К ВОПРОСУ ОБ ОПТИМАЛЬНОМ УГЛЕВОДОРОДНОМ
ТОПЛИВЕ ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ ГТД

Борис Михайлович Клинский, к.т.н.
Юрий Борисович Назаренко, инженер

Около полувека тому назад был сделан вывод, что по совокупности физических, химических и экономических свойств, керосин прямой гонки является оптимальным топливом для авиационных реактивных двигателей. Для конкретных обстоятельств того времени этот вывод был, несомненно, верным.

Что это за обстоятельства? В начале шестидесятых годов наши нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) покупали нефть по цене 14 рублей за тонну и продавали топливо ТС-1 по 28 рублей за тонну. Аэрофлоту оно обходилось в 50 рублей за тонну. Т.е. доля стоимости услуг НПЗ и "Нефтесбыта" составляла 72 % от цены топлива. В таких условиях было выгодно ограничиться простейшей технологией переработки нефти, поскольку любое ее усложнение вело к заметному росту цены топлива. Практически аналогичный расклад имел место и на Западе. Осенью 2005 г. цена тонны нефти была $380…440, а самолеты в Москве заправляли топливом по цене около $550. Таким образом, стоимость услуг НПЗ и дистрибьюторов снизилась до 20…30 % от цены тонны топлива, вследствие чего степень влияния стоимости переработки на цену топлива снизилась в несколько раз.

Одно это является достаточным основанием для нового исследования не только степени оптимальности той или иной технологии производства топлива, или источника сырья, но, возможно, и ряда других вопросов на "стыках" топлива и двигателя.

За это время были приняты Нормы эмиссии вредных веществ, и самолету Ту-204 ныне дозволено выбросить в атмосферу за один так называемый "стандартный цикл" взлета - посадки не более 6,2 кг углеводородов, 37 кг угарного газа и 35,1 кг окислов азота. Содержание сернистого газа Нормы эмиссии не регламентируют, доверяя это дело стандартам на топливо. Наши стандарты разрешают выбросить в атмосферу еще 70,5 кг, а западные даже - 83 кг этой благодати за цикл.

В двигателях все это разбавляется воздухом, и на срезе сопла мы получим в среднем за стандартный цикл: 0,074 от предельно допустимой концентрации (ПДК) углеводородов (считая по наиболее токсичному из них - этилену), 2,2 ПДК угарного газа, 7,6 ПДК окислов азота, и, наконец, до 8,5 ПДК сернистого газа, если самолет заправлен нашим топливом и до 10 ПДК - если западным. Но, и без всяких экологических норм, уменьшение содержания окислов серы и азота весьма желательно с точки зрения повышения долговечности двигателей, поскольку при высоких температурах эти вещества вызывают коррозию контактирующих с ними узлов.

Из 32,9 минут "стандартного цикла" 26 приходятся на так называемое руление. Двигатели при этом работают в режиме малого газа, в котором эмиссия продуктов неполного сгорания особенно велика. Средний к.п.д. силовой установки - всего 0,47 %, что обусловлено низким к.п.д. реактивной струи на скоростях руления. А потому есть лишь один способ радикально снизить расход топлива, а значит - и эмиссию продуктов неполного сгорания - отказаться от использования реактивной тяги на этом этапе.
Источником энергии на рулении может стать вспомогательная силовая установка (ВСУ). "Воздушная" мощность установленной на самолете Ту-204 ВСУ типа ТА-12-60 составляет 287 кВт. Нужна эта мощность лишь во время запуска основных двигателей. А в остальное время ее достаточно для перемещения Ту-204 по горизонтальной бетонной поверхности со скоростью до 48 км/ч - была бы передача на колеса. Оценки гидравлической передачи от ВСУ на колеса показали: к.п.д. повышается до 10 %, а расход топлива на указанном этапе снижается с 476 до 22,3 кг; массы трансмиссии и сэкономленного топлива близки.
При сегодняшнем соотношении цен на топливо и гидравлику для эксплуатанта самолета дело это - вполне выгодное. При дальности полета 1500 км экономия топлива составит 6,7 %. Чтобы сэкономить столько, совершенствуя двигатели, удельный расход топлива в крейсерском режиме надо снизить с 0,59 до 0,55 кг/кг тяги в час. В отличие от основных двигателей ВСУ при рулении будет работать в режиме, близком к номинальному, поэтому двадцатикратное (!) уменьшение расхода топлива на этапе приведет к еще более существенному снижению эмиссии вредных веществ.

Учитывая все это, можно уверенно прогнозировать появление уже в ближайшем будущем новых самолетов с трансмиссией от ВСУ на колеса, а также дооборудование ею уже существующих. Следствием будет снижение эмиссии углеводородов и угарного газа на рулении до практически ничтожных величин. Но тогда экологам от эмиссии не останется других объектов для придирок к пассажирской авиации, кроме эмиссии окислов азота. В связи с этим возникает практически весьма интересный вопрос, как долго общественность и заинтересованные в производстве и использовании экологически чистых топлив сегменты бизнеса позволят экологам "не замечать", что превышение ПДК по сернистому газу заметно выше, чем по окислам азота?
Избавиться от выбросов сернистого газа можно, лишь удалив из топлива серу. Известны и широко применяются для очистки автомобильных топлив технологии, позволяющие удалить ее практически полностью, сделавшие возможным внедрение известного стандарта "Евро-4".

Основной способ очистки топлив от серы заключается в том, что через него "пробулькивают" водород в присутствии катализаторов при повышенных температурах и давлениях. При этом водород реагирует с серой, образуя сероводород, - газ, плохо растворимый в топливах, а потому легко от них отделяемый. Затем его разделяют на серу и водород. Чистая сера идет в продажу, что заметно снижает себестоимость процесса, а водород - назад, в установку. Точно так же и на тех же установках можно очищать от серы реактивные топлива. Разница лишь в том, что, обрабатывая их водородом, просто неразумно ограничиться лишь этим.

Дело в том, что если поставить рядом вторую такую же установку, но с другим (платиновым) катализатором и пропустить через нее уже очищенное от серы топливо, то с одним его объемом можно химически связать до 220 объемов водорода. Массовая теплотворная способность топлива после такой обработки повышается на 3,6 %, расход топлива реактивного двигателя - на столько же уменьшится. Если получать водород не из нефтяного сырья, а, например, восстанавливая воду углем, то потребность в нефти для выполнения равного количества рейсов снизится еще больше - на 5,2 %. Фактически произойдет частичное замещение нефти углем.

Но и это - еще не все. Температура сгорания водорода почти на 300 °С ниже, чем у углерода, поэтому насыщение топлива водородом приводит к снижению температуры на входе в турбину на 3…4 °С, что само по себе благоприятно сказывается на ресурсе двигателей и способствует снижению эмиссии вредных выбросов. Дело в том, что при насыщении топлива водородом содержащиеся в нем ароматические и нафталиновые углеводороды превращаются в парафиновые. Тем самым из топлива удаляются нежелательные компоненты (дымят и при сгорании вызывают повышенное нагарообразование) с массовой теплотой сгорания почти на 10 % меньшей, чем у парафиновых углеводородов. Кроме того, для них характерна высокая интенсивность излучения пламени, что вредно отражается на сроке службы стенок камеры сгорания.

Объясняется это тем, что при 700 °С ароматические углеводороды, а нафталиновые - при более низких температурах, почти мгновенно распадаются на водород и углерод, которые далее горят раздельно. Частицы чистого углерода в пламени - это не только копоть. Если водород горит при температуре на 140…150 °С ниже средней температуры в зоне горения, то углерод - при температуре на 120…130 °С выше средней. Отсюда - повышенная светимость, отсюда и перегретые микрозоны с благоприятными условиями для окисления свободного азота, который в обычных условиях практически не окисляется при температуре ниже 1400 °С.

Теоретически парафиновые углеводороды могут гореть вообще без выделения свободного углерода как промежуточного продукта реакции. Практически - содержание его во много раз меньше, чем при сжигании ароматических углеводородов. Помимо указанных причин наличие в пламени частиц свободного углерода нежелательно еще и потому, что при его реакции с двуокисью углерода образуется угарный газ.

При обработке водородом топлива из него удаляется и другие нежелательные компоненты, в первую очередь - кислород, азот и ванадий. Кислород - просто балласт, уменьшающий весовую теплотворную способность топлива. Азот - это смолы и дополнительное количество его окислов в выхлопе. Следует отметить, что топлива, не содержащие азота и ароматики, более стабильны при повышенных температурах. На крейсерских режимах их можно нагревать до испарения в теплообменниках за турбинами низкого давления без риска коксования. Помимо улучшения смесеобразования это позволяет вернуть часть тепла, уходящего из внутреннего контура в камеру сгорания, а значит - снизить расход топлива еще на 1,5…2 %. Содержание ванадия в топливе обычно исчисляется тысячными долями процента, но и этого оказывается достаточно для заметного разрушения жаропрочных сплавов вследствие так называемой высокотемпературной ванадиевой коррозии. При обработке керосинов водородом и этот нежелательный компонент переходит в легко отделяемые летучие соединения.

Но если при всем этом применение обработанных водородом топлив до сих пор не стало обязательным, значит - это кому-то зачем-то нужно? Кому и зачем? Ответ на эти вопрос дают две истории.

"Люди сведущие" рассказывают, что проблемы с надежностью двигателей ПС-90 возросли многократно после того, как оборудованные ими самолеты начали полеты за границу, где их заправляли топливами западного производства. Казалось бы, велика ли разница: до 0,3 % серы и 30 % ароматики у них, против 0,25 % серы и 22 % ароматики у нас. Но в данном случае важны не максимальные, а средние значения, которые у нас, по-видимому, существенно благополучнее, чем "у них", что следует из второй истории.

География полетов нескольких "Боингов" сложилась так, что долгое время они летали, в основном, на топливе Омского НПЗ, производимом из нефти, в которой мало серы и ароматики. Их двигатели эксплуатировались "по техническому состоянию". Итог - рекордные даже по их меркам ресурсы. Ранее авторы уже писали, что западным производителям двигателей такие рекорды "что нож вострый", поскольку снижают спрос на новые моторы, запчасти и услуги ремонтных заводов. Переход же всего мира к топливам, не содержащим серу и ароматику, равносилен катастрофе для западного двигателестроения.

Но это - их проблемы. Ресурс многих двигателей российского производства оставляет желать лучшего, а потому российский национальный интерес в настоящий момент заключается в том, чтобы всячески поощрять все, что способствует его увеличению.

Таким образом, приходится констатировать, что интересы отечественного и западного двигателестроения в вопросе о широком внедрении обработанных водородом топлив диаметрально противоположны, а значит - никакого "конструктивного сотрудничества" в этом вопросе нет и быть не может.

Это отнюдь не означает что сотрудничество с Западом вообще невозможно. Помимо двигателестроительных фирм на Западе есть и те, которые занимаются авиаперевозками, переработкой нефти, производят оборудование для обработки продуктов ее переработки водородом, добывают уголь, и т.п. С ними можно и нужно сотрудничать, как, впрочем, и с их российскими коллегами. А что касается сотрудничества в данном вопросе с фирмами "Пратт энд Уитни", "Снекма" или "Роллс-Ройс", то что поделаешь, если его Величество инженерный здравый смысл, говорит: "Увы - не судьба"!