Оценка эксплуатационных свойств криогенных топлив с учетом авиационных требований

2007

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Студенческая наука

№ 124

УДК 629.735.067

ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КРИОГЕННЫХ ТОПЛИВ С УЧЕТОМ АВИАЦИОННЫХ ТРЕБОВАНИЙ

Ю.С. КИРДЮШКИН, В.С. КИРДЮШКИН

Статья представлена доктором технических наук, профессором Чинючиным Ю.М.

В статье проведена специальная оценка эксплуатационных свойств криогенных топлив с учетом авиационных требований, предъявляемых в целом к процессу технической и летно-технической эксплуатации криогенного самолета.

Введение

Криогенными считаются температуры ниже 120о К (-153° С). Следовательно, к криогенным топливам относятся сжиженные горючие газы, температура кипения которых при нормальном давлении находится в области криогенных температур.

Впервые в РФ криогенный самолет разрабатывался на базе самолета Ту-154. Он предназначался для осуществления грузопассажирских перевозок на линиях гражданской авиации в районах местонахождения природного газа.

Традиционными видами топлив для авиационной техники принято считать жидкие топлива на основе нефти, которая является исключительно удобным источником получения топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей.

Среди альтернативных топлив наиболее применимыми для авиационной техники являются сжиженные газы нефтяного происхождения, т.е. такие виды топлив, которые при больших избыточных давлениях находятся в традиционно привычном жидком состоянии. К подобным топливам наиболее просто приспособить существующую авиационную технику. Источниками получения этих топлив являются природный газ, газовые конденсаты и попутные нефтяные газы.

Из таких газов можно получить бензин или широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ). Последняя является сырьем для получения одновременно пропан-бутановой фракции в объеме 40% и конденсированного топлива в объеме 60%, получившего название АСКТ.

Очевидно, что разработке криогенного самолета должна предшествовать оценка эсплуата-ционных свойств криогенных топлив, анализ требований по обеспечению безопасности полетов такого типа самолета, использующего АСКТ, а также нужна разработка дополнительных мероприятий и рекомендаций, обеспечивающих безопасную эксплуатацию топливных систем на их основе, необходима также разработка специальной программы технического обслуживания криогенного самолета.

Ожидаемые условия эксплуатации

Эксплуатацию криогенного самолета предполагается на первом этапе осуществлять в особых условиях, в частности, в районах северных месторождений природного газа. Траектории полета криогенного самолета должны быть типовыми, принятыми для самолета Ту-154. При эксплуатации самолета в первую очередь вырабатывается топливо - СПГ. При подготовке самолета к полету проводятся основные регламентные работы, аналогичные работам, выполняемым при подготовке серийных самолетов Ту-154, за исключением процесса заправки топливом и запуска двигателей.

Заправка ЛА осуществляется следующим образом: сначала осуществляется заправка внутренних баков авиационным керосином, затем заправляются подвесные топливные баки СНГ.

Запуск двигателей производится на керосине с выходом на режим «малый газ», затем производятся операции захолаживания топливной системы и переход на СНГ, далее по достижении требуемых параметров СНГ на выходе в топливно-насосный агрегат обеспечивается работа на СНГ и, наконец, останов двигателя - на керосине.

Требования к летно-техническим и экономическим характеристикам

криогенного самолета

Самолет должен иметь в качестве основных следующие характеристики:

• взлетная масса - 98,0 т;

• масса пустого снаряжения - 58,13 т;

• коммерческая нагрузка - 16,0 т;

• масса расходуемого топлива:

-СНГ - 13,6 т;

-керосин - 3,67 т;

• минимальная масса АНЗ (керосин) - 6,6 т;

• потребная длина ВНП - 2500 м;

• дальность практическая - 2180 км.

Основные авиационные требования

Характеристики двигателей на основных эксплуатационных режимах, как по тяге, так и по удельным расходам, должны соответствовать характеристикам двигателя НК-8-2у с учетом летных испытаний. Двигатель должен работать на топливах:

• авиационный керосин РТ, ТС-1-ГОСТ 10227-86;

• авиационный СНГ.

При работе двигателя на СНГ удельный расход топлива изменяется обратно пропорционально параметрам, характеризующим теплотворные способности СНГ и керосина.

Двигатель должен иметь возможность переключения питания с СНГ на любом режиме работы на керосин за время не более 5 секунд, без изменения режима работы после переходного процесса.

Управление режимами работы двигателя осуществляется переключением РУД. На двигателе для прекращения подачи СНГ устанавливается электрический стоп-кран. В линии подачи керосина производится замена механического привода стоп-крана НР на электрический. Управление стоп-краном НР осуществляется рычагом останова двигателя посредством обжатия кольцевого выключателя.

Для обеспечения бескавитационной работы топливных насосов двигателей давление АСКТ на их входе должно быть несколько выше, чем при работе на керосине. Следует также организовать перед двигательным насосом подкачки сепарацию и дренаж выделившихся газов.

Как известно, устойчивая работа двигателя может быть обеспечена не только в случае, если гарантирован однофазный (в жидком или газообразном виде) состав топлива на форсунках. Наиболее рационально, с точки зрения минимизации доработок двигателя, работу топливной системы необходимо организовать таким образом, чтобы газ подавался в форсунки в чистом виде и газифицировался уже в камере сгорания. В этом случае коллектор и форсунки для керосина и АСКТ были бы общими.

Дополнительные требования к системам защиты криогенного самолета от пожара и взрыва при использовании в качестве топлива СНГ включают в себя требования к комплексу средств пожарной и взрывной защиты; конструктивные меры предотвращения возникновения и распро-

странения пожара и предотвращения возникновения условий для взрыва; требования к пожарной сигнализации и сигнализации о перегреве; требования к системе пожаротушения; требования к системе газового контроля об утечках СПГ; требования к системе заполнения отсеков нейтральным газом. Выполнение этих требований является необходимым и достаточным условием безопасной эксплуатации самолета с криогенной топливной системой.

В свою очередь, эксплуатационные свойства применяемых криогенных топлив должны в полной мере соответствовать приведенным основным и другим дополнительным авиационным требованиям.

Оценка эксплуатационных свойств криогенных топлив

С точки зрения пожароопасности сконденсированные газы относятся к классу легковоспламеняющихся веществ, характерным признаком которых является способность воспламеняться от кратковременного воздействия источников горения с относительно низкой температурой зажигания.

Одной из характерных специфических особенностей сжиженных газов является то, что образование взрыво- и пожароопасной смеси может происходить лишь после фазового перехода жидкости в газообразное состояние. Пожарная опасность систем хранения, транспортировки и применения АСКТ возрастает еще и потому, что при потере герметичности давление в системах будет постоянным до тех пор, пока не испарятся все легкие фракции, т. е. определить утечку АСКТ традиционно привычными способами (по изменению давления) не представляется возможным. На объектах хранения и применения АСКТ необходимо предусмотреть аппаратуру для обнаружения утечки, датчики которой должны обнаруживать газовоздушную смесь с концентрацией около 15.. .20 % от нижнего концентрационного предела.

При оценке огнеопасности сконденсированных газов используют следующие основные показатели: концентрационные пределы воспламенения; температуру самовоспламенения; взрывоопасность и давление взрыва; минимальную энергию зажигания; минимальное взрывоопасное содержание кислорода; нормальную скорость горения.

Различают нижние и верхние концентрационные пределы воспламенения. Нижним концентрационным пределом воспламенения называют наименьшую концентрацию горючего вещества в смеси с воздухом, при которой смесь уже может воспламеняться от источника зажигания и пламя распространяется на весь объем горючей смеси. Верхним концентрационным пределом воспламенения называют наибольшую концентрацию, при которой смесь еще способна воспламеняться. Разность концентраций горючего вещества между верхним и нижним пределами называют областью воспламенения. Так как распространение горения газов и паров происходит с большой скоростью и носит взрывной характер, пределы воспламенения называют также пределами взрываемости.

В принципе, взрыв происходит в два этапа: превращение энергии того или иного вида в энергию сильно сжатого вещества; расширение сжатого вещества, сопровождающееся сильным воздействием на окружающую среду. С точки зрения перехода на взрыв важно, где происходит горение - в открытом или замкнутом объеме. При горении в открытом пространстве силы реакции горения свободно расширяются, давление остается практически постоянным. Горение в замкнутой емкости ведет к взрыву.

Теоретическая температура при горении в замкнутой емкости всегда выше, чем при горении в открытой емкости; продукты горения при постоянном объеме не совершают работу, энергия взрыва расходуется на нагрев продуктов горения. Поэтому энергия в этом случае определяется как сумма внутренней энергии компонентов данного вещества.

Опасность взрыва характеризуют, как правило, таким показателем, как давление взрыва.

Максимальное давление взрыва газовоздушной смеси (РВ) определяется по: начальному давлению взрывчатой смеси (Р0, МНа); начальной температуре смеси (Т00, К0); температуре взрыва (ТВ0,К0); числу молекул газов после п1 и до взрыва п2 по формуле

В, = В х — Х П

°0 П2

Выводы

1. Преимущества самолетов, работающих на СПГ, состоят в следующем:

а) снижается токсичность отработанных газов по основным контролируемым параметрам: окислам азота (N0) - в 1,2.2 раза, окиси углерода (СО) - в 3...4 раза, углеводорода (СН) - в 1,2. 1,4 раза. Необходимым условием снижения токсичности отработанных газов двигателей является правильная регулировка и нормальное функционирование системы подачи газового топлива;

б) снижение шума;

в) относительно невысокая стоимость топлива (СПГ);

г) при необходимости можно быстро перейти на полноценную работу двигателей на керосине;

К недостаткам относятся:

а) увеличение массы самолета;

б) требуется более высокая квалификация инженерно-технического персонала.

2. Достоинства криогенного авиационного топлива превалируют над его недостатками. Так, несмотря на ухудшение летно-технических характеристик криогенного самолета, он, тем не менее, имеет преимущества в сравнении с "керосиновым" по запасу топлива на 64.75 %, по массе самолета - на 25.51 % и по тяге двигателя - на 12.49 %, достигнутые за счет высокой теплотворной способности криогенного топлива.

3. Анализ данных по отечественным и зарубежным типам самолетов показывает, что переход на метановое топливо так же позволит:

• снизить потребную заправку самолета топливом на 11.27 %, при этом максимальное уменьшение начальной полетной массы самолета может составить до 12%;

• снизить затраты топлива на транспортирование единицы массы полезной нагрузки на 16.27 %;

• увеличить массу полезной нагрузки в 2,6 раза;

• для варианта с максимально возможной полезной нагрузкой экономически целесообразное превышение цены метанового топлива по сравнению с керосином составит 3,2 раза, а поскольку предполагается, что сжиженный природный газ будет дешевле керосина, то существенная разница в стоимости его потребного количества и количества керосина может быть направлена на развитие инфраструктуры криогенной авиации.

4. Использование СПГ на транспорте оправдано не только с технико-экономической точки зрения, но и с экологической. СПГ, по сравнению с традиционным нефтяным топливом, понижает содержание вредных компонентов выпускных газов: окиси углерода, окислов азота и углеводородов до 80%, 70% и 45% соответственно. За рубежом эти факторы являются решающими при газификации транспорта. Ведущие авиафирмы США, Японии и Западной Европы («Боинг», «Локхид», «Дойче Аэроспейс», «Эирбас Индастри») прогнозируют использование СПГ как основного топлива для авиации. Все они сходятся на том, что начиная с 2010.2020 гг. развернется широкое внедрение криогеники в мировое авиастроение.

EVALUATION OF OPERATIONAL PROPERTIES OF CRYOGENIC FUELS SUBJECT

TO AVIATION REQUIREMENTS

Kirdyushkin Y.S., Kirdyushkin V.S.

The special estimation of operational properties cryogenic fuels in view of the aviation requirements shown as a whole to process of technical and flight operation of the cryogenic plane.

Сведения об авторах

Кирдюшкин Юрий Сергеевич, 1985 г.р., магистрант 6 курса механического факультета МГТУ ГА, автор 3 научных работ, область научных интересов - проблемы совершенствования системы технической эксплуатации ВС.

Кирдюшкин Владимир Сергеевич, 1983 г.р., окончил МГТУ ГА (2006), инженер отдела ГосНИИ ГА, автор 6 научных работ, область научных интересов - проблемы совершенствования системы технической эксплуатации ВС.