИИ ПВКЖ С ФИЛЬТРОВАЛЬНЫМИ КАРТОНАМИ В ТОПЛИВЕ ТС-1В УСЛОВИЯХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР

Специальность 05.22.14 «Эксплуатация воздушного транспорта»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

15ЯНВ 2015

Москва 2014

005557575

005557575

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» на кафедре «Авиатопливообеспечения и ремонта летательных аппаратов» и НПО «Агрегат».

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор, профессор кафедры «Авиатопливообеспечения и ремонта летательных аппаратов» МГТУ ГА Коняев Евгений Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук.,

профессор, профессор кафедры «Химии и технологии смазочных материалов и химмотологии», Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина Спиркин Владимир Григорьевич

кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник отдела двигателей и химмотологии ЦИАМ им. П.И. Баранова Разносчиков Владимир Валентинович

Ведущая организация: ФГУП ГосНИИ ГА

Защита состоится «_»_20 года в __часов на заседании

Диссертационного Совета Д 223.011.01 в ФГБОУ ВПО «Московский государственном техническом университете гражданской авиации» по адресу: 125993, Москва, А-493, ГСП-3, Кронштадтский бульвар, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет гражданской авиации»

Автореферат разослан «_»_20 г. \\

Ученый секретарь диссертационного совета \\

Доктор технических наук Самойленко В'М'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Надежную эксплуатацию ВС ГА в значительной мере определяет качество реактивных топлив. Сохранение качества реактивных топлив, особенно снижение его загрязненности и обводненности, связано с технологией очистки топлива перед его заправкой в баки ЛА.

Обобщение данных авиационных происшествий в ГА за последние два десятилетия связанных с качеством топлив показало, что более трети отказов топливной системы ВС произошло из-за забивки бортовых фильтроэлементов кристаллами льда и смолистыми веществами желеобразного характера.

Применяемая в настоящее время технология очистки реактивных топлив и лротивоводокристаллизационных жидкостей (ПВКЖ) не обеспечивает достаточной защиты топливных систем ВС от органических загрязнений и эмульсионной воды.

В связи с этим совершенствование технологии подготовки и заправки топливом ВС является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы. Изучение причин образования гелеобразных осадков, снижения концентрации ПВКЖ в реакшвных топливах при его подготовке к заправке ВС и разработка научно-технических рекомендаций по устранению причин, приводящих к отказам авиационной техники.

Задачи исследования:

- разработать и изготовить стенд для тестирования фильтрующих материалов с пропиткой разной природы, моделирующий условия эксплуатации фильтроэлементов в ТЗ на аэродроме;

- провести исследования и разработать методику, позволяющую изучать поведение реактивных топлив с ПВКЖ в условиях значительных колебаний температур и влажности воздуха;

- изучить закономерности влияния жидкости «И-М» на материалы фильтроэлементов при моделировании условий эксплуатации в осенне-зимний период;

- разработать новую технологическую схему и комплектующее оборудование для устранения негативных последствий хранения реактивных топлив с ПВКЖ в средствах заправки;

- разработать проект нормативно-технической документации технологии заправки ВС.

Объект исследования. Средства очистки реактивного топлива и ПВКЖ, топливо, противоводокристаллизационные жидкости.

Предмет исследования. Процессы фильтрации реактивных топлив и ПВКЖ при отрицательных температурах.

Автор защищает:

1. Анализ отказов авиационной техники, возникающих по причинам образования гелеобразных осадков в топливе, и причин снижения концентрации ПВКЖ в топливе в процессе заправки ВС.

2.Результаты влияния температуры, обводненности топлива и концентрации ПВКЖ на процессы коагуляции и сепарации водных растворов ПВКЖ в процессе фильтрации при отрицательных температурах.

3.Закономерности корреляции между краевым углом смачиваемости полимерных пропиток фильтровальных картонов присадкой «И-М» и ее водными растворами при отрицательных температурах.

4.Результаты сравнительного исследования процесса фильтрации системы топливо-ПВКЖ.

5.Многофункциональный испытательный комплекс СИФ-2 позволяющий проводить исследования и испытания фильтроэлементов в условиях близких к условиям эксплуатации.

6.Результаты апробации и рекомендации по изменению технологии подготовки и введения ПВКЖ и топливо при заправке ВС.

Научная новизна

1 .Исследовано влияние температуры, обводненности топлива и концентрации ПВКЖ на процессы коагуляции и сепарации водных растворов ПВКЖ в процессе фильтрации при отрицательных температурах.

2.Установлено, что при охлаждении и фильтрации системы топливо-ПВКЖ, часть присадки (5-30% отн.) теряется в процессе фильтрации.

3.Разработаны рекомендации по применению жидкости «И-М» в осенне-зимний период в топливо с концентрацией не менее 0,2% масс.

4.Впервые установлена корреляционная зависимость между краевым углом смачивания полимерных пропиток фильтровальных картонов присадкой «И-М» и ее водными растворами при отрицательных температурах.

5.Метод ом ИК-спектроскопии впервые доказано растворяющее действие ПВКЖ и их водных растворов на полимерную пропитку фильтровальных картонов.

Практическая значимость

1 .Разработан, изготовлен, смонтирован и запущен в работу многофункциональный испытательный комплекс СИФ-2, позволяющий проводить испытания и исследования фильтроэлементов в условиях близких к условиям эксплуатации ТЗ и фильтров.

2.Разработана методика определения степени сепарации растворов ПВКЖ при отрицательных температурах.

3.Разработана методика определения краевых углов смачивания поверхностей полимерных пропиток фильтровальных картонов растворами ПВКЖ при отрицательных температурах.

4.Разработаны рекомендации по изменению технологии подготовки и введения ПВКЖ в топливо при заправке ВС, для которой разработаны новая типовая схема и предложены рекомендации по оборудованию, реализованные в ГОСТ Р 52906-2008 п.5.7.

Достоверность. Основные экспериментальные исследования выполнены с использованием современных методов, методик и

аттестованного оборудования на стандартизированных фильтроэлементах, жидкостях и присадках. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается также близостью показанных результатов с результатами исследования других авторов и реальной эксплуатацией.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований реализованы в конструкторских разработках по созданию современных средств очистки нефтепродуктов и специальных жидкостей производственного предприятия НПО «Агрегат» и учебном процессе в МГТУ ГА.

Апробация работы. Отдельные результаты диссертационной работы были доложены на научно-технических семинарах кафедры «Авиатопливообеспечения и ремонта ЛА» МГТУ ГА; Международной научно-технической конференции (МГТУ ГА) «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (2006); XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (2011).

Личный вклад автора. Автор разработал технологию введения ПВКЖ в поток топлива перед заправкой ВС, непосредственно участвовал в проведении экспериментов в процессе всего цикла исследований и разработал методику определения степени сепарации растворов ПВКЖ при отрицательных температурах. Диссертант разработал многофункциональный испытательный комплекс СИФ-2 позволяющий проводить исследования и испытания фильтроэлементов в условиях близких к условиям эксплуатации.

Публикации результатов работы. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 11 научных трудах, в том числе 5 статьях в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК при Минобрнауки РФ (20 е.); 4 публикации в трудах международных и всероссийских конференций (8 е.); 2 публикации в прочих изданиях (7 с.) Полнота изложения материалов диссертации в работах, опубликованных автором достаточная.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографического списка и 6 приложений. Диссертация изложена на 131 страницах машинописного текста без приложений, содержит 14 таблиц, 32 рисунка и библиографию го 142 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе обобщены данные научно-технической литературы, позволяющие оценить ачияние противоводокристаллизационных жидкостей на эксплуатационные свойства реактивных теплив, их структуру и надежность эксплуатации авиационной техники. Изложены основные положения технологии подготовки и введения ПВКЖ в топлива в условиях аэропортов. Приведены основные требования к материалам фильтрующих элементов и конструкции современных фильтров. Показано, что около 30% отказов авиационной техники, связанных с качеством топлива, происходят из-за забивки топливных фильтров кристаллами льда и смолистыми желеобразными отложениями, что связано с

недостатками технологии подготовки топлива и введения ПВКЖ. Причиной образования отложений в топливных агрегатах при применении ПВКЖ может бьггь частичное удаление присадок на стадии фильтрации топлива в системе ТЗ и растворение полимерных пропиток фильтровальных картонов присадкой «И-М».

На основании проведенного обобщения данных научно-технической литературы сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе представлены данные, касающиеся объектов и методов исследования. Изучение причин отказов фильтрующих бортовых элементов потребовало разработки и создания многофункционального испытательного комплекса, позволяющего проводить исследования процессов очистки реактивных топлив в условиях, моделирующих реальные условия аэродромных складов ГСМ. Многофункциональный испытательный комплекс СИФ-2 (далее СИФ-2) предназначен для изучения процессов коагуляции и сепарации водотопливных эмульсий при изменении внешней температуры от 50°С до минус 50°С (рисунок 1) и разной степени обводненности реактивных топлив. При этом опыты можно проводить как в присутствии ПВКЖ в топливе, так и без них. На стенде СИФ-2 возможно осуществлять испытания материалов (фильтрующие бумаги, сетки, клеи, резины, нетканые материалы), применяемых при изготовлении фильтроэлементов. Стенд позволяет проводить исследование работоспособности моделей фильтрующих, сепарирующих, коагулирующих и фильтрующекоагулирующих элементов в их реальной компоновке в условиях близких к условиям эксплуатации и изучать процесс вымывания компонентов полимерных пропиток компонентами топлив и ПВКЖ.

Изучение влияния внешних условий на образование микроэмульсий жидкости «И-М», ее коагуляции и сепарации в фильтроэлементах топливозаправщика практически не отличается от ранее проведенных исследований для. систем реактивное топливо - вода. Понижение температуры воздуха, изменение его влажности и атмосферного давления сразу после введения ПВКЖ в очищенное от механических примесей и воды топливо не оказывает влияния на процессы фильтрации топлива через фильтроэлементы топливозаправщика. Это обусловлено общей низкой концентрацией влаги в системе топливо-ПВКЖ. Хранение топлива с ПВКЖ в течение нескольких суток приводит к обводнению данной системы и увеличению общей концентрации влаги.

Применение равнообъемной смеси этилцеллозольва с метанолом (ИМ) вместо чистого этилцеллозольва способствует повышению гигроскопичности системы и повышению вымываемости ПВКЖ из топлива. Ухудшение этих эксплуатационных свойств связано со свойствами метанола. Известно, что растворимость воды в топливе ТС-1, содержащем 0,3% метанола, составляет при 20°С 0,0163% против 0,0148% для этилцеллозольва в той же концентрации. Повышение чувствительности системы топливо-ПВКЖ к изменению внешних условий отрицательно влияет на образование и характеристики микроэмульсий ПВКЖ в топливе. Фильтроэлементы содержат коагулирующие и сепарирующие перегородки. Процесс взаимодействия капель эмульсии «ИМ»-вода состоит из

приближения капли к перегородке, контакта с ней, вытеснения топлива с поверхности перегородки, адгезии на поверхности, коалесценции капель с последующим прохождением эмульсии через коагулирующую перегородку. На гидрофобной перегородке происходит отделение крупных капель эмульсии «ИМ»-вода от топлива и осаждение их в отстойник. В отличие от водотопливных эмульсий эмульсии «ИМ»-вода при охлаждении не образуют кристаллов льда.

Р 2-3 СЖ-4 КШ13 КШ12 ЭНА-1 Р1-2

ЭНА-1 - насос; Р1-2 - расходный резервуар; Р2-3 - приемный резервуар; СЖ-4 - счетчик жидкости; Б-5 - блок для исследований фильтра и фильтра-водоотделителя; ИП-6 - индикатор потока; В-7 - трубка заполнения блока; Ф-8 - модель фильтрующего или коагулирующего элемента; СЭ-9 - модель сепарирующего элемента; МН1-10 - манометр на входе; МН2-11 - манометр на выходе; КШ1-12 - кран регулирования потока; ФГ-13 - фильтр гидравлический; КШ 6, КШ7, КШ8, КШ9, КИИ0 - краны пробоотборники; КШ2, КШЗ, КШ4, КШ5 - краны регулирования направления потока; КШ11 -кран сброса воздуха; КШ12, КШ13 - краны барботажа; КШ15 - кран слива рабочей жидкости из Р2; КШ14 - кран подачи рабочей жидкости из приемного резервуара в расходный.

Поверхностные свойства фильтрующей перегородки характеризуются краевым углом смачивания, который определяется значением угла между поверхностью твердого тела и касательной к точке ее контакта с жидкостью и отсчитывается в сторону жидкой фазы (рисунок 2). Процесс смачивания поверхности жидкостью и адгезии капли жидкости к этой поверхности

характеризуется уравнением Юнга, связывающим поверхностные свойства контактирующих фаз с величиной краевого угла смачивания:

, (1)

°гит

где: От - поверхностное натяжение топлива;

орим - поверхностное натяжение раствора «И-М»; оримт - межфазовое натяжение на поверхности раздела фаз раствор «И-М» - топливо.

Топливо

Рисунок 2. Схема взаимодействия капли эмульсии и фильтрующей перегородки в среде топлива 0 - краевой угол смачивания, град; арим - поверхностное натяжение раствора «И-М», Н; От - поверхностное натяжение топлива, Н; apmiT - межфазовое натяжение на поверхности раздела фаз раствор «И-М» - топливо, Н.

Краевой угол смачивания изменяется от 0° до 180°, а его cos© в пределах -1< cos© <1. При значении краевого угла смачивания равном 180° и cos© равном минус 1 поверхность перегородки обладает идеальными гидрофобными свойствами. При условии нулевого значения краевого угла смачивания и cos© равном 1 поверхность перегородки обладает идеальными гидрофильными свойствами. Разделение водотопливных эмульсий происходит на выходе из коагулирующей перегородки. Окончательное отделение воды от топлива в современных фильтрах-сепараторах протекает при прохождении топлива через гидрофобные для воды и полностью проницаемые для топлива водоотталкивающие перегородки. При этом на стадии коагуляции может протекать обратный ей процесс - диспергирования. В соответствии с законом Стокса микрокапли эмульсии размером менее критического уносятся потоком топлива. Критический размер микрокапель эмульсии определяют по формуле:

(2)

1 ЦРэ-Рг)

где: рг - динамическая вязкость топлива при температуре фильтрации;

Н-с/м2; voc — скорость осаждения капель, м/с;

рэ, рт - плотность дисперсной фазы и топлива при температуре фильтрации, кг/м3.

Продавливание капель микроэмульсии через пору возможно только при разрушении пленки топлива в порах, которое происходит при достижении критического давления. Последнее можно определить по формуле:

Pv=ffFm?'L", (3)

где: Ркр - критическое давление, Па;

сТримт — межфазовое натяжение на поверхности раздела фаз раствор И-М — топливо;

Н; Ln — длина линии контакта на поверхности раздела раствор И-М и топлива по периметру поры, м;

Sn - площадь поперечного диаметра поры, м2.

Анализ показывает, что входящие в уравнения 1-3 величины зависят от условий окружающей среды. В ходе выполнения исследований в качестве объектов исследования использовали реактивное топливо марки ТС-1. Образцы топлива ТС-1 полностью удовлетворяли требованиям ГОСТа 10227. В качестве противоводокрисгашшзационной жидкости был выбран образец жидкости марки «И-М». При изучении влияния обводненного топлива с «И-М» на полимерные пропитки фильтровальных картонов применяли картоны марок VH 882/2 и VH 424 с покрытием из эпоксидных смол. Методом ИК-спектроскопии было показано, что эпоксидное покрытие изготовлено на основе олигомера дифенилпропана (ЭД-20) и отвердителя аминного типа: триэтилентетрамина (ТЭТА). Содержание воды в топливе и в присадке определяли в соответствии с ОСТ 54-3-1757-2001, концентрацию присадки в топливе определяли в соответствии с ГОСТ 189952, краевые углы смачивания полимерного покрытия растворами ПВКЖ определяли по специально разработанной методике. Сущность методики заключается в нанесении капли раствора ПВКЖ на горизонтально расположенную алюминиевую пластину с полимерным покрытием в среде реактивного топлива, фиксации изображения капли на фотографии, передаче изображения в компьютер и его обработки с помощью программного обеспечения AutoCad для определения величины краевого угла смачивания при температурах топлива 17°С - минус 15°С. По величине краевого угла смачивания оценивают способность растворов ПВКЖ к коагуляции и сепарации в условиях изменения

концентрации ПВКЖ в растворе и температуры топлива.

Сепарацию водных растворов «И-М» изучали в соответствии с вновь разработанной методикой с использованием моделей фильтроэлементов в условиях испытательного комплекса СИФ-2 при изменении температуры топлива от 17°С до минус 10°С и концентрации «И-М» в интервале 0,10-0,20% масс.

В третьей главе представлены результаты исследований по влиянию температуры, степени обводненности и концентрации присадки «И-М» на процессы коагуляции и сепарации растворов ПВКЖ в реактивном топливе.

Полученные в ходе исследования данных показывают, что повышение концентрации присадки «И-М» с 0,1% массы до 0,2% массы в топливе приводит к снижению содержания воды при любой температуре топлива за счет перехода воды из эмульсионного состояния в отстой (таблица 1). Данные хорошо согласуются с известными данными по влиянию концентрации присадки «И». При этом, чем больше концентрация присадки в топливе, тем меньше изменяется количество воды при понижении температуры (таблица 1). Для топлива, содержащего 0,15 и 0,20%

массы жидкости «И-М» количество воды, перешедшей в отстой не меняется в зависимости от температуры окружающей среды (таблица 1).

Таблица 1

Влияние температуры и концентрации «И-М» в ТС-1 на обводненность

топлива _

Наименование Температура, °С

0 -4 -10

Содержание воды в топливе ТС-1 с 0,10% масс. Присадки, ррт 81,6/64,3 82,3/63,6 80,0 / 60,0

Содержание воды в топливе ТС-1 с 0,15% масс. Присадки, ррт 81,3/70,0 81,3/70,3 80,3/68,0

Содержание воды в топливе ТС-1 с 0,20% масс. Присадки, ррт 80,3 / 73,6 78,0/71,3 85,0 / 78,0

♦Примечание. В числителе содержание воды в топливе с присадкой при 17°С, в знаменателе — после охлаждения.

При концентрации присадки 0,1% массы количество воды, перешедшей в отстой в два раза больше, чем при более высоких концентрациях присадки в топливе. Высокие концентрации «И-М» в топливе способствуют стабилизации системы микроэмульсия раствора ПВКЖ в реактивном топливе, то есть количество воды, перешедшей в отстой при низкой концентрации ПВКЖ в два раза выше, чем при ее концентрации 0,20% масс.

Процесс коагуляции и сепарации водных растворов ПВКЖ фиксировали визуально и с помощью фотографий. При температуре 17°С для всех образцов топлива определяли исходное содержание воды. Далее в топливо вводили «И-М», перемешивая топливо с присадкой на кольцо. Снова определяли содержание воды, а также уровень атмосферного давления и влажности воздуха. Условия проведения испытаний приведены в таблице 2. Площадь фильтровального картона ЭФБ составляла 1102-1155 см2 (марка комбинации фильтровальных картонов 882+424+Hollingsworth and Vose GmbH and Co.KG).

Таблица 2

Условия подготовки растворов «И-М» в ТС-1 для исследования влияния температуры на процесс фильтрации

Условия Концентрация «И-М», % масс.

0 0,10 0,15 0,20

Атмосферное давление, мм рт. Ст. 748 753 759 742

Влажность воздуха, % ота. 93 82 91 78

Общий объем топлива, дм3 - 54 52 42

Скорость подачи, дм3/мин - 8,5 8,0 7,9

Температура, °С 17 17-минус 10 17 —минус 10 17-минус 10

На рисунках 3-4 представлены данные по изучению процесса вымывания присадки «И-М» из состава топлива в ходе его фильтрации при отрицательных температурах.

5 0-5 -Ю -15

Температура, "С

Рисунок 3. Влияние температуры и концентрации присадки на процесс коагуляции и сепарации микроэмульсии ПВКЖ в ТС-1 - 1 - температура 0°С;

2 - температура минус 4°С; 3 - температура минус 10°С.

На следующем этане исследований изучали влияние растворов ПВКЖ на краевой угол смачивания по отношению к полимерам фильтровальных картонов. Для этой цели была разработана методика, позволяющая оценить краевой угол смачивания микроэмульсий «И-М» по отношению к полимерной пропитке фильтровального картона, выполненной из эпоксидной смолы. Концентрацию присадки в воде изменяли в пределах 95,8-50,0% об. Дополнительно исследовали влияние обводненности «И-М» на процесс смачивания присадкой поверхности полимера. Определение краевого угла смачивания растворами «И-М» поверхности эпоксидной пропитки фильтровальных картонов проводили в интервале температур от 15°С до минус 15°С. Обработка полученных экспериментальных данных методами математической статистики позволила установить корреляцию^ между краевым углом смачивания и температурой в системе топливо-водный раствор ПВКЖ и в системе топлизо-обводненная жидкость «И-М» (рисунки 5-6).

Зависимости, представленные на рисунках 5-6, показали,^ что с понижением концентрации присадки и температуры краевой угол смачивания поверхности эмульсии «ИМ»-вода увеличивается. При концентрации «И-М» равной 95,8% об. Краевой угол смачивания составляет более 100° (рисунок 5). Следовательно, эпоксидные пропитки фильтровальных картонов являются гидрофобными по отношению к водным растворам «И-М». Это создает условия для сепарации эмульсии фильтровальной шторой. Аналогичные закономерности получены для установления предельных значений концентрации воды в присадке (рисунок 6).

0,25

Рисунок 4. Влияние фильтрации и температуры на убыль присадки «И-М» в топливе ТС-1:1- при введении в топливо ТС-1 «И-М» - 0,10% массы; П - при введении в топливо ТС-1 «И-М» - 0,15% массы; Ш - при введении в топливо ТС-1 «И-М» - 0,20% массы; 1 - до фильтрации 17°С; 2 - после фильтрации 0°С; 3 -после фильтрации минус 4°С; 4 - после фильтрации минус 10°С. В соответствии с полученными данными предельное обводнение «И-М» в осенне-зимний период не должно превышать 1,1% об. Воды. Более высокая концентрация воды в присадке может привести к ее сепарации при температурах ниже минус ТС. В общем виде зависимость краевого угла смачивания от температуры описывается уравнением

у--кх+Ъ, (4)

где х — температура, °С.

Параметры модели, погрешности их определения, критерий Стьюдента t для проверки значимости коэффициентов уравнения приведены в табл. 3. Как следует из приведенных данных (таблица 3) коэффициенты всех полученных уравнений значимы.

Топливо с присадкой 0,10% массы «И-М» в количестве 4000 дм3 после фильтрации при температуре минус 10°С было отделено от отстоя из фильтров. Отстой топлива, применяемые фильтровальные картоны были изучены методом ИК-спектроскопии для установления факта растворения и вымывания полимера с поверхности фильтрующего элемента жидкостью «И-М».

Эпоксидные смолы, используемые для пропитки фильтровальных картонов, представляют собой олигомеры, содержащие эпоксидные группы (оксирановый цикл). Все эпоксидные смолы растворяются в кетонах, ацетатах, этилцеллозольве и их смесях. Следовательно, длительный контакт топлива, содержащего ПВКЖ, с полимерным материалом эпоксидной природы будет способствовать растворению полимера.

Тешгсратура, °С

Рисунок 5. Влияние температуры и концентрации «И-М» в водных растворах на краевой угол смачивания эпоксидной поверхности у, = -0,7419л- +107,87; К2 = 0,9814- 95,8% - об. конц-ция «И-М» в водном р-ре; у2 = -0,5998* +112,90; Я2 = 0,9290- 95,0% - об. конц-ция «И-М» в водном р-ре; уъ _ -0,4433* + 131,48; Я2 = 0,9318 - 85,0% - об. конц-ция «И-М» в водном р-ре; у4 = -0,3373л: + 136,78 ; Я2 = 0,9721- 75,0% - об. конц-ция «И-М» в водном р-ре; у5 = -0,5432х + 143,44; К2 = 0,9029- 50,0% - об. конц-ция «И-М» в водном р-ре.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15

Теттеретурв, °с

Рисунок 6. Влияние температуры и обводненности «И-М» на краевой угол смачивания эпоксидной поверхности = -0,8579л: + 25,034 ; Л2 = 0,9309 - 0,04% об. содержание Н20 в «И-М»; к = -0,6928л:+ 36,758; Я2 = 0,9076 - 0,7% об. содержание Н20 в «И-М»; ,з _ _о,9401х + 47,047 ; Я2 = 0,9633 - 1,1% об. содержание Н20 в «И-М»;

= -1,5965л:+ 74,41; Я2 =0,8579 - 1,46% об. содержание Н20 в «И-М»; ^ = -1,6201х +86,53; Я2 = 0,9074 - 3,46% об. содержание Н20 в «И-М».

Таблица 3

Критерий адекватности и параметры модели

Концентрация воды, % Коэф-т Пирсона Р-значение Доверительный 95% интервал Уравнение Значимость коэффициентов уравнения

Коэф-т Р- значение

0,04 -0,9649 5,29Е-05 -0,9938 -0,8128 у = -0,857х + 25,03 25,025 8,65Е-07

-0,853 1.31Е-03

0,07 -0,9527 1.28Е-04 -0,9916 -0,7545 у = -0,692х + 36,75 36,597 4,35Е-08

-0,603 2,32Е-03

1.1 -0,9815 7,83 Е-06 -0,9968 -0,8976 у = -0,940х + 47,04 46,973 8,96Е-09

-0,899 2.70Е-04

1,46 -0,9262 4,75Е-04 -0,9868 -0,6378 у = -1,596х + 74,41 74,790 3,69Е-07

-1,808 2,82Е-03

3,46 -0,9526 1.29Е-04 -0,9916 -0,7540 у = -1,620х + 86,53 86,951 ЗД5Е-08

-1,855 5,29Е-04

4,2 -0,9907 1,00Е-06 -0,9984 -0,9474 у--0,741х+ 107,8 107,954 2,79Е-12

-0,790 1Д2Е-05

5 -0,9638 5/76Е-05 -0,9936 -0,8078 у = -0,599х + 112,9 112,892 8.44Е-11

-0,595 1,42Е-03

15 -0,9653 5,09Е-05 -0,9939 -0,8150 у = -0,443х + 131,4 131,574 2,62Е-12

-0,498 2,60Е-04

25 -0,9859 3,43 Е-06 -0,9976 -0,9215 у = -0,337х+ 136,7 136,766 1.45Е-13

-0,329 1,42Е-04

50 -0,9502 1,49Е-04 -0,9912 -0,7431 у = -0,543х + 143,4 143,489 3,27Е-11

-0,572 2,12Е-03

Таблица 4

Экстракция ацетоном полимеров в аппарате Сокслета_

Тип картона Средняя масса образцов до экстракции, г Средняя масса образцов после экстракции, г Доля экстрагируемых веществ, %

УН 882/2 4,28265 4,16910 2,7

УН 424 2,75925 2,67450 зд

В ходе исследований была изучена структура и состав полимерной пропитки фильтровальных картонов марок УН 882/2 и УН 424, применяемых в опытах. Образцы фильтровальных картонов (таблица 4) предварительно шлифовали и определяли ИК-спекгры порошков. Образцы картонов подвергли воздействию ацетона в течение 48 часов в аппарате Сокслета. Экстракты полимеров исследовали на ИК-спекгромегре и далее полученные спектры сравнивали со спектрами реальных водных растворов ПВКЖ.

Анализ показал, что спектры слитых отстоев идентичны спектрам порошков полимеров и растворов полимера в ацетоне. В спектрах отстоев зафиксированы полосы поглощения, характерные для компонентов эпоксидных смол: 1608 см"1 в спектре вытяжки (1606 см"1 отстоя), 1508

(1508), 1459 (1459), 1382 (1382), 1362 (1361), 1296 (1294), 1180 (1180), 1107 (1106), 828 (826), а также полосы поглощения, характерные для аминов, являющихся отвердителем. Доказана возможность растворения полимерных пропиток фильтровальных картонов и загрязнение полимерами топлив.

В четвертой главе на основании результатов экспериментальных исследований представлены рекомендации по изменению технологической схемы подготовки и введения ПВКЖ в реактивные топлива. Для устранения причин, вызывающих снижение концентрации ПВКЖ в реактивных топливах и растворение полимерного покрытия фильтрующих элементов и перехода молекул в топливо, рекомендовано вводить ПВКЖ, подготовленные на пунктах налива, непосредственно в топливо, поступающее в баки ВС.

Разработана новая типовая технологическая схема выдачи ПВКЖ (рисунок 7). После подготовки ПВКЖ ее вводят в линию подачи осушенного топлива через дозатор, минуя ТЗ. При этом ПВКЖ в чистом виде и растворе топлива не подвергается непосредственному контакту с материалами фильтровальной шторы фильтроэлементов, применяемыми для очистки топлив. Кроме того, рекомендуемая схема подготовки и ввода ПВКЖ полностью устраняет возможность образования эмульсий ПВКЖ при

понижении температуры окружающей среды ниже 0°С.

Рисунок 7. Принципиальная технологическая схема подготовки и ввода

ПВКЖ в ВС

Комплектация трехступенчатой системы фильтрации в потоке ПВКЖ от механических примесей и отделения свободной воды должны включать в себя:

1 ступень - при приеме ПВКЖ на склад авиаГСМ - фильтр предварительной очистки, насосный агрегат, фильтр тонкой очистки. Допустимые загрязнения в вытекающей ПВКЖ: тонкость фильтрации - не более 15 мкм, общее количество механических примесей по массе не регламентируется. Способность задержания механических примесей - 4Г/ДМ3 в минуту.

2 ступень - при выдаче ПВКЖ из приемно-расходных резервуаров на пункты налива для наполнения расходно-контрольных резервуаров ТС заправки ВС, АЦЗС и АФТ-П. Допустимые загрязнения в вытекающей ПВКЖ: тонкость фильтрации - не более 5 мкм, общее количество механических примесей не более 1 мг/дм3, вымываемость волокон - не более 10 шт. на 1 дм3. Способность задержания механических примесей - 2,64 г/дм3 в минуту.

3 ступень - при заправке ВС подвижными и передвижными ТС заправки ВС, АЦЗС и АФТ-П. Допустимые загрязнения в вытекающей ПВКЖ в ВС: тонкость фильтрации - не более 3 мкм, общее количество механических примесей - не более 0,26 мг/дм3, вымываемость волокон - не более 10 шт. на 1 дм3. Способность задержания механических примесей - 1,43 г/дм3 в минуту. Тонкость фильтрации и способность задержания механических примесей определяются при полноте отсева механических примесей 97%.

Перепад давления на фильтрующих элементах тонкой очистки при номинальном расходе не должен превышать 50 кПа. Корпуса фильтров объемом более 30 дм3 оснащают газосбрасывающими клапанами, в конструкции фильтров предусматривают возможность деаэрации и слива отстоя.

Разработанные в данном исследовании рекомендации по подготовке и введению ПВКЖ в ВС реализованы в ГОСТ Р 52906 п.5.7.

ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований решена научно-техническая задача, связанная с повышением безотказности работы топливных систем ВС, путем изменения технологии подготовки и введения ПВКЖ в баки ВС.

2. Изучено влияние температуры, обводненности топлива и концентрации ПВКЖ на процессы коагуляции и сепарации водных растворов ПВКЖ в процессе фильтрации при отрицательных температурах.

3. Установлено, что при охлаждении и фильтрации системы топливо-ПВКЖ, часть присадки (5-30% отн.) теряется в процессе фильтрации.

4. Рекомендовано в осенне-зимний период добавлять жидкость «И-М» в топливо в концентрации не менее 0,2% массы.

5. Впервые установлена корреляция между краевым углом смачивания полимерных пропиток фильтровальных картонов присадкой «И-М» и ее водными растворами при отрицательных температурах.

6. Методом ИК-спектроскопии впервые доказано растворяющее действие ПВКЖ и их водных растворов на полимерную пропилу фильтровальных картонов.

7. Разработан, изготовлен, смонтирован и запущен в работу многофункциональный испытательный комплекс СИФ-2, позволяющий проводить испытания и исследования фильтроэлементов в условиях, близких к условиям эксплуатации ТЗ и фильтров.

8. Разработана методика определения степени сепарации растворов

ПВКЖ при отрицательных температурах.

9. Разработана методика определения краевых углов смачивания поверхностей полимерных пропиток фильтровальных картонов растворами ПВКЖ при отрицательных температурах.

10. Разработаны рекомендации по изменению технологии подготовки и введения ПВКЖ в топливо при заправке ВС, для которой разработаны новая типовая схема и предложены рекомендации по оборудованию, реализованные в ГОСТ Р 52906-2008 п.5.7.

Полученные результаты дают возможность:

1. Сохранить качество реактивных топлив в процессе эксплуатации и повысил, надежность эксплуатации применяемого топливного оборудования для ГА РФ.

2. Применить разработанные методики и рекомендации для подготовки

топлива к заправке в ВС

3. Применить разработанный стенд для исследования и испытания характеристик, существующих фильтрюлеме1ггов и при разработке новых фильтроэлементов.

Список публикаций автора по теме диссертации включает 11 научных трудов, в том числе 5 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК при Минобрнауки РФ (20 е.); 4 публикации в трудах международных и всероссииских конференций (8 е.); 2 публикации в прочих изданиях (7 е.). Полнота изложения материалов диссертации в работах, опубликованных автором достаточная.

Список публикаций по теме диссертации, рекомендованных ВАК:

1 Осипов А.О. Вопросы технологии ввода ПВК жидкостей в авиационное то'пливо. / А.О. Осипов, К. Вихельмо Велапатиньо // Научный Вестник-М.: МГТУ ГА, 2006, №102, с. 129-131.

2 Осипов АО. Особенности модернизации аэродромного авиатопливозаправщика ТЗ-22. / А.О. Осипов // Научный Вестник МГТУ ГА - М.: МГТУ ГА, 2006, №102, с. 132-133.

3 Осипов А.О. Влияние отрицательных температур на фильтрацию реактивных топлив с ПВКЖ. / А.О. Осипов, Н.М. Лихтерова // Нефтепереработка и нефтехимия—М.: ОАО «ЦНИИТЭнефтехим» № 11,2011. с.67-70.

4 Осипов, А.О. Влияние температуры и концентрации присади! «И-м» на содержание воды в топливе. / А.О. Осипов, О.П. Осипов //Научный Вестник-М.: МГТУ ГА, №183, 2012, с. 34-36.

5 Осипов А О Разработка многофункционального стенда, моделирующего условия эксплуатации реальных фильтроэлементов в топливозаправщиках и агрегатах фильтрации топлива. / А.О. Осипов Научный Вестник-М.: МГТУ ГА, №183,2012, с. 92-98.

Список публикаций по теме диссертации в других изДа"""х:

1. Осипов, А.О. Проблемные вопросы эксплуатации / А О. О.П. Осипов // Информационный сборник Комитета по авиа ГСМ. - М.. а™ ИИЦ «Просветитель», №2,2007, с. 27.

топливе ТС-1. / А.О. Осипов, О.П. Осипов, Е.А. Коияев // Информационный сборник Комитета по авиаГСМ, АНО ИИЦ «Просветитель» - М.: №4, 2009.

Список докладов по теме диссертации:

1.Осипов, А.О. Вопросы технологии ввода ПВК жидкостей в авиационное топливо. / А.О. Осипов, К. Вихельмо Велапатиньо // Международная научно-техническая конференция МГТУ ГА «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества»: сборник трудов конференции. - М.: МГТУ ГА, 2006, с. 27.

2. Осипов, А.О. Проблемы модернизации аэродромного топливозаправщика ТЗ-22. / А.О. Осипов, К. Вихельмо Велапатиньо // Международная научно-техническая конференция МГТУ ГА «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества»: сборник трудов конференции. -М.: МГТУ ГА, 2006, с. 28.

З.Осипов, А.О. Методы обеспечения надежности топливо-регулирующей аппаратуры (ТРА) ГТД, связанные с качеством авиатоплива. / А.О. Осипов, К. Вихельмо Велапатиньо // Международная научно-техническая конференция МГТУ ГА «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества»: сборник трудов конференции. -М.: МГТУ ГА, 2006, с. 29-30.

4.0сипов, А.О. Проблемы фильтрации реактивных топлив с противоводокристаллизационными присадками при отрицательных температурах. / А.О. Осипов, Н.М. Лихтерова // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии - Волгоград, ВГТУ, 2011, с.50-53.

Печать офсетная 1,05 усл.печ. л.

Подписано в печать 27.11.14 г. Формат 60x84/16 Заказ № 1916133Л>

0,98 уч.-изд. л. Тираж 80 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакционно-издательский отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д.ба

© Московский государственный технический университет ГА, 2014