HOME

KOBIMK Ramka

 

UWAGA - OFERTA PRACY

Zakład Materiałów Pędnych i Smarów prowadzi aktualnie rekrutację na następujące stanowiska:
inżynier (chemik)
technik / laborant

Szczegóły -> link do oferty

accept

Usługi Laboratoryjne

w zakresie badań materiałów pędnych i smarów

accept

Opinie i ekspertyzy

dotyczące jakości paliw i cieczy roboczych, stanów awaryjnych , przyczyn zużywania części maszyn

accept

Badania i rozwój

nowych technologii energetycznych, aplikacji tribologicznych i biodegradowalnych

Obraz1

Energetyka

 

  • Poszukiwanie nowych źródeł energii
  • Optymalizacja procesów energetyczne w węzłach tarcia
  • Ocena zużycia energii w węzłach tarcia
Obraz2

Lotnictwo

  • Aplikacja nowych środków smarowych w lotnictwie
  • Badania nad nowymi technologiami produkcji paliw
  • Badania materiałów pędnych i smarów na rzeczywistych i miniaturowych silnikach lotniczych

 

Obraz3

Tribologia

  • Badania nad nowoczesnymi środkami zmniejszającymi tarcie oraz zużycie
  • Udoskonalanie rozwiązań technicznych węzłów tarcia
  • Realizacja badań w zakresie nowych technologii w tribologii
Obraz4

Nowe Technologie

  • Projektowanie nowych rozwiązań z dziedziny energetyki i wykorzystania energii
  • Badania nad technologiami biopaliw i ekologicznych środków smarowych
  • Projektowanie nowoczesnych urządzeń do zastosowań w logistyce materiałów pędnych i smarów

logoMPS

Tytuł projektu

Badania nad mechanizmami i kinetyką procesu degradacji termicznej paliwa do turbinowych silników lotniczych

 

Instytucja finansująca

Narodowe Centrum Nauki, ul. Królewska 57, 30-081 Kraków

Podstawa realizacji:

Decyzja Dyrektora Narodowego Centrum Nauki nr DEC-2011/01/D/ST8/06567

Początek realizacji projektu

1 stycznia 2012 r.

Czas trwania projektu

40 miesięcy

Kierownik projektu

dr inż. Jarosław Sarnecki


Przebieg realizacji projektu

 

Cel naukowy projektu

Poznanie przebiegu i dynamiki procesu rozkładu paliw lotniczych) produkowanych w krajowych rafineriach z wykorzystaniem różnych procesów produkcyjnych) w wysokich temperaturach oraz tworzenia nagarów w układach paliwowych statków powietrznych

 

Realizowane zadania badawcze

Zadanie nr 1: Budowa stanowiska laboratoryjnego do badania mechanizmu degradacji termicznej paliw lotniczych

Zadanie nr 2: Wykonanie oprogramowania stanowiska badawczego oraz niezbędnej dokumentacji ruchowej

Zadanie nr 3: Przeprowadzenie badań laboratoryjnych paliw lotniczych;

Zadanie nr 4: Analiza uzyskanych wyników i opracowanie teorii opisującej degradację termiczną krajowych paliw lotniczych

Zadanie nr 5: Opracowanie raportu końcowego oraz przygotowanie projektu normy badawczej


Opis prac badawczych

 

Zadanie nr 1: Budowa stanowiska laboratoryjnego do badania mechanizmu degradacji termicznej paliw lotniczych:

Opracowano szczegółową koncepcję, projekt, a następnie zbudowano innowacyjne w skali europejskiej, i jedno z nielicznych na świecie, stanowisko do badania procesu degradacji termicznej paliw do turbinowych silników lotniczych. Stanowisko pozwala na prowadzenie badań w szerokim zakresie wymuszeń termicznych (100÷600°C) oraz ciśnień (do 21 MPa). Czas przebywania paliwa w strefie wymuszeń termicznych regulowany jest prędkością przepływu paliwa (0,1÷10ml/min). Szeroki zakres wymuszeń termicznych możliwych do uzyskania na stanowisku pozwala prowadzić badania paliw stosowanych aktualnie, a także paliw przyszłości (m.in. biopaliw, paliw o zwiększonej „pojemności cieplnej”) opracowywanych zgodnie z oczekiwaniami przemysłu lotniczego, pozwalających na stosowanie w najnowocześniejszych silnikach turbinowych. Stanowisko może być również wykorzystywane do badań paliw silnikowych stosowanych w transporcie lądowym i morskim. Widok stanowiska badawczego przedstawiono na zdjęciach poniżej. W ramach zadania prowadzono także testy poprawności działania stanowiska w szerokim zakresie temperatur i ciśnień.

 

1

Rys. 1. Widok stanowiska badawczego zbudowanego w ramach projektu: część badawcza (z lewej strony) oraz stacja robocza (z prawej strony)

 

Zadanie nr 2: Wykonanie oprogramowania stanowiska badawczego oraz niezbędnej dokumentacji ruchowej

 

W ramach zadania opracowano w środowisku Lab View aplikację do rejestracji danych pomiarowych, a także dokumentację techniczno-ruchową stanowiska badawczego, tj.:

  • instrukcje obsługi i regulacji poszczególnych elementów składowych stanowiska (pompy, podgrzewacza, łaźni piaskowej, termostatu chłodzącego, rejestratora);
  • instrukcję obsługi całego stanowiska badawczego;
  • metodykę realizacji badań na stanowisku badawczym.

 

Zadanie nr 3: Przeprowadzenie badań laboratoryjnych paliw lotniczych

 

W ramach realizacji zadania wykonano badania 2 rodzajów paliw lotniczych produkowanych przez krajowe rafinerie:

  • paliwo lotnicze z procesu Merox produkowane przez rafinerię LOTOS S.A.
  • paliwo lotnicze z procesów wodorowych produkowane przez rafinerię PKN Orlen.

 

Etapy wykonanych badań laboratoryjnych:

  • Etap I: badania składu chemicznego obu paliw w rozbiciu na poszczególne grupy oraz rodzaje węglowodorów
  • Etap II: Starzenie termiczne i analizy fizykochemiczne w celu zbadania procesu utleniania paliw lotniczych w warunkach temperatur do 100ºC;

- poddanie paliw długotrwałemu oddziaływaniu termicznemu (83ºC) przez okres 6 tygodni

- starzenie paliw w bombach ciśnieniowych w 3 różnych temperaturach (99±1°C, 80±1°C, 50±1°C), w atmosferze tlenu przy różnych wartościach nadciśnienia tlenu: 241,3 kPa (35 psi), 344,8 kPa (50 psi), 689,6 kPa (100 psi), w czasie 24h, 48h i 72 godzin;

  • Etap III: długotrwałe cykle badań porównawczych:

- przy różnej wartości narażeń termicznych (w temperaturach od 200, 250, 300, 350, 400, 450°C, 500) i stałej prędkości przepływu 3ml/min;

- przy stałej wartości narażenia termicznego 300°C i różnym czasie oddziaływania temperatury na paliwo (prędkość przepływu 1,5 ml/min, 3 ml/min i 6 ml/min);

- przy stałej wartości narażenia termicznego 400°C i różnym czasie oddziaływania temperatury na paliwo (prędkość przepływu 1,5 ml/min, 3 ml/min i 6 ml/min);

- przy stałej wartości narażenia termicznego 500°C i różnym czasie oddziaływania temperatury na paliwo (prędkość przepływu 1,5 ml/min, 3 ml/min i 6 ml/min);

- badania właściwości fizykochemicznych paliw poddanych oddziaływaniom wysokich temperatur;

- badania mikroskopowe sączków z wydzielonymi produktami degradacji termicznej.

 

Uzyskane wyniki dla obu rodzajów paliw pokazały, iż:

  • proces ich degradacji termicznej przebiega w odmienny sposób,
  • w zależności od składu chemicznego paliwa procesy utleniania termicznego oraz pirolizy zachodzą w różnych temperaturach.

Potwierdzono, iż parametrem decydującym o intensywności procesu degradacji termicznej paliw lotniczych jest ich skład chemiczny, i co istotne – nie stanowią o tym grupy węglowodorów (aromaty, olefiny, alkany, alkeny), lecz poszczególne łańcuchy węglowodorowe. Stwierdzono także, iż podawane w większości literatury zagranicznej, w znanych czasopismach naukowych, wyniki badań stabilności termicznej paliw lotniczych całkowicie pomijają badania składu chemicznego, skupiając się na paliwach wzorcowych (tzw. surrogate fuels) lub analizie składu grupowego paliw – a tym samym wyniki uzyskane w niniejszym projekcie znacząco poszerzają istniejącą wiedzę oraz uzupełniają badania prowadzone dotychczas w tym zakresie.

W trakcie realizacji projektu wydzielono na saczkach produkty degradacji termicznej powstające w objętości paliwa. Zaobserwowano zjawisko tworzenia w paliwie lotniczym poddanym działaniu wysokich temperatur produktów żywicznych o agresywnym, silnie kwaśnym charakterze, powodujących znaczny ubytek materiału sączka – co przedstawiono na zdjęciach SEM poniżej. W ich składzie stwierdzono obecność dużych ilości siarki (11 % m/m), tlenu (59% m/m) oraz węgla (21% m/m).

 

2

Rys. 2. Produkty degradacji termicznej paliwa lotniczego, powodujące ubytek materiału sączka bibułowego.

 

Zadanie nr 4: Analiza uzyskanych wyników i opracowanie teorii opisującej degradację termiczną krajowych paliw lotniczych

 

W ramach realizacji zadania wykonano tabelaryczne i graficzne zestawienia uzyskanych wyników badań laboratoryjnych. Wykonywano także badania uzupełniające w przypadku wątpliwości lub konieczności uszczegółowienia wyników.

Na podstawie analizy uzyskanych wyników opisano proces degradacji termicznej paliw lotniczych produkowanych przez rafinerie znajdujące się w Polsce.

Stwierdzono, iż proces degradacji termicznej obu paliw lotniczych składa się z czterech głównych etapów:

  • etap utleniania śreniotemperaturowego (zakres temperaturowy: 50ºC-150ºC)
  • etap utleniania wysokotemperaturowego (zakres temperaturowy: 150-350ºC)
  • etap przejściowy (zakres temperaturowy: 350ºC -400ºC)
  • etap pirolizy (zakres temperaturowy: pow. 400ºC).

Zmiany zachodzące w paliwie w zakresie utleniania średniotemperaturowego, z uwagi na długi czas niezbędny do powstania produktów utleniania, zachodzą przede wszystkim w produkcie magazynowanym (w łańcuchu logistycznym) oraz w paliwie poddanym oddziaływaniu temperatur do 150°C w układzie paliwowym statku powietrznego. Utlenianie węglowodorów, w warunkach obecności zarówno tlenu rozpuszczonego w paliwie, jak i powietrza atmosferycznego, w dłuższym okresie czasu prowadzi do powstawania wodoronadtlenków oraz słabych kwasów karboksylowych. Efektem jest wzrost liczby wodoronadtlenkowej oraz niewielki wzrost liczby kwasowej.

Zmiany w paliwie lotniczym w wyniku oddziaływań temperatur powyżej 150ºC zachodzą znacznie szybciej i ich intensywność rośnie ze wzrostem wymuszenia termicznego, dlatego też mają one istotne znaczenie w procesie eksploatacji statków powietrznych – ich efektem jest powstawanie osadów i nagarów na częściach gorących silników lotniczych.

Schematycznie podział procesu degradacji termicznej paliw lotniczych przedstawiono na poniższym wykresie:

 

3

Rys. 3. Etapy degradacji termicznej paliw lotniczych

 

Utlenianie wysokotemperaturowe paliw lotniczych (150ºC-350ºC) oparte jest o mechanizm rodnikowy. W wyniku oddziaływania temperatury na węglowodory wchodzące w skład paliwa tworzą się rodniki alkilowe R. Reagują one szybko z rozpuszczonym w paliwie tlenem tworząc rodniki alkilonadtlenkowe RO2, które następnie reagują z cząsteczkami węglowodorów tworząc nadtlenki i wodoronadtlenki, stanowiące pierwsze produkty utleniania wysokotemperaturowego paliw lotniczych. W wyniku oddziaływania wysokich temperatur następuje rozkład wodoronadtlenków - powstają rodniki nadtlenkowe, które poprzez reakcję z rozpuszczonym tlenem przyspieszają proces utleniania. W wyższych temperaturach, wodoronadtlenki reagują także z cząsteczkami heteroatomowymi obecnymi w paliwach lotniczych (np. siarczki, dwusiarczki). Utlenianie węglowodorów prowadzi do powstawania słabych kwasów organicznych, alkoholi, a także innych związków posiadających w swoim składzie grupę karbonylową (aldehydów, ketonów, kwasów karboksylowych). Powstające związki reagują z rozpuszczonym w paliwie tlenem tworząc wydzielające się w objętości paliwa związki żywiczne odpowiadające za powstawanie osadów w układach paliwowych statków powietrznych. Wzrost wartości wymuszenia termicznego oddziałującego na paliwo przyspiesza zachodzenie reakcji utleniania, a tym samym - w związku z brakiem dostępu tlenu i jego ograniczoną zawartością w postaci tlenu rozpuszczonego w paliwie – szybko zmniejsza się zawartość rozpuszczonego tlenu. W konsekwencji rozkład wodoronadtlenków następuje szybciej, niż ich tworzenie, a tym samym od ok. 300ºC znacznie zmniejsza się ilość powstających produktów utleniania. W temp. ok. 400ºC, z powodu braku tlenu w paliwie, proces tworzenia produktów rozkładu termicznego w wyniku utleniania węglowodorów zostaje zatrzymany.

W zakresie temperatur 350ºC-400ºC w paliwie powstaje jedynie niewielka ilość produktów degradacji termicznej (wodoronadtlenków, cząstek stałych, kwasów, aldehydów), co wynika z faktu, iż w tych temperaturach ilość tlenu rozpuszczonego w paliwie jest niewielka, a jednocześnie jest on bardzo szybko zużywany w zachodzących reakcjach utleniania. Są to jednak zbyt niskie wartości temperatur, aby mógł zachodzić intensywny proces pirolizy węglowodorów wchodzących w skład paliwa lotniczego.

W temp. ok. 400-450ºC w paliwie lotniczym zaczynają dominować reakcje pirolityczne, w wyniku których z długich łańcuchów węglowodorów parafinowych powstają alkany i alkeny o znacznie krótszych łańcuchach węglowych, a następnie tworzą się aromaty i produkty stałe. Wydzielające się cząstki stałe składają się głownie z siarki, azotu oraz węgla. Tworzące się produkty żywiczne oraz stałe powodują silny wzrost kwasowości, paliwa a tym samym zarówno paliwo, jak i osadzające się na elementach konstrukcyjnych statków powietrznych produkty degradacji termicznej, mogą niszczyć warstwy wierzchnie powodując ich korozję, osłabiać materiały uszczelniające i elastomery. O intensywności przebiegu pirolitycznego etapu degradacji paliwa lotniczego decyduje jego indywidualny skład chemiczny.

 

 

Wyniki uzyskane w projekcie przedstawiono w poniżej załączonych publikacjach:

 

 

DANE KONTAKTOWE

Zakład Materiałów Pędnych
i Smarów

ul. Ostroroga 35A

01-163 Warszawa

Tel. 261 851 400

Fax. 261 851 601

Nasze projekty

  • horyzont2020

    HORYZONT 2020

    Horyzont 2020  to największy w historii program finansowania badań naukowych i innowacji w Unii Europejskiej. Jego budżet w latach 2014-2020 wynosi prawie 80 mld euro. Chodzi o stworzenie spójnego systemu finansowania innowacji: od koncepcji naukowej, poprzez etap badań, aż po wdrożenie nowych rozwiązań, produktów czy technologii.
     
  • innolot logo

    INNOLOT

    Program sektorowy INNOLOT ma na celu finansowanie badań naukowych oraz prac rozwojowych nad innowacyjnymi rozwiązaniami dla przemysłu lotniczego. Program jest rezultatem porozumienia zawartego pomiędzy Narodowym Centrum Badań i Rozwoju, a grupą stowarzyszeń firm lotniczych reprezentujących Polską Platformę Technologiczną Lotnictwa.
     

Na skróty

Nasz Instytut

maly

Posiadane certyfikaty

Certyfikaty

ISO

AQAP