Safety in TechnosphereSafety in TechnosphereБезопасность в техносфере1998-071X1269710.12737/20791Экологическая безопасностьEcological safetyЭкологическая безопасностьFeasibility Analysis of Hydrogen Fuel Using for Short and Medium Range Aircrafts’ EnginesАнализ целесообразности применения водородного топлива для двигателей ближне- и среднемагистральных самолетовБурцевС. А.BurtsevS. А.burtsev@bmstu.ruДун Гэ. Dong Ge. 2504201625042016521117https://zh-szf.ru/en/nauka/article/12697/view
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.
An analysis of circuit design for a perspective propulsion system for short and medium range aircrafts has been carried
out. It has been shown that use of traditional schemes engines working at aviation kerosene TC-1 will not allow match the
ICAO ecological requirements for an aircraft of 2025-2035. Transition to hydrogen or liquefied natural gas allows match
ICAO requirements for CO2 emissions. However it will lead to an essential transportation value addition (due to hydrogen
and liquefied natural gas production and storage infrastructure). Application of the combined propulsion systems using
both kerosene and cryogenic fuel will allow increase fuel efficiency and reduce CO2 emission by 16% for hydrogen and by
2.5–4.5% for methane. In such a case partial transition to hydrogen fuel will allow match ICAO requirements at the current
freight charge.
1. ВведениеВ 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].
Нынешние и будущие тенденции в области авиационного шума и эмиссии авиационных двигателей. Рабочий документ A37-WP/26, Монреаль: ИКАО, 2010. 10 с.Nyneshnie i budushchie tendentsii v oblasti aviatsionnogo shuma i emissii aviatsionnykh dvigateley. Rabochiy dokument A37-WP/26 [Present and Future Aircrat Noise and Emissions Trends. Working Paper A37-WP/26]. Monreal, IKAO, 2010. 9 p. (in Russian)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: 10.12737/16961.Arbekov, A., Dermer, P., Kunikeev, B. Povyshenie effektivnosti i snizhenie shuma gazoturbinnykh ustanovok [Increasing Effectiveness and Decreasing Noise of Gas Turbine Units]. Bezopasnost´ v tekhnosfere [Safety in Technosphere]. 2015, V. 4, I. 5, pp. 31-35. DOI: 10.12737/16961The United Nations Framework Convention on Climate Change, UN FCCC/1992/84, GE.05-62220 (E) 200705. 25p.The United Nations Framework Convention on Climate Change, UN FCCC/1992/84, GE.05-62220 (E) 200705. 25 p.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).Ezrokhi Yu.A., Kalenskii S.M., Polev A.S., Drygin A.S. Predvaritel’noe issledovanie kharakteristik gibridnykh turboreaktivnykh dvukhkonturnykh dvigateley razlichnykh skhem dlya blizhne- i srednemagistral’nykh samoletov [Preliminary research of characteristics of various implementations of hybrid turbofan engines for short- and medium-haul aircrafts]. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU]. 2012, I. 3. Available at: http://technomag.bmstu.ru/doc/381537.html (accessed 15 September 2015). (in Russian)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: 10.7463/1115.0825832Arkhipov D.V., Tumashev R.Z. Raschetnoe issledovanie vliyaniya tangentsial’nogo naklona i kosogo obtekaniya lopatok napravlyayushchego apparata na rabotu stupeni osevogo kompressora [Numerical Investigation of Influence of Tangent Pitch and Slanting Flow of Guide Vanes on the Axial Compressor Stage Parameters]. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU]. 2015, I. 11, pp. 178-192. DOI: 10.7463/1115.0825832 (in Russian)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.Molyakov V.D., Kunikeev B.A. Osobennosti proektirovaniya effektivnykh turbin s uchetom vliyaniya radial’nogo zazora [Designing efficient turbines taking into account radial clearance]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie [Proceedings of Higher Educational Institutions. Маchine Building]. 2014, I. 9 (654), pp. 9-18. DOI: 10.18698/0536-1044-2014-9-9-18Бурцев С.А., Киселёв Н.А., Леонтьев А.И. Особенности исследования теплогидравлических характеристик рельефных поверхностей // ТВТ. 2014. Т. 52. № 6. С. 895-898.Burtsev S.A., Kiselev N.A. Leont’ev A.I. Osobennosti issledovaniya teplogidravlicheskikh kharakteristik rel’efnykh poverkhnostey [Peculiarities of Studying Thermohydraulic Characteristics of Relief Surfaces]. Teplofizika vysokikh temperatur [High Temperature]. 2014, V. 52, I. 6, pp. 869-872. DOI: 10.1134/S0018151X14060054.Авиация и альтернативные виды авиационного топлива. Рабочий документ A37-WP/23. Монреаль: ИКАО, 2010. 5 с.Aviatsiya i al’ternativnye vidy aviatsionnogo topliva. Rabochiy dokument A37-WP/23 [Aviation and Alternative Fuels. Working Paper A37-WP/23]. Monreal, IKAO, 2010. 5 p.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.Yanovskii L.S., Raznoschikov V.V. Emissiya uglekislogo gaza silovymi ustanovkami transportnykh samoletov na al’ternativnykh toplivakh [Carbon dioxide emission by power units of transport aircrats on alternative fuels]. Zashchita okruzhayushchei sredy v netegazovom komplekse [Environmental protection in the oil and gas industry]. 2012, I. 4, pp. 32-37. (in Russian)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.Ivanov V.L., Shegolev N.L., Skibin D.A. Povyshenie effektivnosti dvukhkonturnogo turboventilyatornogo dvigatelya vvedeniem promezhutochnogo okhlazhdeniya pri szhatii [Improving the efficiency of a bypass turbofan engine by intermediate cooling during compression]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie [Proceedings of Higher Educational Institutions. Маchine Building]. 2014, I. 11, pp. 75-83. DOI: 10.18698/0536-1044-2014-11-75-83Эзрохи 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: 10.7463/1212.0511469Ezrokhi Yu.A., Kalenskii S.M., Polev A.S., Drygin A.S., Ryabov P.A. Sravnitel’nyy analiz parametrov i kharakteristik razlichnykh skhem silovoy ustanovki s dopolnitel’nym vynosnym vintoventilyatorom [Comparative analysis of parameters and characteristics of diferent power plant schemes with an additional remote propfan]. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU]. 2012, I. 12, pp. 541-556. DOI: 10.7463/1212.0511469 (in Russian).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.Burtsev S.A., Samoylov M.Yu, Simakov M.V. Analiz ekologicheskikh aspektov primeneniya perspektivnykh skhem silovykh ustanovok blizhne- i srednemagistral’nykh samoletov [Ecological Aspects of Implementing Prospective Propulsion Schemes of Short and Medium Haul Aircrafts]. Bezopasnost’ v tekhnosfere [Safety in Technosphere]. 2015, V. 4, I. 2, pp. 67-72. DOI: 10.12737/11335 (in Russian)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.Nikolaikin N.I. Novye prioritety v sfere zashchity okruzhayushchey sredy ot vozdeystviya grazhdanskoy aviatsii dvigatelyami [New Priorities in the Environment Protection against Civil Aviation Inluence]. Bezopasnost’ v tekhnosfere [Safety in Technosphere]. 2013, V. 2, I. 5, pp. 25-30 (in Russian).Чернова Н.И., Киселева С.В., Попель О.С. Эффективность производства биодизеля из микроводорослей // Теплоэнергетика. 2014. № 6, С. 14-21. DOI: 10.1134/S0040363614060010Chernova N.I., Kiseleva S.V., Popel’ O.S. Effektivnost’ proizvodstva biodizelya iz mikrovodorosley [Efficiency of the biodiesel production from microalgae]. Teploenergetika [Thermal Engineering]. 2014, I. 6, pp. 14-21. DOI: 10.1134/S0040363614060010Трансформация 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.Senko O.V., Gladchenko M.A., Lyagin I.V., Nikolskaya A.B., Maslova O.V., Chernova N.I., Kiseleva S.V., Korobkova T.P., Efremenko E.N., Varfolomeyev S.D. Transformatsiya biomassy fototrofnykh mikroorganizmov v metan [Biomass transformation of phototrophic microorganisms to methane]. Mezhdunarodnyy nauchnyy zhurnal Al’ternativnaya energetika i ekologiya [International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology]. 2012, I. 3, pp. 89-94. (in Russian)Гуров В. Уникальный самолет Ту-155 с водородным двигателем // Двигатель. 2013. № 5. С.4-6.Gurov V. Unikal’nyy samolet Tu-155 s vodorodnym dvigatelem [The unique Tu-155 hydrogen-powered]. Dvigatel [Engine]. 2013, I. 5, pp. 4-6.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: 10.15518/isjaee.2015.12.002.Galeev A.G. Obzor razrabotok po ispytaniyu raketnykh dvigateley i energeticheskikh ustanovok na vodorodnom toplive i problemam obespecheniya ikh bezopasnosti [Review of Development on Testing Rocket Engines and Power Plants on Hydrogen Fuel and the Problem of Ensuring Their Safety]. Mezhdunarodnyy nauchnyy zhurnal Al’ternativnaya energetika i ekologiya [International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology]. 2015, I. 12, pp. 16-27. DOI: 10.15518/isjaee.2015.12.002.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. doi:10.1016/j.ijhydene.2011.05.006.Le Duigou A., Miguet M., Amalric Y. French hydrogen markets in 2008 -Overview and future prospects. International Journal of Hydrogen Energy. 2011, V. 36, I. 15, pp. 8822-8830. doi:10.1016/j.ijhydene.2011.05.006.Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль / Пер. с чешск. В.Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. - М.: Машиностроение, 1987. 320 с.Matskerle Yu. Sovremennyy ekonomichnyy avtomobil’ [Modern economical car]. Moscow, Mechanical Engineering Publ., 1987. 320 p.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. DOI:10.1016/j.ijhydene.2012.04.078.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. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.04.078.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: 10.7463/1115.0822897Burtsev S.A., Kochurov D.S., Schegolev N.L. Issledovanie vliyaniya sostava binarnykh smesey inertnykh gazov na ikh teplofizicheskie svoystva [Investigation of the helium proportion influence on the Prandtl number value of gas mixtures]. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU]. 2015, I. 5, pp. 314-329. DOI: 10.7463/0514.0710811. (in Russian)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.Dunikov D.O., Borzenko V.I., Malyshenko S.P., Blinov D.V., Kazakov A.N. Perspektivnye tekhnologii ispol’zovaniya biovodoroda v energoustanovkakh na baze toplivnykh elementov (obzor) [Prospective Technologies for Using Biohydrogen in Power Installations on the Basis of Fuel Cells (a Review)]. Teploenergetika [Thermal Engineering]. 2013, V. 60, I. 3, pp. 202-211. DOI: 10.1134/S0040601512110043.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. DOI:10.1016/j.ijhydene.2009.11.036.Abbas H.F., Wan Daud W.M.A. Hydrogen production by methane decomposition: A review. International Journal of Hydrogen Energy. 2010. V. 35, I. 3, pp. 1160-1190. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.11.036.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. (Pan X, Lin R, Li X, Ma J. Research Development and Commercialization Advances of Hydrogen Energy and Fuel Cell // Science & Technology Review. 2011. V. 29, Iss. 27, P. 73-79. (in Chinese))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.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. (LI Jianqiu,FANG Chuan,XU Liangfei.Current status and trends of the research and development for fuel cell vehicles[J].J Automotive Safety and Energy, 2014, 5(1), pp. 17-29 (in Chinese))Семенов В.Л. Возможности реализации инфраструктуры заправки, хранения и использования водорода // Насосы. Турбины. Системы. 2012. № 2. С. 14-18.Semenov V.L. Vozmozhnosti realizatsii infrastruktury zapravki, khraneniya i ispol’zovaniya vodoroda [Possibilities of Realization of an Infrastructure of Refueling, Storage and Hydrogen Use]. Nasosy. Turbiny. Sistemy [Pumps. Turbines. System]. 2012, I. 2, pp. 14-18.