CC BY
267
2013
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
№ 194
УДК 629,735.083(075.8)
ПОТЕНЦИАЛ ВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ БУДУЩЕГО
Ю.С. КИРДЮШКИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Чинючиным Ю.М.
Рассматриваются основные преимущества жидкого водорода как альтернативы авиационному керосиновому топливу и отдельные фрагменты расчета газодинамических параметров водородного двигателя, проведенного итерационным методом.
Ключевые слова: жидкий водород, водородный двигатель, газодинамические параметры, альтернативные топлива, криогенные топлива, стехиометрический анализ.
Общие положения
Привлекательность использования водородного топлива для газотурбинных двигателей (ГТД) в будущем обусловлена тем, что водород - возобновляемый источник энергии, имеющий следующие основные термодинамические характеристики и специфические свойства:
■ значительная теплотворная способность (удельная теплота сгорания у водорода выше, чем у керосина, в 3 раза (у водорода - 120,9-106 Дж/кг, у керосина - 40,8-106 Дж/кг);
■ возможность эффективного охлаждения горячих деталей двигателя жидким водородом, обладающим высоким хладоресурсом;
■ устойчивость горения в составе бедных топливных смесей;
■ высокая скорость сгорания.
Эти преимущества водородного топлива ученые в США оценили еще в 1957 году, когда были проведены первые успешные испытания двигателя 3-57 американской фирмы «Пратт-Уитни» на жидком водороде. В том же году в исследовательском центре Льюиса (США) был испытан самолет В-57 с водородной топливной системой, который совершил несколько успешных полетов. С середины 60-х годов советские ученые также принимали активное участие в исследованиях в области водородной энергии и вошли в состав Международной ассоциации по водородной энергетике. Однако, как утверждают специалисты в области криогенных видов топлива, широкое использование водорода как альтернативы керосина в гражданской авиации развитых стран ожидается не ранее 2030 года. Это связано со следующими обстоятельствами:
1. Применение водородного топлива вызывает необходимость обеспечения особых требований к компоновке летательного аппарата (ЛА). Жидкий водород имеет меньшую плотность по сравнению с традиционным топливом - керосином. Плотность жидкого водорода - 0,07 г/см3, тогда как у керосина - 0,82 г/см3, следовательно, для получения того же теплового эквивалента потребуется увеличить емкости топливных баков для хранения топлива примерно в 3,8 раза при снижении общей массы топлива в 3 раза. В связи с этим, например, в США предложено размещать топливо в подвесных топливных баках или дополнительных баках, устанавливаемых над удлиненной частью фюзеляжа ЛА. Также необходима надежная теплоизоляция топливных баков для предотвращения выкипания жидкого водорода, которое может привести к разрыву баков.
2. Водород обладает способностью, в случае его утечек из магистрали, образовывать взрывоопасные смеси с кислородом. Пределы взрывоопасности водородо-кислородной смеси составляют по объему от 4 до 94% Н2, а водородно-воздушной смеси - от 4 до 74% Н2. Смесь двух объемов Н2 и одного объема О2, в связи с особой взрывоопасностью, получила название гремучего газа. Следовательно, применение водородного топлива требует, помимо всего прочего, более высокой квалификации обслуживающего персонала.
Наряду с указанными особенностями, перевод ГТД на водород имеет и ряд серьезных преимуществ, которые делают его наиболее привлекательным альтернативным топливом будущего
с технической и экологической точки зрения. Так по оценкам фирмы «Локхид» и результатам летных испытаний, полученных исследователями ОКБ Туполева на самолете Ту-156, силовые установки, работающие на водородном топливе, в связи с отсутствием нагарообразования в газовоздушном тракте, будут иметь ресурс примерно на 25% больше, чем двигатели, работающие на керосине. Теплотворная способность жидкого водорода в три раза больше чем у керосина, за счет чего более высокая стоимость водородного топлива компенсируется снижением его удельного расхода в целом.
Вышеуказанные положительные факторы и тот факт, что водород является возобновляемым источником энергии, характеризует его как идеальное топливо будущего, но применение в авиации на ГТД водородного топлива невозможно без детального расчета газодинамических параметров проектируемого водородного двигателя.
Считается, что при сжигании жидкого водорода в смеси с кислородом, единственными продуктами сгорания являются высокотемпературное тепло и вода. Следовательно, при использовании водорода не образуются парниковые газы. Чтобы убедиться в этом, возьмем за основу такого рода утверждения расчет продуктов сгорания двигателя ПС-90А2К («криогенный»), проектируемого для работы на водороде [1].
В процессе расчета определяются: дроссельные характеристики газового (водородного) ГТД, состав, теплоемкость продуктов сгорания водородного топлива на первой ступени турбины и показатель адиабаты.
Так как температура газового потока ГТД может изменяться в широких пределах, рекомендуется производить расчет теплоемкости продуктов сгорания по итерационному методу, предложенному В.И. Янкиным [2].
Расчет газодинамических параметров водородного двигателя
Данный метод расчета учитывает влияние отношения расхода топлива к расходу воздуха и тип использованного топлива. Причем, степень влияния количества подаваемого топлива на теплоемкость продуктов сгорания и газовую постоянную зависит от величины коэффициента избытка воздуха а или от величины отношения расхода топлива к расходу воздуха - . Параметры а и qt связаны отношением
qt = = "Ь (1)
Св ссЦ
где 0Т - секундный весовой расход топлива, кг/с; Ов - секундный весовой расход воздуха, кг/с; Ь0 - количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 кг/с топлива.
При расчете отношения расхода водородного топлива к расходу воздуха формула (1) будет иметь следующий вид
Ср ■ (Т*- Т* )
= -13, (2)
Ни 103 ^
где Ср - теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении, Дж/кг-К; Т- температура
газа перед турбиной, К; Т* - температура газа за турбиной, К; Ни - удельная теплота сгорания жидкого водорода, Дж/кг; г}кс - коэффициент газодинамического совершенства камеры сгорания.
Далее, для определения состава продуктов сгорания водородного топлива рассчитываем теплоемкость смеси газов Ср (Т, qt) (чистого водородного топлива - Н2 с воздухом) при а < 1, с учетом работы [2], по формуле
С(Т) + ч • СРТ (Т)
Ср (Т, qt) = ру л ' РТ , (3)
1 + Ч
112
Ю.С. Кирдюшкин
где CРТ (Т) - теплоемкость чистого топлива (водорода), Дж/ кг-К; Cpy (Т) - условная теплоемкость чистых продуктов сгорания при температуре T, в случае работы двигателя на водороде (режимы при а < 1), которая определяется по формуле
CPy (Т) = (1 + ^са:1 (Т) - -1Cрв (Т), (4)
L0 L0
где Сар=1(Т) - теплоемкость продуктов сгорания при заданной температуре T, Дж/кг-К; Cрв (Т) -
теплоемкость воздуха при температуре Т, Дж/кг-К.
Для вычисления теплоемкости смеси газов при постоянном давлении и заданной температуре Ср (Т, qt) необходимо рассчитать условную теплоемкость чистых продуктов сгорания по формулам с учетом коэффициентов полиномов п-го порядка, аппроксимирующих зависимости Cpy (Т) и Cрв (Т) для водородного топлива
T
С(Т) = У a^ )'; (5)
ру ' у 1000
П Т
Срв(Т) = У * <100/'. (6)
После подстановки в формулу (3) полиномов (5) и (6) получим формулу вида
(ав,- + qt ■ ал„-) т Ср(Т,^) = .(-±-)', (7)
р г (1 + ) 1000
где ав', а^ - коэффициенты полиномов, аппроксимирующие зависимости теплоемкости от температуры.
Для проведения расчетов по формулам (3), (4) необходимо вычислить зависимость С<рг=1(Т) и величину газовой постоянной продуктов сгорания Яг.
Формула для вычисления Яг (при а < 1) имеет следующий вид
*=, (8)
1 + Чг
где Я - газовая постоянная воздуха (Дж/моль-К), которая рассчитывается по формуле
Я = (1+-1 ;
L ' г L T
0 0
ЯТ - газовая постоянная чистого топлива (водорода), Дж/моль-К, т - масса газа (кг), определяется отношением
т = ЯТ /Я0 .
Зависимость Ср (Т) и величина газовой постоянной продуктов сгорания Яг могут быть
рассчитаны, если известны химический состав топлива, зависимости теплоемкостей от температуры воздуха и состав отдельных химических соединений продуктов полного сгорания топлива в воздухе, а также газовые постоянные этих соединений.
Преобразованные формулы расчета теплоемкости Ср (Т) и газовой постоянной продуктов
сгорания Яг приобретают следующий вид:
Ср (Т) = 0Н2а (Ср )Нга (Т) + Оа2 {Ср )02 (Т) + Ощ (Ср) (Т) + О^ (Ср) Л (Т); (9)
Яг = 6НОЯНО + + ЯN + ЯА , (10)
где 0Нр,в0,,вА - относительные весовые доли Н20,Н2,Ы2,Аг в продуктах сгорания при а < 1, которые могут быть вычислены по формулам:
(2т)п
СН,0 = ^^НМ ; („)
во, = ^; (12)
1+h
= (13) = (14>
Здесь gO^, gN^, " весовые доли газов в составе воздуха; Цн ,№о, тс " атомные веса водорода, кислорода и углерода; n и рВ - количество атомов углерода и водорода, в условной молекуле топлива.
Исходя из полученных отношений, предоставляется возможность определить доли продуктов сгорания водородного топлива:
gH2o = 0,075; go2 = 0,162;
gNi = 0,748; g^ = 0,013;
4
I gi = 0,999.
i=1
Выводы
1. По результатам расчетов продуктами сгорания газовоздушной смеси водорода с кислородом являются не только температурное тепло и вода, а по возрастающей: аргон (Аг), вода (H20), кислород (О2), азот (N2), изначально входящие в состав воздуха, и, в незначительной степени, сам водород (H2).
2. Так как данный метод расчета газодинамических параметров двигателя учитывает зависимость теплоемкости газов при постоянном давлении Ср (T, qt), дальнейший расчет параметров водородного двигателя может быть произведен с наименьшими погрешностями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кирдюшкин Ю.С. Анализ состояния и перспективы применения альтернативных видов топлив на отечественных магистральных самолетах: магистерская дисс. ... - М.: МГТУ ГА, 2008.
2. Янкин В.И. Система программ для расчета характеристик ВРД на ЭЦВМ. - М.: Машиностроение, 1976.
POTENTIAL OF HYDROGEN FUEL APPLICATION IN CIVIL AVIATION
Kirdyushkin Y.S.
The main advantages of liquid hydrogen fuel as an alternative source of energy to traditional kerosine are considered. Moreover, the fragments of gas dynamic parameters calculations for liquid hydrogen combustion process conducted by the method of iterations are shown.
Key words: liquid hydrogen, hydrogen powered jet engine, gas-dynamic parameters, liquid hydrogen combustion products, balance equation for liquid hydrogen combustion, stoichiometric combustion analysis for liquid hydrogen.
Сведения об авторе
Кирдюшкин Юрий Сергеевич, 1985 г.р., окончил МГТУ ГА (2008), аспирант МГТУ ГА, автор 8 научных работ, область научных интересов - применение альтернативных видов топлив в сфере гражданской авиации.
