Исследование эффективности применения альтернативных авиатоплив в летательных аппаратах

Актуальность работы. В последние годы весьма актуальной стала общемировая проблема замены нефти, из которой производится примерно 99% моторных топлив, на другие, альтернативные, виды сырья. В качестве наиболее перспективного сырья рассматривается, прежде всего, газ, мировые ресурсы которого огромны. При этом запасы газа в России составляют более 40% мировых ресурсов. Газ, как в сжиженном, так и в компримированном состояниях, а также жидкие горючие, полученные из него посредством переработки, в настоящее время используются в качестве моторных, в.т.ч. авиационных, топлив (компании BP, Shell, Exxon Mobil и др.).

Газовые топлива и жидкие топлива из газа обладают повышенной, по сравнению с авиакеросином, массовой теплотой сгорания (на 5%), лучшими экологическими характеристиками (по выбросам NOx, SOx, CnHm) и хладоресурсом. В них отсутствуют гетероатомные соединения и механические примеси, нет свободной воды, что обусловливает возможность значительного увеличения ресурса авиационных двигателей при использовании газовых топлив. Кроме того, себестоимость авиагаза значительно (~ в 4 раза) ниже, чем стоимость авиакеросина. Все это в значительной мере предопределяет интерес в настоящее время к оценке перспектив применения газовых топлив в авиации.

В нашей стране впервые в мире проведена эксплуатация под наблюдением самолета Ту-155 (1989г.) на сжиженном природном газе (СПГ) и вертолета Ми-8ТГ (1988г.) на сконденсированном газовом (бутановом) топливе. Было показано, что перевод авиации на эти виды топлива принципиально возможен.

За рубежом (США, Европа) в последние годы созданы синтетические жидкие авиатоплива (СЖТ) из природного газа, проведены с положительными результатами летные испытания авиатехники на СЖТ.

Выпущена спецификация АБТМ 7 566 на синтетические авиатопливаСША к 2014 г. планируют сертифицировать весь парк ЛА ВВС на этих топливах, а к 2016 г. — удовлетворить потребности ВВС в СЖТ (за счет смесей 50:50 с реактивным топливом 1Р-8).

В России отсутствует производство авиационного СЖТ, и лишь недавно были созданы опытные образцы СЖТ из природного газа, однако данные по их эксплуатационным свойствам и эффективности применения в отечественных летательных аппаратах (ЛА) отсутствуют.

Остался также ряд нерешенных задач, связанных с оценкой эффективности ЛА, работающих на сжиженных углеводородных газах, а также с определением параметров силовой установки (СУ) в составе системы «ЛА-СУ-Топливо» («ЛА-СУ-Т»), с выбором оптимального состава АСКТ, представляющего собой смесь углеводородов от С3 до Сю, и определением его эксплуатационных свойств.

Сырьем для получения АСКТ является попутный нефтяной газ (ПНГ), который в нашей стране при добыче нефти просто сжигается. Поэтому одновременно с решением проблемы внедрения АСКТ в авиацию улучшается ресурсосбережение. АСКТ, состоящее, в основном, из смеси предельных углеводородов в разных сочетаниях, позволяет создавать требуемые для авиации составы с заданными (или оптимальными) плотностью и теплотворностью, с учетом имеющихся в стране сырьевых и производственных возможностей.

Оценка эффективности системы «ЛА-СУ-Т» на новых видах топлива, состав которых следует определить, требует определения эксплуатационных свойств топлив и применения математических моделей системы «ЛА-СУ-Т».

Решение этих задач позволит, во-первых, вовлечь дополнительные сырьевые ресурсы (газ) России для производства авиатоплив и снизить зависимость потребителей от поставок нефтяных топлив, во-вторых, внедрить систему оценки эффективности сложных систем «ЛА-СУ-Т», втретьих, создавать конкурентоспособную авиатехнику нового поколения с улучшенными эксплуатационными и экологическими показателями.

Объект диссертационного исследования — образцы нового альтернативного (ненефтяного) синтетического жидкого топлива СЖТ, произведенного из природного газа, а также авиационного сконденсированного топлива АСКТ нового состава.

Предмет исследования — эксплуатационные свойства образцов альтернативных (нефтяных) топлив из газового сырья и эффективности их применения в транспортных самолетах с газотурбинными двигателями (ГТД), а также в высокоскоростных аэрокосмических ЛА.

Цель диссертационного исследования — улучшение эксплуатационных и экологических показателей отечественной авиатехники за счет применения альтернативных топлив из газового сырья.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

— усовершенствовать математическую модель системы «ЛА-СУ-топливо» путем расширения номенклатуры компонентов различных топлив;

— разработать и создать опытные образцы новых альтернативных топлив СЖТ и АСКТ;

— экспериментально исследовать эксплуатационные свойства СЖТ и АСКТ (термоокислительная стабильность, совместимость с конструкционными и уплотнительными материалами, противоизносные свойства, характеристики горения в камере сгорания, хладоресурс);

— выполнить расчеты физико-химических и теплофизических свойств альтернативных топлив в широком диапазоне давлений и температур, в том числе с учетом возможности реализации химического хладоресурса;

— определить эффективность применения СЖТ в качестве топлива для транспортных самолетов;

— определить эффективность применения АСКТ в качестве топлива для транспортных самолетов и высокоскоростных летательных аппаратов.

Диссертация-' состоит из Введения, четырех Глав, Выводов, Заключения, Библиографического списка использованной литературы и Приложения.. '.

Выводы.

На основании проведенного анализа научно-технической литературы, выполненных экспериментальных и расчетных исследований свойств альтернативных (ненефтяных) синтетических жидких топлив СЖТ из газа и авиационного сконденсированного топлива АСКТ и оценки эффективности их применения в авиационной технике можно сделать следующие выводы.

1. Усовершенствована математическая модель системы «ЛА-СУ-Т» путем увеличения номенклатуры топлив и их компонентов и введения системы управления большими массивами инженерных данных для оценки эффективности применения альтернативных топлив в летательных аппаратах.

2. Созданы первые отечественные опытные образцы авиационных СЖТ из природного газа и исследованы их физико-химические и эксплуатационные свойства. Эти топлива обладают более высокими эксплуатационными характеристиками, по сравнению с топливами ТС-1 и РТ, что позволяет повысить ресурс и надежность эксплуатации авиационных ГТД, снизить дымность выхлопа и устранить выбросы сернистых соединений в окружающую среду. Совершенствование технологии производства СЖТ из газового сырья для авиационных ГТД следует рассматривать как одно из приоритетных направлений инновационного развития.

3. Средние и тяжелые транспортные самолеты Ил-76ТД и Ан-124 на СЖТ из газа имеют более высокую топливную эффективность по сравнению с ТС-1 — в среднем на 18% и 10% при эксплуатации их с коммерческой полезной нагрузкой. Летно-технические характеристики самолетов на СЖТ практически такие же, как и на авиакеросине.

4. Рациональный состав АСКТ для транспортных самолетов разной грузоподъемности (от 20 до 120 тонн) практически одинаков: н-пентан -51−58,2%, н-гексан — 4,7−5,1%, изо-гексан — 17,1−22,8% и н-гептан — 18,1.

21,3%. Полученные данные по долевому составу АСКТ использованы для разработки технических условий на новое авиатопливо.

5. Самолет на АСКТ при полной заправке и максимально допустимой нагрузке имеет практически такую же топливную эффективность (ТЭ), как на ТС-1. Максимальная дальность полета самолета’на АСКТ при полной заправке и допустимой массе нагрузки меньше на 18,4%.а> дальность полета при максимальной заправке без полезной нагрузки («перегоночный» полет) меньше на 10,7% по сравнению с самолетом на ТС-1. Эмиссия СОг в атмосферу при полете на АСКТ практически такая же, как на ТС-1. Эмиссии серы и дымления нет. Стоимость летного часа самолета на АСКТ в 1,5 раза меньше, чем на топливе ТС-1.

6. Созданы первые опытные образцы топлива АСКТ и исследованы его физико-химические и эксплуатационные свойства. Противоизносные свойства АСКТ уступают противоизносным свойствам топлив ТС-1 и РТ примерно в 2−3 раза. Для улучшения противоизносных свойств рекомендовано вводить в АСКТ присадку ДНК (ГОСТ 13 302−77) в концентрации 0,003%(масс), что позволяет снизить износ элементов пары трения (на установке УПС-01М) до уровня топлив ТС-1 и РТ. Коррозионная агрессивность топлива АСКТ с присадкой ДНК (0,003% масс.), а также совместимость АСКТ с нитрильными резинами ИРП-1078 и ИРП-1078А оказались заметно лучше, чем у топлив ТС-1 и РТ.

7. Полнота сгорания АСКТ в модельной камере сгорания испарительного типа оказалась выше, чем у топлива ТС-1, во всем рабочем диапазоне значений коэффициента избытка воздуха, срывные характеристики камеры при обеднении топливо-воздушной смеси заметно лучше ас?? а — 2 6,7 против (ХсръТе^ — 14,6), а нагарообразование примерно в 10 раз меньше. Применение АСКТ в авиационных ГТД позволяет улучшить их эксплуатационные характеристики (ресурс топливных агрегатов и камеры сгорания, отсутствие дымности и выбросов сернистых соединений), по сравнению с топливами ТС-1 и РТ.

8. При нагреве АСКТ до температуры 600 °C начинается термическое разложение с образованием легких газообразных продуктов (Н2, СН4, С2Нб, С3Нб, С3Н8, С4Н6, С4Н8, С4НШ). При температуре 800 °C АСКТ полностью превращается в эти газообразные продукты (степень превращения Ъ—>1). Коксообразование при этом отсутствует. Предложены уравнения для расчета состава пирогаза, образующегося при термическом разложении АСКТ, в широком диапазоне параметров (давление Р = 0,1-^5,0 МПа, время контакта т = 0,2−2,0 с, степень превращения Ъ = 0-И), которые включены в математическую модель системы «ЛА-СУ-Т».

9. Тепловой эффект реакции разложения АСКТ достигает ~ 2700 кДж/кг, а потенциальный располагаемый (физический и химический) хладоресурс ~ 4600 кДж/кг при температуре 800 °C, что составляет ~13% от теплоты сгорания, и существенно превышает потребный (2800−3000 кДж/кг) хладоресурс топлива для гиперзвуковых ЛА с ВРД при числе Маха полета Мп=6.

Заключение

.

Проведенные исследования дают основание утверждать о технико-экономической и экологической целесообразности применения СЖТ и АСКТ в транспортной авиации. Применение этих топлив в авиационных ГТД позволит улучшить их эксплуатационные и эмиссионные показатели и не создаст дополнительных сложностей при эксплуатации по сравнению с топливами ТС-1 и РТ.

Возможность реализации химического хладоресурса АСКТ без коксоотложений делает целесообразной разработку ГЛА с ГПВРД на этом топливе. Необходимо создание масштабной модели ГЛАэкспериментального демонстратора возможности применения АСКТ как перспективного топлива для высокоскоростных летательных аппаратов (М>6) с воздушно-реактивными двигателями. При этом следует сравнивать летно-технические характеристики ЛА в критериях полетного задания.

Выполненные исследования позволили создать научно-технический задел в области инновационных технологий по модернизации существующих и разработке новых самолетов и силовых установок на альтернативных (ненефтяных) топливах.