CC BY
63ьтернативное топливо в авиации
"Чои«»***
Влияние вида топлива на летно-технические характеристики вертолетов семейства Ми-8
В.И. Маврицкий,
начальник НИО-Ю ФГУП «ЦАГИ», к.т.н., К.Г. Косушкин,
начальник сектора НИО-1С) ФГУП «ЦАГИ», В.П. Зайцев,
генеральный директор ОАО «Интеравиагаз»
В приведенном сравнительном анализе исследовалось влияние вида топлива (штатное - авиакеросин, и альтернативное - авиационное сконденсированное газовое топливо) на основные показатели вертолета как транспортного средства - массу перевозимого груза и дальность полета.
Ключевые слова: альтернативное топливо, авиагаз, авиационное сконденсированное топливо (АСКТ), вертолет, транспортная эффективность, Ми-8ТГ, Ми-8МТГ
The fuel type influence on Mi-8 helicopters family flight-technical characteristics
V.I. Mavritskiy, K.G. Kosushkin, V.P. Zajtsev
In the comparative analysis resulted in article a fuel type influence (regular - aviakerosene, and alternative - aviation condensed (gas) fuel - ACKT) on the basic indicators of the helicopter as vehicle (weight of payload, and range of flight) was investigated.
Keywords: alternative fuel, aviagas, ACKT, helicopter, transport efficiency, Mi-8TG, Mi-8MTG.
Штатное авиатопливо (авиакеросин) и альтернативное (авиационное сконденсированное пропан-бутановое - АСКТ по ТУ 39-1547-91) отличаются по своим физико-техническим характеристикам, в первую очередь, по плотности (ниже, чем у керосина), теплотворной способности (выше) и давлению насыщенных паров при плюсовых температурах (выше). Поэтому перевод силовой установки на питание газовым топливом должен инициировать новые конструктивные решения и, в конечном итоге, привести к некоторому изменению внешнего облика вертолета.
Для выявления этих изменений и влияния их на основные летно-тех-нические параметры вертолета был проведен сравнительный анализ, в котором исследовалось влияние характеристик топлива (керосин марки ТС-1 и АСКТ): на массу перевозимого им груза (в ) и дальность полета (I) - основные показатели вертолета как транспортного средства. При этом принималось, что масса в и
Г- дв
мощность Мдв двигателей, параметры несущей системы и, следовательно, величина свободной тяги несущего винта Т , а также масса снаряжения
нв' ~
G^ при изменении вида топлива останутся постоянными.
Перевод вертолета на газовое топливо связан в первую очередь с конструктивными изменениями топливной системы и, в частности, с изменением размеров и мест размещения топливных баков, поскольку сжиженные газы по объемной энергоемкости несколько уступают керосину. Кроме того, при положительных температурах превышение давления насыщенных паров АСКТ над атмосферным обусловливает необходимость увеличения прочности топливных баков и организации закрытого дренажа, что вызывает возрастание массы пустого вертолета G .
1 пуст
Увеличение размеров топливных баков (рис. 1) приводит к росту площади проекции вертолета на горизонтальную плоскость, что вызывает дополнительные потери подъемной силы несущего винта на вертикальную обдувку фюзеляжа с баками для АСКТ при вертикальном взлете и на режиме висения. Необходимость сохранения свободной тяги несущего винта (Тнв = const) влечет увеличение взлетной массы вертолета G^. Приближение бака к плоскости несущего винта приводит к уменьшению потерь тяги на обдувку, что вызывает обратный, по сравнению с предыдущим случаем, процесс.
Кроме того, увеличенные размеры топливных баков со сжиженным газом повышают лобовое сопротивление вертолета в горизонтальном полете. Это дополнительное сопротивление должно быть компенсировано ростом пропульсив-ной (тянущей) силы несущего винта, а, следовательно, и мощности
Таблица 1
Топливо Плотность, кг/м3 Теплота сгорания, кДж/кг
ТС-1 (ГОСТ 10227-62) 775 42914
АСКТ (ТУ 39-1547-91) 585 45200
(В
'"ВВДИ^
Альтернативное топливо в авиац
двигателя с соответствующим расходом топлива. Такое дополнительное вредное сопротивление вертолета можно определить в первом приближении (пренебрегая изменением интерференции между подвесными баками и корпусом вертолета), как разность сопротивления корпуса
вертолета Ми-8 с баками для АСКТ и корпуса вертолета Ми-8 со штатными баками для керосина.
И наконец, если принять, что переход на газовое топливо не изменит газодинамического цикла двигателя, то удельный расход топлива будетобратно пропорционален
превышению теплотворной способности газа над керосином (табл. 1).
Таким образом, используя известное соотношение, в котором взлетная масса вертолета и массы пустого вертолета, снаряжения, груза и запаса топлива на вертолете связаны между собой следующим образом G =G +G +G +G ,
взл пуст сн гр т
было проведено сравнение основных летно-технических характеристик вертолета Ми-8МТ с двигателями ТВ3-117ВМ на керосиновом и газовом топливах.
Расчеты показали, что суммарное действие двух разнонаправленных факторов - увеличения площади плановой проекции баков для газового топлива и уменьшения скорости вертикальной обдувки за счет приближения баков к плоскости несущего винта - в итоге уменьшит подъемную силу несущего винта на 30 кг. При сохранении величины свободной тяги несущего винта это приведет к возможности увеличения взлетной массы вертолета соответственно на 30 кг.
По результатам экспериментальных исследований в аэродинамической трубе было определено, что
Таблица 2
Характеристика вертолета Ми-8МТГ На керосине На газовом топливе
Базовый С дополнительной заправкой (640 км) ег =const (1550 кг) С полной заправкой топлива
1 2 3 4 5 6
Нормальная взлетная масса, кг 11100 11100 11130 11130 11130
Масса пустого снаряженного, кг 7523 7623 7683 7683 7683
Взлетный запас топлива, кг расходный бак основные баки дополнительный бак 2027 345 1682 2287 345 1682 260 1988 345 1643 1897 345 1552 2241 345 1896
Запас топлива на горизонтальный полет, кг 1682 1941 1651 1560 1904
Расход топлива, кг/ч часовой километровый 605 2,63 605 2,63 593 2,58 593 2,58 593 2,58
Крейсерская скорость, км/ч 230 230 230 230 230
Статический потолок, км 4 4 4 4 4
Масса груза, кг 1550 1191 1495 1550 1206
Дальность полета, км 640 738 640 605 738
Альтернативное топливо в авиации
корпус вертолета Ми-8 с внешними баками под газовое топливо имеет лобовое сопротивление примерно на 10 % больше, чем корпус вертолета Ми-8 со штатными баками. В связи с этим рост расхода топлива за счет дополнительного сопротивления вертолета от баков под газовое топливо составит около 3 %. Однако более высокая (на 5 %) теплотворная способность АСКТ приводит к соответственному уменьшению его расхода. Таким образом, при полете на АСКТ итоговые часовой и километровый расходы топлива вертолета уменьшатся на ~2 %.
Кроме того, по данным МВЗ им. М.Л. Миля, переоборудование вертолета Ми-8МТ с двигателями ТВ3-117ВМ на газовое топливо приведет к увеличению массы пустой машины приблизительно на 160 кг.
С использованием этих данных был произведен расчет основных летно-технических характеристик вертолета Ми-8МТ на керосиновом и газовом топливах, результаты которого представлены в табл. 2.
Видно, что при сохранении дальности полета L = 640 км вертолет с переходом на газовое топливо теряет в массе перевозимого груза 55 кг (~3,5 %), а при сохранении массы перевозимого груза G = 1550 кг теряет в дальности 35 км (~5,5 %).
Однако проведенное сравнение не вполне корректно по отношению к газовому вертолету. Потребный запас топлива при обоих вариантах (L = const, Огр = const) оказывается меньше, чем возможный запас топлива в установленных на вертолете внешних баках под газовое топливо. Следовательно газовый вариант топливной системы при сравнении с керосином имеет как бы переразмеренный объем баков, что и приводит к вышеуказанным потерям.
Для сравнения в столбце 6 приведен вариант расчета с полным запасом АСКТ, допускаемым объемом двух подвесных газотопливных баков по 1800 л при условии их заполнения газом на 90 % с необходимым 10%-ным запасом - газовой «подушкой».
Дальность полета
(640 км)
1.02
У,
>"1Н18
0.96
Взлетная масса 0.94 \ Масса груза
(+30 кг) 0.92 (-55 кг)
Пустой снаряженный ^ ^ Запас топлива
(+160 кг) — МИ-8МТ (-39 кг)
— МИ-8МТГ
a
Дальность полета
(738 км)
1.02
у/ЪЗй
' 0.96
Взлетная масса 0.94 ^Оу Масса груза
(+30 кг) 0.92 (+15 кг)
Пустой снаряженный - ' Запас топлива
(+60 кг) (-46 кг)
— МИ-8МТ
— МИ-8МТГ
б
Рис. 2. Сравнительные характеристики вертолетов Ми-8МТ и Ми-8МТГ
при дальности полета 640 (а) и 738 км (б)
Видно, что в этом варианте Ми-8ТГ дальность полета увеличивается до 738 км. Чтобы обеспечить такую дальность вертолета на керосиновом топливе, необходимо увеличить его запас на 260 кг, установив дополнительный бак (см. табл. 2, столбец 3). Видно, что массы перевозимого груза в этом случае отличаются несильно.
Таким образом, можно считать, что воздействия разнородных факторов на облик и характеристики вертолета Ми-8МТ при переходе на АСКТ взаимно уравновешиваются
и основные его летно-технические характеристики, а также показатели транспортной эффективности практически не меняются, что хорошо иллюстрирует рис. 2аб.
В заключение следует заметить, что стоимость АСКТ в 2-4 раза меньше стоимости керосина (особенно в северных, сибирских, дальневосточных и арктических регионах), что приводит к существенному снижению затрат на топливо при перевозке пассажиров и груза (по стоимости пасс/км и т/км).
