Химмотологическое обеспечение надежности авиационных газотурбинных двигателей

Москва

ИНФРА-М

2024

ХИММОТОЛОГИЧЕСКОЕ 
ХИММОТОЛОГИЧЕСКОЕ 

ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ
НАДЕЖНОСТИ
НАДЕЖНОСТИ
АВИАЦИОННЫХ
АВИАЦИОННЫХ
ГАЗОТУРБИННЫХ
ГАЗОТУРБИННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ
ДВИГАТЕЛЕЙ

ÌÎÍÎÃÐÀÔÈß
ÌÎÍÎÃÐÀÔÈß

Л.С. ЯНОВСКИЙ, А.А. ХАРИН
Л.С. ЯНОВСКИЙ, А.А. ХАРИН

Яновский Л.С.
Химмотологическое обеспечение надежности авиационных 
газотурбинных двигателей : монография / Л.С. Яновский, А.А. Харин. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 264 с. — (Научная мысль). — DOI 
10/12737/11469.
ISBN 978-5-16-010914-5 (print)
ISBN 978-5-16-102937-4 (online)
В книге систематизированы и обобщены результаты проведенных комплексных исследований обеспечения химмотологической надежности авиационных 
газотурбинных двигателей. Рассмотрены в совокупности вопросы химмотологии, 
механики и теплофизики как отечественных, так и зарубежных авиационных 
горючесмазочных материалов в реальных условиях эксплуатации авиационной 
техники.
Издание рассчитано на научных работников и инженеров, занимающихся 
проектированием, исследованием и эксплуатацией силовых и энергетических 
установок, а также транспортных средств. Книга будет полезна студентам авиационных, технологических, транспортных, эне ргетических специальностей 
технических вузов.

УДК 621.45.04:629.7.017.1
ББК 39.55

УДК 621.45.04:629.7.017.1
ББК 39.55
 
Я64

© Яновский Л.С., Харин А.А, 2015
ISBN 978-5-16-010914-5 (print)
ISBN 978-5-16-102937-4 (online)

Я64

Рецензенты:
Ф.М. Галимов — д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева;
С.И. Мартыненко — д-р физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Государственного 
научного центра РФ Центрального института авиационного моторостроения им. 
П.И. Баранова

Подписано в печать 14.03.2024.
Формат 6090/16. Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Усл. печ. л. 16,5. Уч.изд. л. 19,6. ППТ12. Заказ № 00000
ТК 356100-2125425-250515

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru     http://www.infra-m.ru

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ВВЕДЕНИЕ

Развитие авиатехники, рост параметров термодинамического цикла 

газотурбинных двигателей, необходимость увеличения их ресурса  требуют повышения надежности эксплуатации ГТД.

В значительной мере надежность эксплуатации авиадвигателей опре
деляется ее химмотологической компонентой (химмотологической надежностью), которая обусловлена качеством применяемых горючесмазочных материалов (ГСМ): реактивных топлив и авиамасел и их влиянием на эксплуатационные свойства соответствующих узлов и агрегатов 
ГТД.

Требования к качеству реактивных топлив определяется следующими 

факторами: особенностями организации рабочего процесса в ГТД; условиями его размещения и перекачивания по топливной системе; большим расходом топлива не только как источника энергии, но и в качестве 
смазывающей среды и рабочего тела в системах регулирования и в гидравлических проводах, в качестве охлаждающего агента [1].

При разработке требований к реактивным топливам учитывают из
менение давления и температуры топлива в полете.

Влияние нагрева топлива в топливной системе летательного аппарата 

можно рассмотреть на примере пассажирского самолета «Конкорд» 
[2–4]. Продолжительность полета самолета «Конкорд» около 3 часов, 
при этом 2,5 часа он летит со скоростью М = 2,2 на высоте 19,5 км. Топливная система этого самолета включает 13 баков. Топливо подается в 
каждый двигатель из отдельного расходного бака. Перекачка топлива из 
расходного бака осуществляется в строгой последовательности с целью 
обеспечения балансировки самолета и поддержания минимальной температуры топлива в расходных баках.

Подача топлива в двигатель производится через теплообменники, 

в которых охлаждается жидкость гидросистем и воздух системы кондицианирования. Далее основная масса топлива поступает в основной 
контур двигателя и, частично, в форсажный контур, через подогреватель, топливо-масляный радиатор (ТМР), фильтр тонкой очистки, насос 
высокого давления, регулятор расхода топлива и форсунки основного 
контура. За два часа крейсерского полета температура топлива в расходном баке повышается на 50 °С, максимальное ее значение не превышает 
85 °С. В других элементах топливной системы максимальная температура составляет: в топливной форсунке основного контура 230 °С; 
в ТМР — 150 °С; в воздушном и гидравлическом радиаторах 120 °С [3–5].

Отечественный самолет аналогичного назначения при высоте полета 

18 000 м на разных режимах, включая режим сверхзвукового полета с 
максимальной скоростью М = 2,3, имеет наибольшую температуру топлива в расходном баке 80 °С (крейсерский режим) и 100 °С в конце планирования. На крейсерском режиме температура топлива перед форсунками достигала 125 °С, при снижении самолета — 150 °С [5].

Скорость современных истребителей достигает 3М. Температура топ
лива в расходных баках может повышаться на 2 °С за каждые 1–2 мин 
полета при температуре воздуха в пограничном слое около 300 °С.

Нагрев топлива до 150 °С в расходных баках возможен только при 

времени полета не менее чем 2 ч. В то же время боевые самолеты летают 
на максимальной скорости не более 5–10 минут, поэтому температура 
топлива в расходных баках повышается примерно на 30 °С.

Для самолетов с неподогретым топливом максимальная температура 

топлива на входе в основной и форсажные насосы двигателей достигала 
96 °С. 

При предварительном нагреве топлива до 50 °С и тех же режимах 

температура топлива составляла 129 °С.

На отечественном скоростном истребителе при температуре заправ
ляемого топлива 40 °С, перепуске топлива при 180 °С и планирования с 
динамического потолка максимальная температура топлива не превышала 115 °С. При этом максимальное значение температуры топлива в 
дополнительном контуре форсунки было равно 250–270 °С [6].

Охлаждение топлива происходит при длительных полетах с дозвуко
вой скоростью. При этом в топливе могут образовываться кристаллы 
льда и высокомолекулярных парафиновых  углеводородов нормального 
строения.  Кроме того, охлаждение топлива способствует повышению 
его вязкости. Наибольшая скорость охлаждения (~ 20 °С в час) наблюдается в первые часы полета, затем скорость охлаждения снижается до 
5 °С/ч. Зафиксированная минимальная температура топлива в баках 
самолетов не превышала минус 43,5 °С [7].

Резкое снижение давления и температуры окружающего воздуха при 

наборе самолетом высоты неблагоприятно сказывается на процессе сгорания топлива. С подъемом на высоту плотность воздуха падает, его массовый расход уменьшается. Необходимость сохранения заданного состава топливовоздушной смеси приводит к снижению расхода топлива, 
уменьшению давления впрыска, ухудшению качества распыливания  и 
испарения, что способствует нарушению процессов воспламенения и 
горения. Неполное сгорание компонентов топлива при высокой теплонапряженности камеры сгорания способствует образованию в пламени 
углистых частиц, повышающих его излучательную способность и образующих нагары на  поверхности жаровой трубы. Нагары вызывают 
местные перегревы жаровой трубы, коробление и растрескивание [1, 8]. 
Большой удельный расход реактивных топлив влияет на ресурсы топлива, их стоимость и предопределяет  повышенные требования к плотности и чистоте топлив.

Таким образом, современные реактивные топлива должны отвечать 

следующим требованиям: обладать высокой плотностью и теплотой сгорания; обеспечивать устойчивое сгорание с высокой скоростью; полностью испаряться и воспламеняться в широких пределах состава топливовоздушной смеси; хорошо перекачиваться по топливной системе 
летательного аппарата при любых температурах, низком давлении в ба

ках и при полетах на больших высотах; не содержать зольных элементов, 
не образовывать нагара и высоко- и низкотемпературных отложений; 
иметь низкую агрессивность по отношению к конструкционным и уплотнительным материалам; обладать хорошими противоизносными, 
защитными и охлаждающими свойствами; быть малотоксичными и 
иметь высокую стабильность в условиях длительного хранения, транспортирования и применения [1, 8].

Из перечисленных выше требований, характеризующих пригодность 

реактивного топлива к применению по прямому назначению, основными являются теплота сгорания, термоокислительная стабильность, 
вязкость, совместимость с материалами и противоизносные свойства.

С развитием ГТД растут степень повышения давления за компрессо
ром и температура газа перед турбиной, что усиливает тенденцию к интенсификации образования коксоотложений в топливных коллекторах, 
тем более при работе на топливах ухудшенного качества. Кроме того, 
переход к использованию в ГТД регенеративного цикла с применением 
топливогазовых теплообменников также требует подавления коксоотложений в их тракте.

В настоящее время установлено, что образование кокса происходит 

при нагреве реактивных топлив. Скорость образования  коксоотложений 
в общем случае определяется как химическими реакциями, происходящими в топливах, так и процессами массопереноса продуктов этих реакций, которые зависят от целого ряда факторов, а именно: химического 
состава и фазового состояния топлива, температур потока и стенки, давления и скорости потока, материала и состояния поверхностей контактирующих с топливом стенок. При постоянном тепловом потоке образование коксоотложений на стенках приводит к перегреву последних; 
при этом степень перегрева определяется как толщиной коксоотложений, так и теплофизическими  свойствами кокса, зависящими от его 
состава и структуры. В связи с этим расчет и проектирование узлов ГТД, 
охлаждаемых топливами, определение их ресурса и эксплуатационных 
свойств требуют знания механизмов и кинетики реакций, происходящих 
в топливах при нагреве, закономерностей тепло- и массообмена в углеводородных топливах в широком диапазоне параметров, а также знания 
физических свойств коксоотложений.

Аналогичные проблемы возникают и при нагреве авиамасел в масло- 

системах ГТД.

Высокая теплонапряженность ГТД и постоянный рост температур 

воздуха и газа по тракту двигателя, сопровождающие создание новых и 
модернизацию существующих ГТД, требуют применения смазочных 
масел, обладающих высокими эксплуатационными свойствами.

Масла в авиационных ГТД работают при различных режимах трения, 

высоких температурах, нагрузках, скоростях перемещения трущихся 
деталей, в контакте с различными конструкционными материалами, в 
условиях высокой аэрации.

Масла для ГТД должны обладать высокой термической и термоокис
лительной стабильностью, хорошими смазывающими и вязкостно-температурными свойствами, низкой испаряемостью и температурой застывания, высокими теплоемкостью, температурой вспышки и самовоспламенения, низкой агрессивностью к конструкционным 
материалам при рабочих температурах в двигателях, хорошими защитными свойствами, малой вспениваемостью и т.п.

В научно-технической литературе вопросы образования, подавления 

и удаления смоло- и коксоотложений из элементов и узлов ГТД, повышения ресурса узлов трения, смазываемых реактивными топливами и 
маслами, повышения термоокислительной стабильности топлив и масел 
в условиях высокотемпературного нагрева, изучены фрагментарно и 
явно недостаточно для обеспечения решения  проблемы повышения 
химмотологической надежности ГТД.

Это обстоятельство в значительной мере предопределило  и поста
новку целей и задач данной книги.

В главе 1 дан обзор и анализ проблем, возникающих в ГТД вслед
ствие снижения  качества топлив в условиях эксплуатации, приведены 
данные по эксплуатационным свойствам и тенденциям изменения качества как отечественных, так и зарубежных топлив и масел, которые 
позволяют сделать прогноз возможностей повышения химмотологической надежности ГТД.

На основании анализа научно-технической литературы и опыта ра
боты авторов в области авиационной науки и техники сформулированы 
цели и задачи исследований.

В главе 2 приведены результаты работы по изучению влияния реак
тивных топлив, концентрации растворенной и эмульсионной воды, а 
также концентрации растворенного в топливе кислорода (воздуха) на 
характеристики износа пар трения, применяемых в узлах трения ГТД.

В главе 3 приведены результаты систематических исследований по 

установлению закономерностей образования смоло- и коксоотложений 
при различных режимах течения (турбулентный, переходный,  ламинарный) реактивных топлив и, для сравнения, индивидуальных углеводородов и их смесей, при нагреве в каналах. Установлено влияние растворенных в топливе кислорода и примесей, температур топлива и стенок 
канала, материала и состояния (качества обработки) стенки на закономерности образования коксоотложений.

В главе 4 приведены результаты математического моделирования 

закономерностей образования  смоло- и коксоотложений  при течении 
реактивных топлив в каналах в условиях их нагрева и охлаждения, предложены физико-химические модели образования кокса, двумерные и 
одномерные модели процессов образования коксоотложений при течении топлив в каналах ГТД. 

Проведено математическое моделирование закономерностей и дан 

анализ условий образования коксоотложений в топливных коллекторах 
основной и форсажной камер сгорания ГТД как в стационарных, так и 

в нестационарных (запуск, останов.) условиях. Даны рекомендации по 
уменьшению коксоотложений в топливных коллекторах камер сгорания 
ГТД.

Глава 5 посвящена сравнительному исследованию различных фи
зико-механических, физико-химических и химико-термических методов 
удаления коксоотложений из очищаемых узлов и топливопроводов ГТД. 
Разработан эффективный метод удаления коксоотложений, основанный 
на предварительной обработке кокса озонсодержащей  реакционноактивной газовой смесью с последующей промывкой водными растворами органических и неорганических соединений.

В главе 6 приведены результаты работы по повышению термоокис
лительной стабильности массового прямогонного реактивного топлива 
ТС-1 до уровня термостабильного топлива РТ (т.е. на 50–60о) путем создания эффективной полифункциональной присадки и определения ее 
оптимальной концентрации в топливе, а также по повышению термоокислительной стабильности авиамасел путем выбора их оптимальных 
композиций.

Полученные авторами материалы представляют собой базу, позволя
ющую разрабатывать научные основы повышения химмотологической 
надежности авиационных газотурбинных двигателей, что позволит увеличить ресурс и надежность отечественной авиатехники и повысить ее 
конкурентоспособность на мировом рынке.

Авторы выражают искреннюю благодарность коллегам по ЦИАМ за 

помощь, оказанную при выполнении исследований и разработок и их 
внедрении в авиадвигателестроение.

ГлаВа 1 

ХИммотолоГИчЕская НаДЕжНость 
ГазотурбИННыХ ДВИГатЕлЕй (ГтД)

1.1. факторы, опрЕДЕляющИЕ ХИммотолоГИчЕскую 

НаДЕжНость

Авиационная химмотология решает задачи [1] проектирования и 

конструирования авиационной техники с учетом требований к применяемым горючесмазочным материалам, повышения эксплуатационных 
свойств топлив и масел для авиатехники, разработки и производства 
новых ГСМ (рис. 1.1.1.). Успехи в каждой из перечисленных областей 
позволяют повысить надежность авиационной техники.

Химмотологическая надежность обеспечивается решением следу
ющих задач [9]:

При проектировании ГТД:

1. Оптимизация требований конструкции двигателя к качеству топлив 

и масел.

2. Расчет рационального запаса ГСМ для элементов силовых установок.
3. Обоснование рентабельности летательного аппарата из условий ре
комендаций применения ГСМ на двигателе.

4. Разработка предложений по использованию сортов топлив для раз
личных типов двигателей.
При производстве горючесмазочных материалов:

1. Совершенствование технологии получения ГСМ.
2. Повышение качества и обеспечение стабильности производимых 

ГСМ.

3. Совершенствование системы контроля качества ГСМ.

рис. 1.1.1

4. Улучшение процессов отгрузки и транспортирования ГСМ.

При эксплуатации силовых установок с ГТД:

1. Грамотное применение сортов топлива и смазок.
2. Точность выполнения регламентов и совершенствование наземных 

средств эксплуатации.

3. Улучшение процессов приема, перекачки и заправки ГСМ.
4. Совершенствование методов сохранения качества ГСМ.
5. Улучшение экспресс-методов контроля качества топлива.

Надежность — это категория, определяющая состояние авиационной 

силовой установки. В теории надежности для количественных оценок 
используются методы математической статистики [10], так как отказы 
являются случайными событиями и подчиняются законам теории вероятности. Любое изделие, в том числе и ГТД, в теории надежности подразделяется на восстанавливаемое и невосстанавливаемое. Невосстанавливаемое работает до первого отказа, восстанавливаемое продолжает 
работать после ликвидации причин отказа. В обоих случаях для решения 
задач надежности изучение закономерностей работы ГТД до первого 
отказа позволяет выработать рекомендации по регламентным и профилактическим работам, которые потребуется выполнять при эксплуатации данной силовой установки.

Рассмотрим факторы, влияющие на химмотологическую надежность 

ГТД.

Тенденция развития ГТД неразрывно связана с увеличением тепло
вой нагрузки практически на все агрегаты и элементы силовой установки, в том числе на топливную и масляную системы.

В связи с этим возникает необходимость в изучении процессов, про
исходящих в топливе и масле при их движении с интенсивным подводом 
теплоты.

При нагреве реактивные топлива и масла склонны к образованию 

твердых агломератов, появляющихся как в объеме, так и выпадающих 
на стенки каналов в виде отложений. Очевидно, что коксовые отложения оказывают влияние на термическое сопротивление стенок коллекторов и ТМР, характеристики пограничного слоя движущейся жидкости, 
гидравлическое сопротивление каналов, полноту сгорания топлива, нагарообразование, дымление и др.

В процессе эксплуатации это приводит к изменению свойств топлива 

и масла и, как следствие, к изменению характеристик горения (уменьшению полноты сгорания, увеличению выброса канцерогенных и мутагенных веществ), а в некоторых случаях и к полному выходу из строя 
топливных коллекторов и форсунок из-за загромождения сечения каналов коксом.

1.1.1. 
Влияние низкотемпературных отложений

Склонность реактивных топлив к образованию отложений связана с 

происходящими в них процессами окисления, конденсации и полимеризации гетероатомных соединений. Эти процессы протекают как при 

высоких, так и при низких температурах, только с меньшей скоростью. 
В работах [11, 12] показано, что механизм окисления топлив меняется 
при достижении температур 110–130 °С. При более низких температурах 
нет принципиального различия в механизме образования отложений в 
реактивных топливах: начиная от температуры начала кристаллизации 
и до указанных температур меняется лишь скорость процесса. Низкотемпературные отложения в основном образуются на стенках складских 
топливных резервуаров, фильтрах тонкой очистки заправочных средств, 
а также в топливных системах самолетов на фильтрах тонкой очистки, 
деталях топливоподающей аппаратуры и в топливомасляных радиаторах. 
Такие отложения сравнительно легко удаляются при плановых зачистках 
резервуаров, и при надлежащем фильтровании топлива при заправке 
они не попадают в топливные системы летательных аппаратов.

Образование отложений в топливных системах двигателей ЛА обу
словлено нагревом топлива. Эти отложения могут забивать фильтры, 
нарушать работу топливорегулирующей аппаратуры и снижать эффективность охлаждения двигателей и теплообменных аппаратов.

Склонность топлив к образованию низкотемпературных отложений 

принято оценивать по содержанию фактических смол и по йодному 
числу. Указанное свойство можно характеризовать и другими показателями, отражающими содержание и характер гетероатомных соединений. 
О содержании гетероатомных соединений можно, например, судить и 
по кислотности топлива, определение которой также предусмотрено 
соответствующими стандартами.

Содержание фактических смол косвенно характеризует суммарную 

долю находящихся в топливе гетероатомных соединений, способных к 
образованию осадков и отложений окислительного характера. Йодное 
число характеризует содержание в топливе алкенов, которые из всех 
находящихся в нем углеводородов являются наиболее склонными к 
окислению и дальнейшим превращениям. Среди отечественных товарных топлив наихудшим по содержанию фактических смол является прямогонное топливо Т-1. Поскольку в результате гидрогенизации нефтяных фракций из них удаляется основная масса гетероатомных соединений, в гидрогенизационных топливах, подвергшихся такой обработке, 
содержится незначительное количество фактических смол (до 
2 мг/100мл).

Топливо ТС-1 в связи с использованием для его получения малосмо
листых нефтей, с вовлечением в него в ряде случаев до 70% гидроочищенной фракции, а также из-за более низкой температуры конца кипения, содержит фактических смол значительно меньше, чем топливо Т-1. 
По этим же причинам йодное число топлив, подвергшихся гидрогенизации, мало и составляет 0-0,5г J2/мл, для остальных топлив оно, как 
правило, в несколько раз больше. Аналитических зависимостей между 
указанными показателями и отложениями, образующимися в топливах 
в процессе эксплуатации ГТД, пока не установлено. Однако отмечается, 
что по склонности к низкотемпературным отложениям в топливных