Оценка эффективности применения синтетических жидких топлив на транспортных самолетах

Оценка эффективности применения синтетических жидких топлив на транспортных самолетах

В.В. Разносчиков,

старший научный сотрудник ЦИАМ им. П.И.Баранова, доцент, к.т.н., М.Л. Яновская,

младший научный сотрудник ЦИАМ им. П.И. Баранова

В статье приводятся результаты системно-химмотологического анализа возможности перевода авиации на новые синтетические жидкие топлива из ненефтяного сырья (природный газ, уголь, биомасса). Инструментом анализа является имитационная модель системы летательный аппарат - силовая установка - топливо, объектом исследования - транспортные самолеты среднего и тяжелого классов. Представлены результаты анализа транспортной эффективности и экологических показателей этих самолетов и даны рекомендации о целесообразности перевода транспортной авиации на синтетические топлива.

Ключевые слова: синтетическое жидкое топливо, химмотология.

Efficiency of transport aircrafts on synthetic liquid fuels

V.V. Raznoschikov, M. L. Yanovskaya

There are presented the results of systematic chemmotological analysis of a capability of aircraft on new synthetic liquid fuel produced from unpetroleum raw materials (natural gas, coal, biomass). The tool of analysis is simulation model of system «Aircraft - Jet engine - Fuel» and objects of research are transport aircrafts of middle and heavy classes. The results of analysis are the fuel efficiency and ecological parameters of aircrafts and the recommendations for expediency of using synthetic fuel at transport aviation.

Keyword: synthetic liquid fuel, chemmotology.

В настоящее время переход с нефтяных топлив на синтезированные из других видов сырья, разработка прогрессивной технологии производства синтетических топлив и их рациональное применение в авиатехнике становятся весьма актуальными задачами.

Перевод авиации на альтернативные топлива является шагом революционного характера и позволяет существенно улучшить тех-

нико-экономические и экологические показатели авиатехники.

За рубежом созданы опытно-промышленные образцы синтетического реактивного топлива из природного газа, угля и биомассы, соответствующие требованиям спецификации АБТМ D75бб-09 на синтетическое жидкое топливо (СЖТ). В 2007 г. в Ванкувере (Канада) на Генеральной ассамблее 1АТА авиакомпании приняли решение в ближайшие 10 лет

добиться 10%-ной доли использования СЖТ на авиалиниях. ВВС США планируют к 2014 г. сертифицировать СЖТ для всего парка летательных аппаратов (ЛА), а к 201б г. удовлетворить потребности ВВС в топливе за счет смесей топлива ^-8 с синтетическим топливом 50:50. Крупнейшая в Европе компания А1гЬи5 планирует к 2020 г. осуществлять эксплуатацию 30 % самолетов на СЖТ.

В России созданы первые опытные образцы углеводородных авиатоплив из биомассы и природного газа [1, 2] и выявлены их свойства. Требуется определить летно-технические характеристики (ЛТХ) самолетов, которые будут использовать такие топлива. При этом решение о переводе авиации на СЖТ требует технико-экономического обоснования, которое на предварительном этапе может дать инженерный анализ системы летательный аппарат - силовая установка - топливо (ЛА-СУ-Т).

Между элементами этой системы существуют сложные взаимно направленные связи (рис. 1). Поэтому при создании ЛА нового типа или модернизации существующего необходимо учитывать требования, предъявляемые каждым из элементов к другим элементам и к системе в целом.

Имитационная модель системы ЛА-СУ-Т

Отчетливо выраженная много-дисциплинарность системы ЛА-СУ-Т и необходимость учета факторов, зависящих от применяемого топлива и влияющих на технический облик и ЛТХ системы, приводят к необходимости применения имитационной модели (ИМ) (рис. 2).

Имитационное моделирование представляет собой метод проведения на ЭВМ численных экспериментов с математическими моделями (ММ), описывающими поведение

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.

^^ M |Щ1 IP* w ВШш вВВ ИИ

Рис. 1. Принципиальная схема системы ЛА - топливо - эксплуатация

сложной системы в течение заданного или формируемого периода времени. Поведение компонентов сложной системы и их взаимодействие в ИМ, как правило, описываются набором алгоритмов, реализуемых на некотором языке моделирования. Имитируя реальные ситуации на модели, исследователь получает возможность оценить эффективность системы, сравнить варианты структурных схем, определить степень влияния параметров системы и начальных

условий на показатель эффективности и т.п. [3].

Переход на новое топливо может изменить не только ЛТХ, но и существенно повлиять на процесс эксплуатации самолета. На предварительном этапе оценки возможности использования топлива достаточно учесть его элементный состав, плотность р, низшую массовую теплоту сгорания Ни и давление насыщенных паров рН П. Так как топливные емкости ЛА имеют фиксированный объем,

Рис. 2. Блок-схема ИМ системы ЛА-СУ-Т

плотность топлива определяет его массу и, соответственно, влияет на ЛТХ. Последние, в свою очередь, наиболее сильно зависят от аэродинамических и объемно-массовых параметров ЛА и тягово-экономических характеристик СУ. Влияние топлива на рабочий процесс и параметры СУ (тягу Р и удельный расход топлива Суд ) обусловлено, в основном, теплотой сгорания топлива и теплофизи-ческими свойствами продуктов его сгорания в воздухе. При этом топливо в значительной мере определяет облик двигателя и особенности его конструкции. Эффективность СУ существенно зависит от эксергетичес-ких возможностей топлива, то есть от возможности увеличить работу цикла двигателя.

Поскольку ЛТХ ЛА зависят, главным образом, от компоновки и аэродинамических характеристик планера и параметров СУ, можно значительно упростить проблему формализации системы ЛА - топливо - эксплуатация и перейти к системе ЛА-СУ-Т. Применяемая ИМ должна позволять рассчитывать не только тягово-экономические и габаритно-массовые характеристики СУ, но и геометрические, аэродинамические, объемно-массовые характеристики и траекторные параметры движения ЛА по типовым программам (профилям) полета, а также влияние на них свойств используемого топлива [4, 5].

В состав ИМ системы ЛА-СУ-Т входят:

ММ ЛА для расчета геометрических, аэродинамических, объемно-массовых и летно-технических характеристик ЛА;

ММ СУ для стендового режима и расчета высотно-скоростных (ВСХ), дроссельных (ДХ) и габаритно-массовых (ГМХ) характеристик двигателей различных схем;

ММ топлива для расчета его свойств;

Рис. 3. Блок-схема ММ топлив и ее связь с ММ ЛА и ММ СУ

блок расчета критериев эффективности (КЭ) системы ЛА-СУ-Т.

Интегрированные в состав ИМ математические модели новых топ-лив, экономические и экологические показатели значительно расширяют возможности исследования влияния топливных факторов на параметры и эффективность системы ЛА-СУ-Т. В частности, имеется возможность проводить расчетно-теоретические исследования по обоснованию состава новых перспективных топлив, оптимизированных как по самолетным критериям (транспортная эффективность, дальность полета, взлетная масса), так и по критериям стоимости жизненного цикла (ЖЦ) ЛА, стоимости одного летного часа, эмиссии вредных веществ и др.

Таким образом, в ИМ имеет место сопряжение самолетных, двигательных и топливных аспектов проектирования. При необходимости можно организовать взаимодействие с

пакетами многопараметрической оптимизации, которые позволяют оптимизировать любые из названных параметров и их характеристики с целью формирования оптимального технического облика системы ЛА-СУ-Т по выбранным КЭ.

ММ топлива (рис. 3), построенная по результатам анализа и обобщения наиболее достоверных опубликованных методик расчета свойств веществ, позволяет производить расчет

теплофизических (теплота сгорания Ни, плотность, давление насыщенных паров, энтальпия, теплоемкость, теплота испарения, сила поверхностного натяжения) и транспортных (вязкость, теплопроводность и др.) свойств как индивидуальных веществ (водород И , алканы СИ, и т.п.), так и топлив

2' п 2п+2 "

(керосины, СЖТ, авиационное сконденсированное топливо АСКТ, СПГ).

При расчете дальности полета и других ЛТХ самолета интегрируется система дифференциальных уравнений 1-го порядка, описывающих движение центра масс ЛА в траек-торной системе координат. Исходными данными для расчета ЛТХ служат полученные на предыдущих этапах расчета аэродинамические и объемно-массовые характеристики ЛА, вы-сотно-скоростные и габаритно-массовые характеристики СУ.

Расчет КЭ системы ЛА-СУ-Т осуществляется после решения задач динамики полета для ряда полетных заданий с использованием инженерных методик расчета стоимости жизненного цикла и одного летного часа (с учетом известной или прогнозируемой стоимости топлива). Кроме этого, рассчитываются транспортная эффективность ЛА, эмиссия СО2 за полет и т.д.

Отметим, что ИМ имеет открытую архитектуру, что позволяет вместо рассчитанных внутренних характеристик СУ и ЛА использовать внешние данные и характеристики, полученные

Таблица 1

Показатель ТС-1 Топливо СБТ Топливо СГТ

Плотность, кг/м3 775,0 749,0 738,0

Массовая доля водорода 0,141 0,155 0,152

Теплота сгорания, МДж/кг массовая объемная 42,8 33170,0 44,3 33180,7 44,1 32545,8

Таблица 2

Характеристики Ил-76ТД Ан-124 «Руслан»

Максимальная взлетная масса, т 190,0 392,0

Максимальная масса полезной нагрузки, т 50,0 120,0

экспериментально или расчетом по другим программам. Благодаря такой архитектуре используемая технология системного анализа является платформой для дальнейшего развития исследований в области ЛА, СУ и топлив нового поколения.

Постановка задачи и результаты исследования

Рассмотрим два типа транспортных самолетов: средний Ил-76ТД с

двигателями Д-30КП-2 [6] и тяжелый Ан-124 «Руслан» с двигателями Д-18Т [7]. Исследуем их ЛТХ на трех видах топлива: авиакеросине ТС-1, синтетическом жидком топливе из биомассы (СБТ) [1] и синтетическом жидком топливе из природного газа (СГТ) [2]. Основные характеристики этих топлив приведены в табл. 1.

Траектории полета самолетов приняты одинаковыми и соответствующими рекомендациям по

практической аэродинамике самолетов. Профиль полета представляет собой участок разгона - набора высоты, участок крейсерского полета на высоте 6 км с числом М=0,6 и участок снижения и посадки. Для расчета ЛТХ каждого самолета используются более 1500 данных, приведенных в технической документации на самолеты и двигатели [6, 7].

Расчет дальности полета самолетов проводился для трех вариантов

НИ ЙЯЯВВР Л Ф вя# ¿¡^¿^ ЩИ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.

полезной нагрузки. Вариант 1 связан с ограничением по максимальной полезной нагрузке при максимальной взлетной массе.

Вариант 2 определялся максимальной взлетной массой при максимальной заправке топливом.

Вариант 3 - перегоночный, характеризуется максимальной заправкой топливом и отсутствием полезной нагрузки. Основные массовые харак-

теристики самолетов представлены в табл. 2.

Таким образом, определялись предельные зависимости полезной нагрузки от дальности полета самолетов для разных топлив (рис. 4).

В варианте 1 более высокая, по сравнению с ТС-1, массовая теплота сгорания СБТ и СГТ позволяет увеличить дальность полета при фиксированной массе полезной нагрузки

соответственно на 2,8 и 2,2 % за счет более экономичной работы двигателей. В варианте 2 самолеты на СБТ и СГТ проигрывают в дальности полета: самолет Ил-76 на СБТ - на 1,2 %, а на СГТ - на 3,5 %, самолет Ан-124 на СГТ - на 3,8 %, а на СБТ - на 1,5 % в сравнении с полетом на ТС-1. Однако при этом увеличивается масса полезной нагрузки за счет уменьшения массы топлива вследствие меньшей плотности при фиксированном объеме топливных баков (рис. 5).

Удельный расход топлива двигателей на синтетических топливах уменьшается в среднем на 2 % за счет более высокой теплоты сгорания. Кроме этого, объемная теплота сгорания СБТ выше, чем у керосина, на 0,4 %, а у СГТ ниже на 1,8 %. Эти обстоятельства объясняют более высокую дальность полета на синтетических топливах на всех режимах полезной нагрузки между вариантами 1 и 2. Меньшая объемная теплота сгорания СГТ приводит к уменьшению дальности полета только при максимальной заправке самолета топливом (варианты 2 и 3).

Транспортная эффективность (ТЭ) самолетов (отношение расхода

топлива в граммах к произведению массы полезной нагрузки на дальность полета, т^км) на СЖТ выше, чем на ТС-1. На рис. б показаны точки, связывающие варианты 1 и 2. Линия графика для варианта 3 не приводится, так как при нулевой полезной нагрузке транспортная эффективность самолетов стремится к бесконечности. Наибольшее улучшение транспортной эффективности наблюдается на режимах коммерческих нагрузок при полных заправках топливом самолета Ил-7бТД в среднем на 25 %, а самолета Ан-124 - на 15 %.

Выбросы СО2 зависят от расхода топлива и от количества углерода в нем. На типичных режимах полета, то есть с полной или частичной полезной нагрузкой (близко к варианту 2), СЖТ позволяют уменьшить выбросы СО2 на 2...5 % (рис. 7).

Таким образом, в результате анализа системы ЛА-СУ-Т установлено, что транспортные самолеты,

работающие на синтетических жидких топливах из газа и биосырья, имеют более высокие летно-технические характеристики и транспортную эффективность в сравнении с использованием авиакеросина ТС-1.

Из-за меньшего содержания углерода в составе СБТ и СГТ в сравнении с ТС-1 и меньших расходов топлива за полет выбросы СО2 сни-

жаются, что позволит уменьшить вредное влияние авиационного транспорта на окружающую среду. Совершенствование технологии производства из ненефтяного сырья синтетических жидких топлив для авиационных ГТД следует рассматривать как одно из приоритетных направлений инновационного развития России.

Литература

1. Федоров Е.П., Французова Н.А. и др. Разработка синтетического реактивного топлива из биосырья // Прямоточные ВРД и химмотология. ЦИАМ, №. 1340. - 2010. -С. 107-116.

2. Середа А.В., Лысенко С.В. и др. Результаты исследований качества образца авиационного синтетического жидкого топлива // Прямоточные ВРД и химмотология. ЦИАМ, №. 1340. - 2010. - С. 147-152.

3. Антонов А.В. Системный анализ. - М.: Высшая школа, 2006. - С. 454.

4. Братухин А.Г., Луковников А.В., Разносчиков В.В. и др. Оценка эффективности пассажирских самолетов на сжиженном природном газе // Авиационная промышленность. - 2010. - № 1. - С. 8-16.

5. Разносчиков В.В. Системный анализ использования топлива в авиационных силовых установках // Полет. - 2008. - № 4. - С. 28-33.

6. Веб-ресурс Авиационного комплекса им. С.В.Ильюшина - http://www.ilyushin. org/

7. Веб-ресурс Авиационного научно-технического комплекса им. О.К.Антонова - http://www.antonov.com/

Автомобильные газовые баллоны

ООО «Бапсити» является единственным производителем в России, изготавливающим баллоны для СУ Г, сертифицированные по Международным Правилам ЕЭК ООН №67-01. На предприятии внедрена и действует система менеджмента качества в соответствии с ГОСТ Р ИСО 9001-200В { ISO 9001-2008 )

Б настоящее время серийно изготавливаются: * цилиндрические баллоны емкостью от 30 до 220 л. - тороидальные баллоны емкостью от 42 до 94 л, 'блоки цилиндрических баллонов различной емкости (спаренные баллоны}.

Широкое разнообразие типов и объемов выпускаемых баллонов позволяет оснастить ими автомобили любой марки.

ООО «Бал Сит и» является эксклюзивным поставщиком баллонов на конвейер Горько веко го автозавода ГАЗ.

Тел. +7(495)955-43-77

Факс +7 (495) 783-В4-92

E-mail: baJcity@balcity.rij

Сайт: www.baicity.ru

I ..ifffflrmnTr,.-. Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.