Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей под ред. Шляхтенко С.М. (1014193), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Совершенствование (модернизация) существующих самолетов и двигателей и их рациональная, экономичная эксплуатация. 2. Создание новых высокоэкономичных самолетов и двигателей. 3, Поиск и внедрение новых (альтернативных) источников энергии с широкой сырьевой базой. 68 хс Однако, как указывалось ранее (см.
Равд, 2,1 и 2.2), для малогабаритных летательных аппаратов требуется повы- 1/в 1/в )в Ритке/внз шенная объемная теплота сго- рания, т. е. топливо повышенной плотности. Существует общая закономерность, согласно которой увеличение плотности углеводородов достигается использованием тяжелых молекул с увеличенным отношением содержания углерода и водорода. При этом уменьшается их массовая теплота сгорания, но объемная — растет (рис. 2.6). Возникают трудности с удовлетворением требований по вязкости, температуре кристаллизации и др.
При Р, » 0,95 ... 1,0 на смену топливам естественного нефтяного происхождения приходят синтетические углеводороды, свойства которых можно формировать в нужных направлениях. Примером подобных топлив может служить американское топливо Шелдайн, имеющее плотность р = 1,08 кг/дмз и объемную теплоту сгорания -44 850 кДж/л, на 25 ...
35 % превышающую НР обычных реактивных топлив. К таким перспективным источникам энергии относятся прежде всего жидкий водород и ядерное горючее (см. Равд. 2.4 и 2.5). Из углеводородных альтернативных топлив рассматриваются сжиженные газы (метан и др.) и синтетические реактивные топлива (из нефтяных сланцев и угля).
Жидкий природный газ (метан) как авиационное топлива может быть получен ожижением при низкой температуре природного газа, в составе которого доля метана (СН«) достигает 85 ... 95 %. Жидкий метан является к р и о г е н н ы м топливом, температура кипения которого при нормальном давлении равна — 161 'С. Метан имеет массовую удельную теплоту сгорания Н„= = 50 000 кДж/кг, что на !6 % выше, чем у обычных реактивных топлив.
Однако вследствие низкой плотности в жидком виде, ра н авной 0,424 кг/дм', его объемная теплота сгорания на 35 ... 40 % ниже, что требует увеличения объема баков. Стоимость роизп водства метана с учетом затрат на ожижение оказывается близкой к стоимости обычного реактивного топлива. Более высокая Н„и низкая стоимость дают метану определенные технико-зкономические преимущества, однако его вряд ли можно считать перспективным массовым авиационным топливом, несмотря на существенно ббльшие запасы природного газа, чем нефти, Специфика метана как криогенного топлива требует создания парка новых самолетов, внедрения новой системы их эксплуатации, разработки систем хранения и подачи топлива и решения ряда других смежных технических проблем.
Может найти применение в авиации местных линий (например, на вертолетах в отдаленных районах нефтедобычи) жидкое топливо из так называемого «попутного газа», выделяющегося при добыче нефти. Этот газ, содержащий более тяжелые, чем метан, предельные углеводороды (этан, пропан, бутан и др.), может содержаться в баллонах в конденсированном виде при давлении в несколько бар и при нормальной температуре. Такое использование пропана широко практикуется, например, в автомобильном транспорте.
Синтетическое топлива иэ нефтяных (горючих) сланцев. Горючие сланцы пропитаны органическими высокомолекулярными соединениями (10 ... 30 % по массе и более). Путем многочисленных перегонок, сложных процессов крекннга, гидрнровання (насыщения водородом), очистки последовательно получают сырую сланцевую нефть, синтетическую нефть, синтетические топлива (бензин, керосин). Синтетическое топлива иэ угля, Исходным сырьем его могут служить любые угли, в том числе каменные низких сортов, бурые и др. Синтетическую нефть из угля получают в две стадии — газификации и ожижения, Эти процессы достаточно сложны, поэтому приведем лишь общую схему (одну из возможных) и конечные результаты.
зй В стадии г а з и ф и к а ц и и раскаленный уголь продувают парами воды при высокой температуре в присутствии катализаторов; в результате получается СО или углекислый газ и водород, который используется во второй стадии: С+ Н,Π— ь СО(СО») + Н,. (2.2) В стадии о ж и же н и я на измельченныйугольпривысоких температурах и давлениях воздействуют водородом, в результате чего происходит синтез углеводородных молекул и получается жидкая синтетическая нефть: С + Н, -в. синтетическая нефть. Далее из синтетической нефти путем перегонок, крекинга, гидрирования получ ют синтетическое, в том числе реактивное топливо.
Перепектиаы применения синтетических топлив. Запасы угля и сланцев на Землс существенно больше запасов нефти. Способы получения синтетических топлив известны. Их производят в настоящее время в ограниченных масштабах. Проблема массового их применения заключается в разработке более дешевой технологии .и в необходимости больших капиталовложений в создание новой отрасли промышленности. Большим преимуществом синтетических реактивных топлив является то, что в целом сохраняются сложившиеся условия эксплуатации воздушного транспорта, парк самолетов и двигателей.
Однако синтетические топлива в настоящее время получаются более дорогими, чем натуральные, а качество их — ниже. В целом синтетические реактивные топлива расцениваются как перспективные массовые топлива, которые постепенно придут на смену натуральным топливам нефтяного происхождения и смогут продлить эпоху применения углеводородных топлив в авиации на несколько десятилетий. 2.4. ВОДОРОД КАК АВИАЦИОННОЕ ТОПЛ ИВО Потенциальные запасы сырья для получения водорода— воды — практически не ограничены. Кроме того, после сжигания водорода опять образуется вода, т. е. водород является абсолютно восстанавливаемым носителем энергии. Однако.
для его получения требуются значительные затраты энергии, которые в перспективе могут быть обеспечены наземной ядерной энергетикой. Таким образом, водород, являющийся жидким химическим топливом, позволяет использовать ядерную энергетику будущего в авиации. Физико-химические свойства водорода Водород является криогенным, т. е. глубоко переохлажденным жидким топливом. Это качество, несмотря на эксплуатационные трудности, дает водороду большое преимущество, свя- 70 Таблица 25 Водород, Нв топливо ТС-! Свойство 120 000 0,0709 (ж) 8 510 * — 253 Неограничена (условно 1000 'С) -! 8 000 ((пред = 1000'С) Ни (Т = 298,!6 К), КДж/кг р, кг/дма О»г, кДж/Дма Температура начала кипении, 'С Температура предельного нагрева „, 'С УДельное хлаДосоДеРжание (/баиа(пред), кДж/кг 42 914 0,775 ЗЗ 260 150 (280 700 — 800 е На единицу объема жидкого водорода.
ванное со значительным хладосодержаинем, которос можно использовать для охлаждения горячих деталей и систем. Водород подается в двигатель и сжигается в газообразном виде. Основные свойства жидкого водорода в сравнении с углеводородным топливом ТС-1 показаны в табл. 2.5. Водород по сравнению с топливом ТС-1 имеет в 2,8 раз большую удельную массовую теплоту сгорания и в 20 ... 25 большее удельное хладосодержание. Однако плотность его в жидком виде меньше в 11,8 раз, что определяет уменьшение удельной объемной теплоты сгорания примерно в четыре раза. Высокое удельное хладосодержание водорода определяется не только высокой температурой возможного предельного нагрева, но и большой теплоемкосгью его в газообразном виде, которая в несколько раз превышает теплоемкость жидкого керосина и изменяется в диапазоне температур 20 ...
1000 К от 10,32 до 15 кДж/(кг К). Теплота испарения водорода невелика и равна 442 кДж/кг при г = — 253 'С (рис. 2.7). Указанное в табл. 2.5 значение Н„водорода определено при стандартной базовой температуре Т, = 298,16 К. Если в камеры сгорания ВРД подается переохлаженный водород, то при расчетах его фактическая удельная теплота сгорания должна быть уменьшена в соответствии с рис. 2.8. Например, если подавать жидкий водород с Т = 20 К, то это «уменьшение» составит -3700 кДж/кг или 3 % от Н„. Наоборот, если в системах охлаждения двигателя газообразный водород нагревается свыше 298,16 К, то его фактическая теплота сгорания увеличится. При /,р,„= 1000 'С это увеличение равно — !4 250 кДж/кг или -12 % от Н„. Следует отметить положительное свойство водорода — его высокую химическую активность при горении в воздухе, что облегчает организацию рабочего процесса в камерах сгорания двигателя.
д»м»и(»«,7»г Рнс. 2.7. Удельное теплопоглощение (владо«о. держание) водорода при испарении и нагреве (начальное состояние — жилина водород с Т = = 20 К) технике, где жидкий водород уже используется в космических системах. Это дает основание для внедрения жидкого водорода и в авиацию. ш Рассмотрим значение свойств жидкого водорода для использования его как авиационного топлива и возможные технические последствия: ввв гввв тех, к 1. Высокая массовая теплота сго- рания позволяет уменьшить удельный расход топлива двигателя в 2,8 ...
3 раза и более, если хладосодержание водорода используется для совершенствования рабочего цикла двигателя. Это означает, что при тех же задачах запас топлива на самолетах уменьшается в несколько раз, самолет становится легче, а это еще больше уменьшает затраты топлива. 2. Низкая плотность и малое Нн приводят к необходимости увеличения объема топливных баков примерно в четыре раза при том же запасе тепловой энергии на борту. Возможность усовершенствования двигателей и облегчение самолетов несколько снижает эту цифру. Однако проблема размещения водорода на борту самолета остается одной из самых сложных.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
