RU2044032C1

RU2044032C1 - Aviation condensed fuel

Info

Publication number: RU2044032C1
Application number: RU93003845A
Authority: RU
Inventors: Е.М. Брещенко; Г.А. Панасян; Л.А. Мартыненко; О.М. Кудинова; С.М. Топлов; В.П. Зайцев; Н.Ф. Дубовкин; М.Г. Васильева; Г.Н. Леонов
Original assignee: Акционерное общество "Интеравиагаз"
Priority date: 1993-01-26
Filing date: 1993-01-26
Publication date: 1995-09-20

Abstract

FIELD: aviation fuels. SUBSTANCE: aviation condensed fuel contains, mas. propane 6-10; n. butane 13-22; isobutane 34-48; n.pentane 10-12; isopentane 10-15; hexanes 5-11; heptanes 0.8-5; octanes 0.4-2.1 and above. EFFECT: higher efficiency. 1 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к моторным топливам, преимущественно авиационным, используемым в газотурбинных двигателях, в частности вертолетах. The invention relates to motor fuels, mainly aviation, used in gas turbine engines, in particular helicopters.

Известно авиационное топливо ТС-1, получаемое из нефти по ГОСТ 10227-62, в состав которого входят парафиновые углеводороды в количестве 42-52% нафтеновые 30-49% ароматические 11-21% и олефиновые 1-2% Топливо ТС-1 является основным прямогонным топливом для гражданской авиационной техники и широко применяется в настоящее время. It is known aviation fuel TS-1, obtained from oil in accordance with GOST 10227-62, which includes paraffin hydrocarbons in the amount of 42-52% naphthenic 30-49% aromatic 11-21% and olefinic 1-2% TC-1 fuel is the main straight run fuel for civil aviation equipment and is widely used at present.

Однако из-за сокращения добычи нефти потребности народного хозяйства в авиационном топливе не удовлетворяются. В дальнейшем положение с топливом будет еще больше осложняться. However, due to the reduction in oil production, the needs of the national economy in aviation fuel are not satisfied. In the future, the situation with fuel will be further complicated.

Проблема с топливом особенно остро стоит в районах Западной Сибири и Крайнего Севера в связи с непрерывным увеличением объема работ, выполняемых вертолетами, и трудностями поставки в эти районы авиационного топлива из центральных областей России. Расходы на транспортировку топлива сопоставимы с исходной его стоимостью. Все это привело к необходимости поиска дополнительных ресурсов сырья для получения моторного топлива в этих районах. С другой стороны, экологическая обстановка в районе аэропортов и крупных населенных пунктов далеко не соответствует санитарным нормам, что обусловлено прежде всего дымлением авиационных газотурбинных двигателей и двигателей наземного транспорта, работающих на традиционных топливах, получаемых из нефти. Важным фактором является также ресурс газотурбинных двигателей, определяемый в значительной мере тепловым состоянием горячего тракта двигателя, в том числе стенок жаровой трубы камеры сгорания. Тепловое состояние камеры сгорания зависит от излучающей способности пламени, которое определяется температурой и степенью черноты излучающего пламени, связанной с химической природой углеводородов. Минимальная излучающая способность наблюдается у парафиновых углеводородов, максимальная у ароматических. В условиях Крайнего Севера и при низких температурах окружающего воздуха немаловажное значение имеет и возможность запуска газотурбинного двигателя, определяемая возможностью легкого образования горючей паровоздушной смеси в камере сгорания на режиме запуска. Это качество топлива характеризуется температурой вспышки и температурой выкипания 10% топлива по кривой разгонки. The problem with fuel is especially acute in areas of Western Siberia and the Far North due to the continuous increase in the volume of work performed by helicopters and the difficulties in delivering aviation fuel to these areas from the central regions of Russia. The cost of transporting fuel is comparable to its original cost. All this led to the need to search for additional resources of raw materials for obtaining motor fuel in these areas. On the other hand, the environmental situation in the area of airports and large settlements is far from meeting sanitary standards, which is primarily due to the smoke of aircraft gas turbine engines and ground transport engines using traditional fuels derived from oil. An important factor is also the resource of gas turbine engines, which is determined to a large extent by the thermal state of the engine’s hot path, including the walls of the flame tube of the combustion chamber. The thermal state of the combustion chamber depends on the emissivity of the flame, which is determined by the temperature and degree of blackness of the emitting flame associated with the chemical nature of the hydrocarbons. The minimum emissivity is observed for paraffin hydrocarbons, the maximum for aromatic. In the Far North and at low ambient temperatures, the ability to start a gas turbine engine, determined by the possibility of easy formation of a combustible vapor-air mixture in the combustion chamber during start-up, is of no small importance. This fuel quality is characterized by a flash point and a boiling point of 10% of the fuel according to the acceleration curve.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является авиационное сконденсированное топливо для газотурбинных двигателей на основе смеси парафиновых углеводородов общей формулы C_nH_2n+2-Н-деканов и Н-додеканов в количестве не менее 45 мас. ароматических углеводородов общей формулы С_nH_2n-6 в количестве 12-16 мас. олефиновых углеводородов общей формулы C_nH_2n остальное.The closest to the proposed technical essence and the achieved result is aviation condensed fuel for gas turbine engines based on a mixture of paraffin hydrocarbons of the general formula C _n H _{2n + 2} -H-decanes and N-dodecans in an amount of not less than 45 wt. aromatic hydrocarbons of the General formula With _n H _2n-6 in an amount of 12-16 wt. olefinic hydrocarbons of the general formula C _n H _{2n the} rest.

Недостатком известного топлива является высокая температура застывания (от -29 до -45^оС), затрудняющая его использование в районах Крайнего Севера, значительная склонность к дымлению, увеличивающая содержание токсичных веществ в отработавших продуктах сгорания, а также ограниченные ресурсы для получения этого топлива.The disadvantage of this fuel is high pour point (-29 to -45 ^C), which hinders its use in the Far North, considerable tendency to smoke is, increasing the content of toxic substances in the exhaust combustion products, and limited resources for that fuel.

Задачей изобретения является расширение сырьевой базы для получения авиационных топлив, улучшение экологической обстановки путем снижения содержания токсичных веществ в отработавших газах, а также повышение надежности и ресурса авиационных газотурбинных двигателей. The objective of the invention is to expand the raw material base for aviation fuels, improve the environmental situation by reducing the content of toxic substances in exhaust gases, as well as increase the reliability and resource of aircraft gas turbine engines.

Эта задача решается тем, что в авиационном сконденсированном топливе на основе смеси парафиновых углеводородов общей формулы С_nH_2n+2 в качестве парафиновых углеводородов оно содержит парафиновую фракцию С₃-С₈ при следующем соотношении компонентов, мас. Пропан С₃Н₈ 6-10 Нормальный бутан С₄Н₁₀ 13-22 Изобутан С₄Н₁₀ 34-48 Нормальный пентан С₅Н₁₂ 10-12 Изопентан С₅Н₁₂ 10-15 Гексаны С₆Н₁₄ 5-11 Гептаны С₇Н₁₆ 0,8-5 Октаны С₈Н₁₈ +высшие 0,4-2,1
Легкие парафиновые углеводороды, входящие в состав авиационного сконденсированного топлива, обладают низкой излучающей способностью продуктов сгорания, экологически более чистые, обладают хорошими пусковыми свойствами в условиях низких температур.This problem is solved in that in aviation condensed fuel based on a mixture of paraffin hydrocarbons of the general formula C _n H _{2n + 2} as paraffin hydrocarbons it contains a paraffin fraction C ₃ -C ₈ in the following ratio of components, wt. Propane C ₃ H ₈ 6-10 Normal butane C ₄ H ₁₀ 13-22 Isobutane C ₄ H ₁₀ 34-48 Normal pentane C ₅ H ₁₂ 10-12 Isopentane C ₅ H ₁₂ 10-15 Hexanes C ₆ H ₁₄ 5-11 Heptanes C ₇ H ₁₆ 0.8-5 Octanes C ₈ H ₁₈ + higher 0.4-2.1
Light paraffin hydrocarbons, which are part of aviation condensed fuel, have low emissivity of combustion products, environmentally friendly, have good starting properties at low temperatures.

Авиационное топливо предлагаемого состава получают из широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), вырабатываемой на всех газоперерабатывающих заводах одним из известных способов при переработке нефтяных газов различного углеводородного состава от С₁ до С₁₀.Aviation fuel of the proposed composition is obtained from a wide fraction of light hydrocarbons (NGL) produced at all gas processing plants using one of the known methods for processing petroleum gases of various hydrocarbon compositions from C ₁ to C ₁₀ .

ШФЛУ представляет собой смесь углеводородов при следующем их массовом содержании (по ТУ-38.101524-83), мас. Метан этан СН₄-С₂Н₆ 3-5 Пропан С₃Н₈ Не менее 15 Бутаны С₄Н₁₀ + пентаны Не менее 35 гексаны С₆Н₁₄ Не более 11, остальное приходится на углеводороды С₇-С₁₀.BFLH is a mixture of hydrocarbons at their next mass content (according to TU-38.101524-83), wt. Methane ethane СН ₄ -С ₂ Н ₆ 3-5 Propane С ₃ Н ₈ Not less than 15 Butanes С ₄ Н ₁₀ + pentanes Not less than 35 hexanes С ₆ Н ₁₄ Not more than 11, the rest is from С ₇ -С ₁₀ hydrocarbons.

По прогнозам ассоциации "Нефтегазпереработка" перспективы производства ШФЛУ только в Западной Сибири в 2000 г составят 13,6 млн.т. При этом нераспределенные (свободные) объемы составят 5,1 млн.т. Из этого количества можно произвести дополнительно примерно 2,5 млн.т. авиационного сконденсированного топлива (АСКТ). Таким образом, использование нефтяного газа только одного нефтедобывающего региона страны позволит примерно на 10-15% увеличить ресурсы авиационного топлива для гражданской авиации. Для получения предлагаемого топлива ШФЛУ подвергают ректификации на установке, схема которой представлена на чертеже. According to the forecasts of the Neftegazpererabotka association, the prospects for the production of NGL only in Western Siberia in 2000 will amount to 13.6 million tons. At the same time, unallocated (free) volumes will amount to 5.1 million tons. About 2.5 million tons can be produced from this amount. aviation condensed fuel (ASKT). Thus, the use of oil gas in only one oil-producing region of the country will allow increasing aviation resources for civil aviation by approximately 10-15%. To obtain the proposed fuel BFLH is subjected to rectification at the installation, a diagram of which is shown in the drawing.

Установка ректификации содержит ректификационную колонну 1 трубопровод 2 подачи ШФЛУ, воздушный холодильник 3, рефлюксную емкость 4, насос 5, трубопровод 6 для отвода пропано-бутановой фракции (автомобильное топливо), воздушный холодильник 7, трубопровод 8 для отвода авиационного сконденсированного топлива, ребойлер 9, трубопровод 10 орошения ректификационной колонны 1. В процессе производства сырье для получения топлива ШФЛУ, получаемое на газоперерабатывающем заводе, например, способом низкотемпературной ректификации под давлением 30-35 кгс/см², дросселируют до давления 17 кгс/см² и при температуре 78-80^оС подают в середину ректификационной колонны 1. Верхний продукт из ректификационной колонны 1 охлаждают в воздушном холодильнике 3 до температуры 35^оС и направляют в рефлюксную емкость 4, из которой часть продукта пропан-бутановую фракцию ПБФ, насосом 5 подают на орошение колонны 1, а другую часть отбирают в качестве автомобильного топлива, бытового сжиженного газа или сырья для нефтехимии или закачивают в основную массу ШФЛУ, не подвергающуюся перегонке. Нижний продукт авиационное топливо через воздушный холодильник 7 со снижением температуры с 93 до 35^оС подают в товарный парк как готовый продукт (АСКТ). Подогрев низа колонны 1 осуществляют с помощью ребойлера 9.The distillation unit contains a distillation column 1, a BFLH supply pipe 2, an air cooler 3, a reflux tank 4, a pump 5, a pipe 6 for venting the propane-butane fraction (automobile fuel), an air cooler 7, a duct 8 for venting condensed aviation fuel, a reboiler 9, distillation column irrigation pipe 10 1. During the production process, raw materials for producing BFLH fuel obtained at a gas processing plant, for example, by means of low-temperature distillation under a pressure of 30-35 kg / cm ^2, is throttled to a pressure of 17 kgf / cm ² and at a temperature of 78-80 ^{° C} is fed into the middle of the distillation column 1. The top product from the distillation column 1 is cooled in the air cooler 3 to a temperature of 35 ^{° C} and fed to a reflux vessel 4, of which part of the product is a propane-butane fraction of PBF, pump 5 serves for irrigation of column 1, and the other part is taken as automobile fuel, household liquefied gas or raw materials for petrochemicals or pumped into the bulk of non-distillated bottled liquids. The lower product aviation fuel through an air cooler 7 with a temperature drop from 93 to 35 ^about With served in the fleet as a finished product (ASKT). The bottom of the column 1 is heated using a reboiler 9.

Сравнительные данные предлагаемого топлива (АСКТ), стандартного авиационного топлива ТС-1 и близких по свойствам к АСКТ пропано-бутанового автомобильного топлива (ПБА), стабильного газового бензина (СГБ) и широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) представлены в табл. 1. Comparative data of the proposed fuel (ASKT), standard aviation fuel TS-1, and propane-butane automobile fuel (PBA), stable gas gasoline (GBS) and a wide fraction of light hydrocarbons (NGL) similar in properties to ASKT are presented in Table. 1.

Из данных табл. 1 видно, что предлагаемое топливо (АСКТ) превосходит топливо ТС-1 по теплоте сгорания, обладает существенно меньшей склонностью к отложениям нагара в камере сгорания, дымлению и излучению пламени, не содержит ароматических углеводородов. From the data table. 1 it can be seen that the proposed fuel (ASKT) surpasses the TS-1 fuel in terms of calorific value, has a significantly lower tendency to deposit deposits in the combustion chamber, smoke and flame radiation, does not contain aromatic hydrocarbons.

ШФЛУ обладает повышенным давлением насыщенных паров из-за наличия в нем метана и этана. Это ограничивает возможность использования его в качестве авиационного топлива. Автомобильное топливо (ПБА), выпускаемое по ГОСТ 25578-87, в состав которого входят: пропан 50 ± 10 мас. непредельные углеводороды не более 6% содержание метана, этана и углеводородов С_4+в не нормируется, не может использоваться в авиационной технике из-за высокого давления насыщенных паров (16 кгс/см² при 45^оС). Стабильный газовый бензин (СГБ) выпускается по ТУ 39-1340-89. СГБ существенно уступает АСКТ по теплоте сгорания и более склонен к отложению нагара.NGL has a high saturated vapor pressure due to the presence of methane and ethane in it. This limits the possibility of using it as aviation fuel. Automobile fuel (PBA), produced according to GOST 25578-87, which includes: propane 50 ± 10 wt. unsaturated hydrocarbons of not more than 6% of methane, ethane and C _{4 + hydrocarbons} is not standardized, can not be used in aeronautical engineering because of the high vapor pressure (16 kgf / cm ² at ⁴⁵ ° C). Stable gas gasoline (SGB) is produced according to TU 39-1340-89. GBS is significantly inferior to ASKT in calorific value and is more prone to deposits.

Таким образом, предлагаемое топливо по сравнению с выпускаемыми промышленностью обладает рядом преимуществ по эксплуатационным свойствам. Thus, the proposed fuel in comparison with manufactured by the industry has several advantages in terms of operational properties.

В табл. 2 приведены данные по физико-химическим свойствам АСКТ с различным процентным содержанием компонентов фракции С₃-С₈. Определяющим фактором по теплоте сгорания, давлению насыщенных паров и плотности является содержание пропана С₃Н₈. Образец 1 содержит максимальное количество пропана 10 мас. образец 2 содержит 7 мас. пропана и образец 3 минимальное количество пропана 6 мас. Содержание остальных компонентов указано в табл. 2.In the table. 2 shows data on the physicochemical properties of ASKT with various percentages of the components of the C ₃ -C ₈ fraction. The determining factor in the calorific value, saturated vapor pressure and density is the content of propane C ₃ H ₈ . Sample 1 contains a maximum amount of propane of 10 wt. sample 2 contains 7 wt. propane and sample 3 minimum amount of propane 6 wt. The contents of the remaining components are indicated in table. 2.

Увеличение количества пропана сверх 10 мас. приводит к резкому увеличению давления насыщенных паров, например при содержании пропана 12 мас. давление насыщенных паров при 40^оС составляет более 5 кгс/см², что требует введения существенных конструктивных изменений в систему подачи топлива в ГТД и систему регулирования, а уменьшение количества пропана ниже 6 мас. приводит к снижению теплоты сгорания, а это связано с падением экономичности ГТД, т. е. с увеличением удельных расходов топлива. При этом ухудшаются показатели топлива по дымлению и излучению из-за увеличения содержания в нем более тяжелых углеводородов. Таким образом, предлагаемый состав АСКТ является оптимальным.The increase in the amount of propane in excess of 10 wt. leads to a sharp increase in saturated vapor pressure, for example, with a propane content of 12 wt. vapor pressure ^at 40 ° C is more than 5 kgf / cm ^2, which requires the introduction of significant structural changes in the fuel supply system in a CCD and control system, and reduction in the amount of propane below 6 wt. leads to a decrease in calorific value, and this is due to a decrease in the efficiency of a gas turbine engine, i.e., with an increase in specific fuel consumption. At the same time, the fuel performance for smoke and radiation is deteriorating due to an increase in the content of heavier hydrocarbons in it. Thus, the proposed composition of ASKT is optimal.

В ОКБ с участием ЦИАМ, ЦАГИ и ВНИПИгазпереработки были успешно проведены испытания авиационного сконденсированного топлива на основе парафиновых углеводородов С₃-С₈ на двигателе ТВ2-117ТГ и вертолете Ми-8ТГ в стендовых и летных условиях. Были получены следующие результаты. Запуск двигателя на предлагаемом топливе обеспечивается в широком диапазоне температур, в том числе и отрицательных, с первой попытки, а время приемистости от малого газа до максимального режима сокращается на 3-4 с. Степень неравномерности поля температур газа на выходе из камеры сгорания (перед турбиной) при работе на предлагаемом топливе соответствует степени неравномерности поля температур при работе на штатном топливе. Температура стенок жаровой трубы камеры сгорания при работе на предлагаемом топливе была в среднем на 40^оС ниже, чем на штатном топливе, что объясняется низкой излучающей способностью продуктов сгорания. Продукты сгорания на выходе из двигателя при работе на предлагаемом топливе были прозрачными (без дымления), а экономичность двигателя возросла примерно на 4% Визуальный осмотр газового тракта двигателя после окончания испытаний не выявил каких-либо дефектов (трещин и короблений стенок) и отложений нагара. На основании изложенного можно сделать вывод, что предлагаемое топливо превосходит штатное авиационное топливо (керосин) по характеристикам горения, эксплуатационным свойствам и экологическим показателям. Использование предлагаемого топлива приводит к некоторому улучшению основных характеристик двигателя и вертолета на всех режимах работы в наземных и летных условиях, при этом обеспечивается всережимная работа системы автоматического управления двигателем.The OKB with the participation of TsIAM, TsAGI and VNIPIgazpererabotka successfully tested aviation condensed fuel based on C ₃ -C ₈ paraffin hydrocarbons on a TV2-117TG engine and a Mi-8TG helicopter under bench and flight conditions. The following results were obtained. Starting the engine on the proposed fuel is provided in a wide range of temperatures, including negative ones, on the first try, and the throttle response time from small gas to the maximum mode is reduced by 3-4 s. The degree of unevenness of the gas temperature field at the outlet of the combustion chamber (in front of the turbine) when operating on the proposed fuel corresponds to the degree of unevenness of the temperature field when operating on standard fuel. Flame tube wall temperature of the combustion chamber when the fuel has been proposed for an average of ^about 40 C lower than the nominal fuel due to the low emissivity of the combustion products. The combustion products at the engine outlet when operating on the proposed fuel were transparent (without smoke), and the engine's efficiency increased by about 4%. Visual inspection of the engine gas path after testing did not reveal any defects (cracks and warping of the walls) and deposits of soot. Based on the foregoing, we can conclude that the proposed fuel is superior to regular aviation fuel (kerosene) in terms of combustion characteristics, operational properties and environmental performance. The use of the proposed fuel leads to some improvement in the basic characteristics of the engine and helicopter at all operating modes in ground and flight conditions, while ensuring the all-mode operation of the automatic engine control system.

По данным ассоциации "Нефтегазпереработка", производство ШФЛУ в 1991 г. только в Западной Сибири составило 7,2 млн.т. из которых около 3 млн.т. остались нераспределенными. Учитывая то, что при переработке ШФЛУ выход АСКТ составляет ≈50% из нераспределенного количества ШФЛУ можно получить ≈1,5 млн. т. авиационного топлива, а в целом по стране увеличить ресурсы авиационных топлив не менее чем на 10-15% и получить значительный народнохозяйственный эффект путем более полного использования нефтяного газа. According to the association "Neftegazpererabotka", the production of BFLH in 1991 alone in Western Siberia amounted to 7.2 million tons. of which about 3 million tons remained unallocated. Considering the fact that when processing BFLH, the output of ASKT is ≈50% of the unallocated amount of BFLH, you can get ≈1.5 million tons of aviation fuel, and in the whole country increase the resources of aviation fuels by at least 10-15% and get a significant national economic effect through a more complete use of oil gas.

Claims

AVIATION CONDENSED FUEL based on a mixture of paraffin hydrocarbons of the general formula C _n H ₂ _n ₊ ₂ , characterized in that it contains a C ₃ - C ₈ paraffin fraction in the following ratio of components, wt.

Propane C ₃ H ₈ 6 10
n Butane C ₄ H ₁ ₀ 13 22
Isobutane C ₄ H ₁ ₀ 34 48
n Pentane C ₅ H ₁ ₂ 10 12
Isopentane C ₅ H ₁ ₂ 10 15
Hexanes C ₆ H ₁ ₄ 5 11
Heptanes C ₇ H ₁ ₆ 0.8 5.0
Octanes C ₈ H ₁ ₈ + higher 0.4 2.1