НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта
УДК 621.45
АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ И ГАЗОВЫХ ТОПЛИВ В СИЛОВЫХ УСТАНОВКАХ МАГИСТРАЛЬНЫХ САМОЛЕТОВ
В.В. РАЗНОСЧИКОВ, А.И. ЧЕПАНОВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Никоновым В.В.
В статье приводится краткий анализ предлагаемых автором методик и подходов для оценки эффективности использования криогенных и газовых топлив в системе «Летательный аппарат - силовая установка - топливо» (ЛА-СУ-Т).
Введение
Известно, что основное топливо современной авиации - авиакеросин является продуктом переработки нефти, запасы которой ограничены. Различные эксперты приходят к выводу, что уровень добычи нефти подошел к своему наивысшему пределу и дальше будет неуклонно снижаться. Это повлечет увеличение цены на керосин, впрочем, этому факту мы являемся свидетелями последних лет. Поэтому идут работы по получению авиатоплива из альтернативных источников: твердых и газообразных углеводородов, а также из биомассы. Все большее внимание исследователей привлекает криогенное топливо - жидкий водород и сжиженный природный газ (СПГ).
Вопрос перехода на новое топливо является комплексным технико-экономическим вопросом. В связи с этим очень важно достоверно и быстро дать оценку перспективным проектам СУ и ЛА. Проблема оценки эффективности использования криогенных и газовых топлив заключается в многодисциплинарности исследуемой химмотологической системы «ЛА-СУ-Т» и сложности физико-химических процессов, протекающих в ее элементах при ее эксплуатации. Наиболее эффективным подходом для решения этой проблемы является системный анализ. Системное исследование базируется на трех основных этапах, суть которых состоит в том, что необходимо построить модель исследуемой системы, т.е. дать формализованное описание изучаемого объекта, сформулировать критерий решения задачи системного анализа, т.е. поставить задачу исследования и далее решить поставленную задачу [1]. Это укрупненная схема решения задачи и, соответственно, требующая детальной последовательности ее объяснения и выполнения. Другими словами, необходима методика инженерного поиска решения.
Проблемы использования криогенных и газовых топлив в авиационной силовой установке магистрального самолета
К газовым топливам принято относить водород Н2 и предельные углеводороды с условной формулой СпН2п+2 или их смеси. Наиболее вероятными веществами, претендующими на звание альтернативных авиатоплив, являются водород и природный газ (метан). На авиационной технике предполагается использовать жидкий водород и СПГ. Криогенная температура кроме того, что переводит некоторые перечисленные топлива при атмосферном давлении в жидкое состояние и соответственно повышает их плотность, увеличивает в целом эксергетические свойства системы (ЛА-СУ-Т).
Эксперименты по использованию газовых топлив в авиации начались еще в середине XX века. Вот некоторые проекты ЛА на водороде: самолет фирмы «Локхид» «8ип1ап»СЬ-400 с
двигателями Rex-1,2,3 фирмы «Гаррет», 1951г., самолет той же фирмы RB-57 karbena с двигателями J-65 фирмы «Pratt and Whitney Aircraft», 1956г. В конце 80-х годов прошлого столетия начались испытания криогенного водорода и сжиженного природного газа на самолете Ту-155. Был проведен обширный цикл летных испытаний. Эти полеты доказали, что криогенные топлива в авиации использовать можно и нужно [2]. Федеральная целевая программа «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» включала пункты по созданию криоплана Ту-156, но в 2005 году прекратилось финансирование этой части программы и у компаний, задействованных в этих работах, остались только договоры о намерениях. Нет особого прогресса в освоении перспективного топлива и у зарубежных авиакомпаний. Небольшими успехами на "водородном" фронте могут похвастаться только пара-тройка автомобильных компаний. Да и выглядят эти успехи, к чему лукавить, пока скорее лишь демонстрацией собственной "продвинутости", нежели чем-то более серьезным.
Между тем, все говорит в пользу водорода и природного газа. Их ресурсы огромны, эко-лого-токсилогические показатели продуктов сгорания самые наилучшие из всех существующих топлив. По этой причине газовые топлива являются идеальным инструментом для решения проблемы загрязнения окружающей среды.
В отличие от керосино-воздушной смеси горючая смесь, к примеру, на основе водорода воспламеняется в очень широком диапазоне - от 4 до 75% содержания водорода. Поэтому водородный двигатель может спокойно работать на таких сильно обедненных или напротив очень богатых смесях, которые, будь двигатель на керосине, и поджечь невозможно. Интересно, что даже небольшие добавки водорода (примерно 10% от массы расходуемого керосина) намного расширяют пределы воспламеняемости керосино-воздушной горючей смеси, что создает предпосылки для эффективного регулирования процесса сверхзвукового горения в гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателях. Вызывает удивление, что этим свойством водорода до сих пор не воспользовалась и, похоже, не собирается пользоваться ни одна компания.
Теплота сгорания водорода в 2,8 раза, а у СПГ на 17% выше, чем у любого из известных видов нефтепродуктов, следовательно, в единице массы газового топлива больше энергии. К сожалению даже в жидком состоянии плотность водорода в 11-12 раз, а у СПГ в 2 раза меньше плотности авиакеросина. Для хранения водорода на борту требуются большие объемы, что приводит к увеличению лобового сопротивления ЛА [2]. Малая плотность - недостаток значительный, однако не настолько, чтобы стать непреодолимой преградой для применения в качестве авиатоплива. Развитие криогенных технологий и успехи, достигнутые в сфере использования сверхнизких температур, уже сегодня позволяют использовать уникальные возможности водорода и СПГ. Водород и СПГ можно применять в качестве хладоагента для охлаждения деталей конструкций ЛА и СУ, кроме этого хладоресурс способен увеличить работу цикла газотурбинного двигателя (ГТД), если охлаждать воздух перед компрессорами. У водорода в 13,5 раза большая газовая постоянная, чем у продуктов сгорания керосина, а это значит, что его можно использовать в газовых водородных турбинах до сгорания, создавая тем самым механическую работу на валу.
Другая малоприятная особенность водорода и СПГ - взрывоопасность. В смеси с воздухом он образует гремучий газ, который способен взрываться от искры. Но утечки газа можно легко контролировать и при необходимости обеспечить быстрый аварийный сброс топлива в полете. Одна тонна жидкого водорода аварийно сливается с самолета на два порядка быстрее, чем тонна керосина.
Водород и метан можно использовать для получения электричества в топливных элементах. Здесь, в отличие от классических конструкций, предлагается совершенно иной принцип работы. Газ не сгорает, как это происходит в тепловом двигателе, а электрохимически окисляется, образуя воду и генерируя поток электронов - электрический ток, питающий цепь силовой установки. Для авиации это означает возможность создания ЛА на электродвигателях [3]. Низкие температуры жидкого водорода или СПГ можно использовать для создания эффекта
сверхпроводимости в электродвигателях и других электроприборах, существенно повышая их эффективность.
Проблема замены вида топлива выходит далеко за рамки задач, решаемых в авиационной индустрии. По сути, речь идет о смене эпох или даже цивилизаций, если вспомнить, что нынешнюю, по основному источнику энергии, называют углеводородной или нефтяной. Поэтому, на самом деле, главный вопрос заключается в следующем: каким образом должна быть организована добыча водорода в промышленных масштабах, а так же сжижение водорода и природного газа?
Для ЛА и СУ свойства топлива играют одну из ключевых ролей. Топливо определяет облик двигателя, особенности его рабочего процесса и конструкцию. Особенно сильно на эффективность работы СУ влияют эксергетические возможности топлива и двигателя, т.е. возможности топлива и конструкции двигателя увеличивать работу цикла [2]. Например, турбореактивный двигатель реализует в тягу только теплотворность топлива, а при использовании альтернативных криогенных топлив кроме более высокой теплотворности появляются новые эксергетические возможности: хладоресурс и работоспособность топлива до его сгорания. Сильное влияние свойства топлива оказывают и на конструкцию ЛА. Вполне очевидное влияние на конструкцию планера и аэродинамические характеристики ЛА оказывает плотность, энергоемкость, а также условия его нахождения в топливных баках (химическая агрессивность, температура и т.д.).
Вопросы использования топлива, в особенности альтернативного, относятся к разряду критических технологий, а актуальность в постановке проблемы оптимального применения топлива в системе «ЛА-СУ-Т» вызвана внутренними (локальными) и внешними (глобальными) проблемами.
Локальная проблема обусловлена нарастающим дефицитом энергии на борту ЛА. Во-первых, возможности повышения эффективности использования свойств традиционного топлива, а это только теплотворность авиакеросина, исчерпаны. В настоящее время идет эволюционное развитие турбореактивных двигателей. Ведущие отечественные и зарубежные двигателе-строители одной из главных задач ставят удешевление производства и повышение кпд работы элементов двигателя. Создание «стехиометрического двигателя», в котором может максимально использоваться теплопроизводительность топлива, не возможна из-за нереализуемости газовых турбин, работоспособных при температуре газов свыше 1900...2000 К. Во-вторых, даже в том случае, если будет решена проблема создания теплонагруженных газовых турбин и повышения кпд других элементов двигателя, энергетических возможностей авиакеросина хватит поднять эффективность ЛА не более чем на 10% [2]. В случае проектирования самолетов на крейсерские сверхзвуковые и гиперзвуковые скорости с использованием авиакеросина на фоне его небольших энергетических возможностей возникает ряд дополнительных трудностей. Они связаны с недостатком хладоресурса, низкой термостабильностью и пониженным ресурсом работы топливных систем.
Глобальная проблема заключается во взаимодействии системы «ЛА-СУ-Т» с окружающей средой. Во-первых, постоянно увеличивается цена нефти и, соответственно, авиакеросина. К примеру, в России с 2000г. по 2006г. цена 1 тонны авиакеросина марки ТС-1 (применяемого для дозвуковых самолетов) возросла с 6 до 27 тысяч рублей в ценах соответствующих годов. И прогнозы на цену нефти, а значит авиакеросина, не утешительные. Во-вторых, экологически пагубное воздействие традиционного нефтяного топлива на окружающую среду и человека очень сильно. Кроме этого, к силовым установкам магистральных самолетов предъявляются особые требования со стороны стандарта ИКАО (Охрана окружающей среды. Приложение № 16 к Конвенции о международной гражданской авиации. 2008), который ограничивает выброс в зоне аэропорта оксидов углерода СОх, несгоревших углеводородов НС, оксидов азота КОХ, дыма, а также запрещает преднамеренный выброс жидкого топлива [4]. Нормы ИКАО реализовать сложно, но еще сложнее решить задачу, поставленную Киотским протоколом. Ес-
О
КиберЛенинка: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-ispolzovaniya-kriogennyh-i-gazovyh-topliv-v-silovyh-ustanovkah-magistralnyh-samoletov