Выполнен анализ схемных решений перспективной силовой установки для ближне- и среднемагистральных самолетов. Показано, что использование двигателей традиционных схем, работающих на авиационном керосине ТС-1, не позволит выполнить экологические требования, выдвигаемые ИКАО к самолету 2025–2035 гг. Переход на водород и/или сжиженный природный газ позволяет выполнить требования ИКАО по выбросам CO2. Однако это приведет к существенному увеличению стоимости перевозки (за счет инфраструктуры получения и хранения водорода и сжиженного природного газа). Применение комбинированных силовых установок, использующих керосин и криогенное топливо, позволит повысить топливную эффективность и снизить эмиссию CO2 на 16% при работе на водороде и на 2,5–4,5% при работе на метане. При этом частичный переход на водородное топливо позволит выполнить требования ИКАО при сохранении стоимости перевозки.
авиационный двигатель, гибридная силовая установка, водород, альтернативное топливо, экологические требования.
1. Введение
В настоящее время в пассажирской и транспортной авиации основной силовой установкой является двухконтурный турбореактивный двигатель со смешением потоков наружного и внутреннего контуров или без смешения. По этому пути идут как российские (ПС-90А2, ПД-14) и китайские (WS-20) производители, так и различные международные консорциумы (CFM56, V2500, SaM146).
Однако для перспективных самолетов гражданской авиации к 2025–2035 гг. прогнозируемый Международной организацией гражданской авиации (ИКАО, ICAO — International Civil Aviation Organization) уровень целевых показателей предполагает снижение расхода топлива на 60–70%, уменьшение на 50% уровня эмиссии по СО2 и на 75–80% — по NOx, снижение уровня шума в 2 раза и т.д. [1].
Если для снижения уровня шума можно использовать подходы, предложенные в [2], то с эмиссией вредных выбросов сложнее. Известно, что для обеспечения выполнения требований Рамочной конвенции ООН об изменении климата [3] уменьшение удельного расхода топлива, а также уровня эмиссии СО2 на пассажиро-километр на 50% может быть достигнуто лишь при одновременном улучшении аэродинамических характеристик самолёта (вклад в долях~20 %), эффективности двигателя (~40 %) и совершенствовании системы управления воздушным движением (~10 %) [4].
1. Нынешние и будущие тенденции в области авиационного шума и эмиссии авиационных двигателей. Рабочий документ A37-WP/26, Монреаль: ИКАО, 2010. 10 с.
2. Арбеков А.Н., Дермер П.Б., Куникеев Б.А. Повышение эффективности и снижение шума газотурбинных установок // Безопасность в техносфере. 2015. Т. 4. №. 5. C. 31-35. DOI:https://doi.org/10.12737/16961.
3. The United Nations Framework Convention on Climate Change, UN FCCC/1992/84, GE.05-62220 (E) 200705. 25p.
4. Эзрохи Ю.А., Каленский С.М., Полев А.С., Дрыгин А.С. Предварительное исследование характеристик гибридных турбореактивных двухконтурных двигателей различных схем для ближне- и среднемагистральных самолетов // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 3. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/381537.html (дата обращения 15.09.2015).
5. Архипов Д.В., Тумашев Р.З. Расчетное исследование влияния тангенциального наклона и косого обтекания лопаток направляющего аппарата на работу ступени осевого компрессора // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2015. № 11. C. 178-192. DOI:https://doi.org/10.7463/1115.0825832
6. Моляков В.Д., Куникеев Б.А. Особенности проектирования эффективных турбин с учетом влияния радиального зазора // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. № 9. С. 9-18.
7. Бурцев С.А., Киселёв Н.А., Леонтьев А.И. Особенности исследования теплогидравлических характеристик рельефных поверхностей // ТВТ. 2014. Т. 52. № 6. С. 895-898.
8. Авиация и альтернативные виды авиационного топлива. Рабочий документ A37-WP/23. Монреаль: ИКАО, 2010. 5 с.
9. Яновский Л.С., Разносчиков В.В. Эмиссия углекислого газа силовыми установками транспортных самолетов на альтернативных топливах // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2012. № 4. С. 32-37.
10. Иванов В.Л., Щеголев Н.Л., Скибин Д.А. Повышение эффективности двухконтурного турбовентиляторного двигателя введением промежуточного охлаждения при сжатии // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. № 11. С. 75-83.
11. Эзрохи Ю.А., Каленский С.М., Полев А.С., Дрыгин А.С., Рябов П.А. Сравнительный анализ параметров и характеристик различных схем силовой установки с дополнительным выносным винтовентилятором // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 12. DOI:https://doi.org/10.7463/1212.0511469
12. Бурцев С.А., Самойлов М.Ю., Симаков М.В. Анализ экологических аспектов применения перспективных схем силовых установок ближне- и среднемагистральных самолетов // Безопасность в техносфере. 2015. Т. 4, № 2. С. 67-72.
13. Николайкин Н.И. Новые приоритеты в сфере защиты окружающей среды от воздействия гражданской авиации двигателями // Безопасность в техносфере. 2013. Т. 2, № 5. С. 25-30.
14. Чернова Н.И., Киселева С.В., Попель О.С. Эффективность производства биодизеля из микроводорослей // Теплоэнергетика. 2014. № 6, С. 14-21. DOI:https://doi.org/10.1134/S0040363614060010
15. Трансформация биомассы фототрофных микроорганизмов в метан / Сенько О.В., Гладченко М.А., Лягин И.В., Никольская А.Б., Маслова О.В., Чернова Н.И., Киселева С.В., Коробкова Т.П., Ефременко Е.Н., Варфоломеев С.Д. // Альтернативная энергетика и экология. 2012. № 3. С. 89-94.
16. Гуров В. Уникальный самолет Ту-155 с водородным двигателем // Двигатель. 2013. № 5. С.4-6.
17. Галеев А.Г. Обзор разработок по испытанию ракетных двигателей и энергетических установок на водородном топливе и проблемам обеспечения их безопасности // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 12. С. 16-27. DOI:https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.12.002.
18. Le Duigou A., Miguet M., Amalric Y. French hydrogen markets in 2008-Overview and future prospects // International Journal of Hydrogen Energy. - 2011. V. 36. Iss. 15. pp. 8822-8830. doihttps://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.05.006.
19. Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль / Пер. с чешск. В.Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. - М.: Машиностроение, 1987. 320 с.
20. Dunikov D., Borzenko V., Malyshenko S. Influence of impurities on hydrogen absorption in a metal hydride reactor // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. V. 37. pp. 13843-13848. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.04.078.
21. Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния состава бинарных смесей инертных газов на их теплофизические свойства // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 11. С. 217-237. DOI:https://doi.org/10.7463/1115.0822897
22. Дуников Д.О., Борзенко В.И., Малышенко С.П., Блинов Д.В., Казаков А.Н. Перспективные технологии использования биоводорода в энергоустановках на базе топливных элементов (обзор) //Теплоэнергетика. 2013. № 3. С. 48-57.
23. Abbas H.F., Wan Daud W.M.A. Hydrogen production by methane decomposition: A review // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. V. 35, Iss. 3, pp. 1160-1190. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.11.036.
24. 潘相敏，林瑞，李昕等. 氢能与燃料电池的研发及商业化进 展[J]. 科技导报, 2011, 29(27): 第73-79页
25. 李建秋, 方川与徐梁飞, 燃料电池汽车研究现状及发展.汽 车安全与节能学报, 2014. 5(1): 第17-29页.
26. Семенов В.Л. Возможности реализации инфраструктуры заправки, хранения и использования водорода // Насосы. Турбины. Системы. 2012. № 2. С. 14-18.
