Анализ использования криогенных и газовых топлив в силовых установках магистральных самолетов

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-

35

О

Ы

О

Т

X

а

н

§

«

а

«

х

о

и

о

х

н

Ы

«

Н

5

5

Я

«

м

5

§

5

Н

х

о

35

о

X

.а

«

5

а

и

н

5

а

Ы

О

и

о

X

X

4

5 і

О

X

ч

о

» ММ летательного аппарата

< Расчет аэродинамики, объемно-массовой компоновки и др.

Л

X

X

«

«

X

§

V©

о

о

35

-е-

а

н

х

В

Ввод исходных данных

ли проанализировать принятый в декабре 1997г. в японском городе Киото протокол к Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата, направленный против глобального потепления, в частности выяснится, что он обязывает снизить выбросы не СО или КОх, а СО2. Другими словами, речь идет о разработке машин сверхвысокой экономичности или на топливе с малым содержанием углерода или вовсе с его отсутствием. Этот принципиальный шаг на традиционных нефтяных топливах осуществить сложно. Использование криогенных или газовых топлив одно из звеньев решения выше перечисленных проблем. Как уже отмечалось выше, зарубежное и отечественное авиастроение знакомо с опытом работы в области криогенных газовых топлив. Но это были эксперименты и на многие вопросы еще не нашли правильного ответа. Поэтому на этапе предварительного проектирования системы «ЛА-СУ-Т» требуется учитывать по возможности весь комплекс проблем, связанных с реализацией возможностей новых топлив.

Итак, первый этап системного исследования - создание модели системы «ЛА-СУ-Т». Для

комплексного решения проблемы использования топлива на этапе предварительного анализа и формирования облика системы «ЛА-СУ-Т» создана и развивается комплексная математическая модель (КММ) (рис. 1) [5]. КММ реализована на современных инженерных методиках, которые позволяют проводить расчет аэродинамических и объемно-массовых характеристик ЛА, тяговоэкономических и удельномассовых характеристик авиационных двигателей различных схем. Оценка эффективности системы «ЛА-СУ-Т» осуществляется при моделировании полетного задания путем решения дифференциальных уравнений движения ЛА. Наряду с выше перечисленными ММ серьезное внимание уделяется моделированию свойств топлив и анализу химмотологических процессов.

Системный подход обязы-

ММ силовой установки

"Завязка" СУ, определение расчетных параметров и тягово-экономических характеристик

ММ топлива

Выбор и расчет теплофизических параметров в широком диапазоне температур и давлений

ММ расчета химмотологических явлений

База данных исследований

Рис. 1. Блок-схема математической модели системы «ЛА-СУ-Т»

вает строго оценивать адекватность ММ. Это значит соблюдать основные принципы: непротиворечивости, работоспособности и реалистичности ММ.

Плохо изученные физико-химические процессы, например, при очень низких и высоких температурах топлива или рабочего тела, требуют использовать принцип непротиворечивости. Этот принцип подразумевает проверку модели в тех случаях, когда значения параметров системы «ЛА-СУ-Т» близки к экстремальным. Цель анализа работоспособности - выяснить, насколько ММ практична и удобна в использовании. Во-первых, ММ должна обеспечивать получение результата за приемлемое время. Во-вторых, при многократном обращении к ММ в процессе оптимизационного исследования она должна быть устойчива и стабильна в рассчитываемых ре-

зультатах. Реалистичность ММ устанавливается при сравнении с реальным физическим объектом, если это возможно. Сходство рассчитанных характеристик с результатами натурных экспериментов или фактической эксплуатации являются основой проверки адекватности ММ.

Химмотологические процессы в силовой установке летательного аппарата

Термин химмотология (химия + мотор + "логия" от греческого logos - понятие, учение) принят для наименования науки о свойствах, качестве и рациональном применении горючих и смазочных материалов в технике [6]. В КММ большое внимание уделяется оценке явлений химмотологической системы.

Химмотология, как наука, гласит, что если осуществляется оценка использования топлива, то необходимо оценивать химмотологические явления. Моделирование и дальнейшая оценка химмотологических явлений является целью системного анализа использования топлива в СУ.

Без знания свойств топлив бессмысленно оценивать его эффективность. Поэтому КММ содержит ММ расчета теплофизических и термодинамических свойств анализируемых топлив (различных марок авиакеросинов, криогенных топлив и др.). Свойства топлива, такие как плотность, динамическая и кинематическая вязкость, давление насыщенных паров, сила поверхностного натяжения, теплопроводность, коэффициент диффузии паров, теплоемкость при постоянном давлении и при постоянном объеме, теплота плавления и испарения, низшая теплота сгорания, газовая постоянная, энтальпия, энтропия, показатель адиабаты и ряд других оцениваются в широком диапазоне температур и давлений. В КММ осуществляется учет стоимости топлива для сравнительного рассмотрения экономического эффекта тех или иных схемных решений.

Аэродинамическая и объемно-массовая компоновка ЛА формирует исходные данные для геометрических размеров топливных баков. В топливном баке оценивается нагрев, испарение и разложение топлива. Это позволяет оценить потери топлива при хранении и в процессе полета, что, в свою очередь, влияет на критерии эффективности системы «ЛА-СУ-Т».

Топливо при сжигании оказывает три вида воздействия на камеру сгорания (КС), узлы и детали газового тракта: огневое (нагрев), загрязняющее (нагар, эмиссия вредных веществ) и химическое (газовая коррозия). Разработанная ММ КС на предварительном уровне формирует облик и рассчитывает процессы распыла и испарения топлива, равновесный состав и температуру газов по зонам горения, тепловую нагрузку жаровой трубы, процессы пиролиза и образования сажи, а так же количественную оценку выбросов вредных веществ в атмосферу.

При использовании криогенного топлива схемы СУ могут иметь в своем составе криогенные насосные агрегаты, криотопливно-воздушные теплообменники и автономные турбины, работающие на нагретом несгоревшем топливе. ММ криогенного насосного агрегата, подающего под большим давлением криогенное топливо, позволяет кроме расчета конструкции оценить кавитационные режимы. ММ криотопливно-воздушного теплообменника позволяет проводить расчет объемно-массовых, прочностных, газодинамических и теплофизических параметров на всех режимах его работы.

Количество испаренного топлива из баков и вредных выбросов из КС являются исходными данными для экологических оценок, а расчет количества осадков от термического разложения топлива, сажеобразования при сгорании и термическая нагрузка жаровых труб КС пополняет исходные данные для расчета надежности работы топливной системы СУ.

Тем самым КММ позволяет оценивать не только критерии высокого уровня (дальность полета, массу полезной нагрузки и т.д.), но и химмотологические явления. Иначе говоря, анализируется влияние топлива на систему «ЛА-СУ-Т».

Выводы

Проведен анализ и обобщены существующие методики расчета характеристик ЛА и СУ, которые дополнены математическими моделями химмотологических процессов и реализованы с учетом законов системного анализа в комплексной математической модели с целью оценки использования криогенных и газовых топлив в проектируемой системе «ЛА-СУ-Т».

ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов А.В. Системный анализ. -М.: Высшая школа, 2006.

2. Андреев В.А., Борисов В.Д., Климов В. Т., Малышев В.В., Орлов В.Н. Внимание газы: криогенное топливо для авиации. - М.: Московский рабочий, 2001.

3. Masson P.J., Brown G.V., Soban D.S., Luongo C.A. HTS machines as enabling technology for all-electric airborne vehicles - Supercond. Sci. Technol. 2007.

4. Николайкина Н.Е., Николайкин Н.И., Матягина А.М. Промышленная экология: Инженерная защита биосферы от воздействия воздушного транспорта. - М.: ИКЦ Академкнига, 2006.

5. Разносчиков В.В., Резников М.Е. Методика ЭИМ (эксергия - импульс - масса) предварительной оценки транспортной технической системы «ЛА-СУ-Т» (летательный аппарат - силовая установка - топливо) //XXVI научные чтения по космонавтике. - М.: ИИЕТ, РАН, 2002.

6. Дубовкин Н.Ф., Яновский Л. С., Галимов Ф.М., Иванов В.Ф., Сагидуллин Р.Н. Авиационные криогенные углеводородные топлива. - К.: АБАК, 1998.

THE ANALYSIS OF USE CRYOGENIC AND GAS FUEL IN AVIATION PROPULSION

ARTERIAL PLANES

Raznoschikov V.V., Chepanov.A.I.

In this article is given the brief analysis the description of approaches and the procedure for the estimation of efficiency of use cryogenic and gas fuel in the system « the Aircraft - Propulsion - Fuel » (A-P-F).

Сведения об авторах

Разносчиков Владимир Валентинович, 1963 г.р., окончил ВВИА им. проф. НЕ. Жуковского (1994), член-корреспондент Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского, кандидат технических наук, доцент кафедры теории авиационных двигателей Военно-воздушной инженерной академии им. проф. Н.Е. Жуковского, автор более 60 научных работ, область научных интересов - системный анализ использования криогенных и газовых топлив в авиационных силовых установках и изучение химмотологических процессов в элементах авиационных силовых установок.

Чепанов Андрей Иванович 1971 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1999), преподаватель кафедры теории авиационных двигателей Военно-воздушной инженерной академии им. проф. Н.Е. Жуковского, автор 18 научных работ, область научных интересов - изучение химмотологических процессов в элементах авиационных силовых установок, математическое моделирование теплофизических свойств рабочих тел и традиционных и альтернативных авиационных топлив.