Пятница, 16.11.2018, 14:24
Приветствую Вас Гость | RSS
Шестнадцатая олимпиада посвящена 100-летию регулярных пассажирских авиаперевозок
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Архив работ » Пятнадцатая олимпиада (2017/18 уч.год)

Альтернативное топливо. Каковы перспективы его применения?

Автор: Збарский Даниил
Возраст: 13 лет
Место учебы: Лицей авиационного профиля № 135
Город, регион: г. Самара
Руководитель: Шацкая Людмила Александровна, учитель физики

Альтернативное топливо.
Каковы перспективы его применения в авиации?

План

Введение

1. Требования к авиационному топливу

2. Альтернатива керосину

3. Основные виды альтернативного топлива

  3.1 Преимущества и недостатки биотоплива

  3.2 Криогенное топливо

    3.2.1 Сжиженный метан

4. Перспективы использования газообразного топлива в авиации

5.Заключение

6.Источники информации

Введение

В данный момент для человечества основной проблемой в мире авиации является зависимость от нефти. Многие учёные разрабатывают альтернативные виды топлива. В этой работе я постараюсь разобраться о том что из себя представляет альтернативное топливо, какие к нему предъявляются требования и какие виды собственно бывают.

Цель работы:

Показать перспективы применения альтернативного топлива в авиации

Задачи:

1) разобраться в том, что из себя представляет альтернативное топливо

2) изучить требования, которые предъявляются к авиационному топливу

3) изучить преимущества и недостатки различных видов альтернативного топлива

4) сделать вывод о перспективе применения альтернативного топлива в авиации

1. Требования к авиационному топливу

Разработка надежного топлива, которое можно использовать на уровне коммерческих компаний мира оказалось довольно сложным делом. Авиатопливо должно соответствовать строгим требованиям:

  • Не содержать кислорода, так как он уменьшает производительность топлива, требуются большие емкости для его хранения, а это трудно осуществить в ограниченном пространстве самолета.
  • У топлива должны быть правильно распределены точки кипения 
  • Высокая смазывающая способность, которая защитит турбины от чрезмерного износа.
  • Низкая температура застывания, иначе топливо будет превращаться на большой высоте в желатиноподобную массу и перестанет течь. Температура в стратосфере -50 градусов.

По словам учёных им удалось разработать альтернативный вид топлива для самолетов, которое соответствует всем вышеперечисленным критериям, и при этом помогает решить несколько глобальных проблем человечества. С самого своего появления авиация была привязана к нефтяной промышленности. Без продукции последней она в прямом смысле слова оставалась на земле. До определенного времени такая ситуация почти ни у кого не вызывала претензий, а высказываемое недовольство обычно касалось логистики или цен на топливо. В последние годы в этой области произошел заметный сдвиг – желая удешевить эксплуатацию авиационной техники, сначала военные, а затем и гражданские авиаторы начали искать способы снизить различные издержки. Ранее это делалось исключительно за счет совершенствования аэродинамики воздушного судна и снижения расхода топлива. Теперь к малому потреблению планируется «подключить» еще и дешевое топливо.

2. Альтернатива керосину

Мы все знаем, что одной из основ материальной жизни современного человечества являются всем известные полезные ископаемые нефть и газ. Благословенные углеводороды так или иначе присутствуют в любой области нашей с вами жизни и первое, что приходит на ум любому человеку – горючее. Это бензин, керосин и природный газ, используемый в различных энергосистемах ( в том числе и в двигателях транспортных средств).

Запасы нефти, из которой производится львиная доля используемого в мире горючего (несмотря на то, что она постепенно сдает свои позиции природному газу), быстро уменьшаются. Она постоянно дорожает и дефицит ее ощущается все больше.

Такое положение уже довольно давно заставляет исследователей и ученых всего мира искать альтернативные источники топлива, в том числе и для авиации. Одним из направлений такой деятельности стали разработки летательных аппаратов, использующих криогенное топливо.

3. Основные виды альтернативного топлива

Природный газ

Природный газ представляет собой альтернативный вид топлива, которое полностью сгорает и уже сейчас повсеместно доступно потребителям многих стран за счет снабжения природным газом домов и производственных объектов. При использовании в транспортных средствах, работающих на природном газе (автомобилях и грузовиках со специально спроектированными двигателями), природный газ дает значительно меньше вредных выбросов, чем бензин или дизельное топливо.

Водород

Водород можно смешивать с природным газом для создания альтернативного вида топлива для транспортных средств, в которых используются некоторые виды двигателей внутреннего сгорания. Водород также используется в транспортных средствах с топливными элементами, работающими на электричестве, вырабатываемом в результате реакции, которая происходит при соединении водорода и кислорода в топливной ячейке.

Биодизельное топливо

Биодизельное топливо представляет собой альтернативный вид топлива на основе растительных масел или животных жиров, даже тех, которые остаются в ресторанах после приготовления пищи. Двигатели транспортных средств можно модифицировать так, чтобы можно было сжигать биодизельное топливо в чистом виде; биодизельное топливо можно также смешивать с углеводородным дизельным топливом и использовать в неадаптированных двигателях. Биодизельное топливо безопасно, поддается биохимическому разложению и снижает содержание веществ, загрязняющих воздух таких как, твердые примеси, монооксид углерода и углеводороды.

Этанол

Этанол (еще называется этиловым спиртом или хлебным спиртом) представляет собой альтернативный вид топлива, его можно смешивать с бензином для получения топлива с более высоким октановым числом и меньшим содержанием вредных веществ в выбросах по сравнению с чистым бензином. Этанол производится за счет брожения зерновых продуктов таких как: кукуруза, ячмень или пшеница; и дистилляции. Также его можно производить из многих видов трав и деревьев, хотя здесь технология будет более сложной, в таком случае эго называют биоэтанолом.

В соответствии с Законом об энергетической политике от 1992 г. смеси, содержащие не менее 85% этанола, считаются альтернативными видами топлива.

E85, смесь состоящая на 85% из этанола и на 15% из бензина, используется в транспортных средствах с универсальной топливной системой, которые предлагаются большинством производителей транспортных средств. Транспортные средства с универсальной топливной системой могут работать на бензине, E85, или на любом сочетании этих двух видов топлива.

Смеси с большим содержанием этанола, такие как E95, также являются отличными альтернативными видами топлива

Смеси с более низкими концентрациями этанола, такие как E10 (10% этанола и 90% бензина), иногда используются для увеличения октанового числа и повышения качества выбросов, но они не рассматриваются как альтернативные виды топлива.

Производство этанола поддерживает фермеров и позволяет создавать рабочие места внутри страны. И поскольку этанол производится внутри страны и из выращиваемого в стране зерна, он снижает зависимость США от импортируемой нефти и повышает национальную энергетическую безопасность.

Виды топлива серии P

Топливо серии P представляет собой смесь этанола, газоконденсатной жидкости и метилтетрагидрофурана, вспомогательного растворителя, полученного из биомассы. Виды топлива серии P представляют собой прозрачные альтернативные виды топлива с высоким октановым числом, которые можно использовать в транспортных средствах с универсальной топливной системой. Топлива серии P можно использовать в чистом виде или в смеси с бензином в любом соотношении путем простого добавления бензина в бак.

3.1 Преимущества и недостатки биотоплива

Рисунок 1 – Биотопливо

Новый самолёт, работающий на биотопливе и солнечной энергии, совершит первый экологически чистый перелёт через Атлантический океан, пишет интернет-ресурс Science Alert.

"Eraole" был разработан французским пилотом учёным и предпринимателем Рафаэлем Динелли. На создание летательного аппарата ушло 7 лет, а свой первый вылет он совершит в июне.

Сверхлегкий самолёт питается от солнечных батарей, встроенных в крылья. После захода солнца двигатель переходит на режим работы от биотоплива на основе водорослей. Около 20 процентов энергии Eraoleгенерирует во время полёта.

Самолёт оборудован несколькими литий-ионными батареями, чтобы обеспечить дополнительную тягу во время взлета, но после этого он должен около 25 процентов времени в воздухе проработать на солнечной энергии .

Крейсерская высота Eraole составляет 609 метров, а максимальная скорость – 100 км/ч, чего не досттачно по современным стандартам. Любой коммерческий пассажирский самолёт может совершить такой перелёт в десять раз быстрее, однако Динелли не собирается ставить рекорды скорости.

Как известно, биомасса существует в виде целого ряда форм, как, например, твердая или влажная биомасса, растительное масло или сахар. Данное сырье можно преобразовывать, используя химические, термические и биологические процессы. Наконец, биомассу и биоэнергетические источники можно классифицировать в зависимости от их конечного назначения:

• производство тепла:

• производство электричества и когенерация тепловой и электрической энергии:

• биогаз

• жидкие биотоплива

Таким образом биомассу можно условно разделить на три основных вида биотоплива: твёрдое (древесина, щепа, гранулы, брикеты и т.д.), жидкое (биодизель, этанол) и газообразное (биогаз).

3.2 Криогенное топливо

Криогенное топливо. Мы все знаем, что одной из основ материальной жизни современного человечества являются всем известные полезные ископаемые нефть и газ. Благословенные углеводороды так или иначе присутствуют в любой области нашей с вами жизни и первое, что приходит на ум любому человеку – горючее. Это бензин, керосин и природный газ, используемый в различных энергосистемах ( в том числе и в двигателях транспортных средств).

Криогенный означает «рожденный холодом», и топливом в этом случае служит сжиженный газ, который хранится при очень низких температурах. Первым, привлекшим в этом плане внимание разработчиков газом, стал водород. Этот газ по своей теплотворной способности втрое превосходит керосин и, кроме того при его использовании в двигателе в атмосферу выделяется вода и совсем небольшое количество окислов азота. То есть для атмосферы он безвреден.

Самолет ТУ-154Б-2

В середине 80-х годов прошлого века в конструкторском бюро А.Н.Туполева начали создавать самолет, использующий в качестве топлива жидкий водород. Он был разработан на базе серийного ТУ-154Б с использованием турбореактивного двухконтурного двигателя НК-88. Этот двигатель был создан в двигателестроительном конструкторском бюро им. Кузнецова (Самара) опять же на базе серийного двигателя для Ту-154 НК-8-2 и предназначался для работы на водороде или природном газе. Надо сказать, что в этом бюро работы по новой тематике велись еще с 1968 года.

3.2.1 Сжиженный метан

Потенциальные возможности использования сжиженного метана в качестве топлива для различных транспортных средств очень велики. Даже без учета перспективного развития транспортных средств можно утверждать, что на сжиженных природном и нефтяном газах как на основном топливе могут работать двигатели легковых и грузовых автомобилей, автобусов, двигатели железнодорожных локомотивов, машины океанских судов и судов внутренних линий.

При использовании СПГ уменьшаются затраты на профилактический осмотр и ремонт двигателей подвижного транспорта, что положительно сказывается как на экономии средств от ремонта, так и на большей длительности безремонтного пробега автотранспортных средств. Кроме того, снижается степень загрязнения воздуха выхлопными газами.

Наиболее эффективно сжиженный метан в качестве горючего применять на железнодорожном транспорте (локомотивы с газотурбинными двигателями, имеющие высокий коэффициент использования).

В качестве топлива сжиженный природный газ используется непосредственно на СПГ-танкерах, на которых перевозятся большие объемы СПГ в отдаленные уголки земного шара. Большой интерес представляет использование паров сжиженного газа из метановых резервуаров в качестве топлива для метановозов.

4. Перспективы использования альтернативного топлива в авиации

Рисунок 2 - Самолет ТУ-154Б-2.

В середине 80-х годов прошлого века в конструкторском бюро А.Н.Туполева начали создавать самолет, использующий в качестве топлива жидкий водород. Он был разработан на базе серийного ТУ-154Б с использованием турбореактивного двухконтурного двигателя НК-88. Этот двигатель был создан в двигателестроительном конструкторском бюро им. Кузнецова (Самара) опять же на базе серийного двигателя для Ту-154 НК-8-2 и предназначался для работы на водороде или природном газе. Надо сказать, что в этом бюро работы по новой тематике велись еще с 1968 года.

Самолет впервые полетел на 100-процентном биотопливе

Рисунок 3 - самолет «Green Growler»

Американский палубный самолет радиоэлектронной борьбы EA-18G Growler, прозванный Green Growler, выполнил полет на 100-процентном биотопливе, говорится в сообщении ВМС США. Это был первый полет самолета на такого рода горючем. Green Growler взлетел с аэродрома базы «Патаксент Ривер» в Мэриленде. Сколько именно продлился полет, не уточняется. По данным военных, работа двигателя и параметры полета были такими, как если бы самолет был заправлен обычным авиационным топливом.

В отличие от своего предшественника (серийного самолета Ту-154М), Ту-156 оснащается тремя двигателями НК-89 с раздельными топливными системами (одна штатная - для керосина, другая - криогенная - для СПГ). Как и НК-88, новый двигатель оборудован турбонасосным агрегатом, его приводит в действие воздух, который поступает из компрессора турбореактивного двигателя. За турбиной находится теплообменник. В нем жидкий газ нагревается, переходит в газообразное состояние и поступает в камеру сгорания двигателя, где установлены газовые и керосиновые форсунки. Все криогенные краны и клапаны снабжены электроприводами. На криогенных баках и трубопроводах установлена аппаратура для измерения количества и уровня топлива, его температуры и давления. На правом и левом бортах смонтированы заправочный и дренажный штуцеры. Время полной заправки самолета - всего 30 минут.

Рисунок 4 - Самолёт «ТУ-155»

Правый из трех двигателей самолета заменили на модифицированный НК-88, который работал на газовом топливе. При этом потребовалось решить ряд сложнейших задач. Для подачи газового топлива пришлось установить вместо привычного насоса высоконапорный турбонасосный агрегат, подобный тем, что используются в ракетах, и приводимый воздухом, отбираемым от одной из ступеней компрессора ТРДД. Заменили форсунки двигателей.

В таком виде Ту-155 впервые облетал экипаж летчика-испытателя В.А. Саванькаева в апреле 1988 г. Но то, что оказалось хорошо для ракетной техники, когда активный участок траектории носителя космических объектов исчисляется минутами, для авиации оказалось преждевременным.

Пока шла разработка силовой установки на сжиженном водороде, геологи открыли новые месторождения нефти и газа. Особенно велики оказались залежи последнего, превосходящие запасы нефти и угля. Это и определило переход к более дешевому и доступному метану. К тому же теплотворная способность природного газа на 15% превышает аналогичный параметр основного авиационного топлива керосина и при его использовании снижается вредное воздействие на окружающую среду. Да и для хранения его в жидком виде требуется температура почти на 100°С выше, чем для водорода. К тому же в процессе предполетной подготовки не нужна продувка топливных баков азотом, исключавшим образование гремучего газа при соединении водорода с воздухом.

Летающую лабораторию доработали, и в январе 1989 года машина, один из моторов которой использовал для работы сжиженный природный газ (СПГ), поднялась в воздух. Этот и последующие полеты показали реальную перспективу использования в авиации метана.

5. Заключение

Изучив вопрос об альтернативе имеющемуся топливу я выяснил, что на данном этапе своего развития люди готовы запустить массовые производства метана. Кроме того существуют модели самолетов, работающие на криогенном топливе и сжиженном метане. Если эти технологии продолжат свое развитие, то в ближайшем будущем может появиться реальная возможность для отказа от топлива на основе нефти.Я считаю, применение альтернативного топлива не только перспективным, но и необходимым этапом развития технологий. 

6. Источники информации

1. Д.Р.Саргосян “Анализ опыта применения альтернативных топлив на на воздушных судах” // Научный вестник МГТУ ГА, № 174, 2011

2.С.К.Постоев, В.П.Зайцев “Современное состояние и возможности перевода вертолетов и самолетов региональной авиации на авиационное сконденсированное топливо - АСКТ”. Сборник научных трудов ГосНИИ ГА, № 311, 2010

3 Журнал “Международная биоэнергетика” http://infobio.ru/

4.Space Facts “Новый альтернативный источник топлива для самолетов” http://spacefacts.ru/news/planet-earth/eco/725-novyy-alternativnyy-istochnik-topliva-dlya-samoletov.html

5. Авиапорт “Авиация нуждается в альтернативных видах топлива” http://www.aviaport.ru/news/2012/07/27/238185.html

6. Криогенное топливо в авиации http://avia-simply.ru/kriogennoe-toplivo-v-aviatsii/

7. Восемь видов альтернативного топлива http://newchemistry.ru/letter.php?n_id=354

 

Категория: Пятнадцатая олимпиада (2017/18 уч.год) | Добавил: Service (05.01.2018) | Автор: Збарский Даниил E W
Просмотров: 304 | Комментарии: 1 | Рейтинг: 3.0/4
Всего комментариев: 1
1 щур  
Не видно картинку и довольно странное форматирование!
И, на мой взгляд, заключение должно быть более развернутым.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК ОТКРЫТ!
ТЕСТИРОВАНИЕ НАЧАТО!
ПРИЁМ РАБОТ ОТКРЫТ!

Календарь
Google+
Их многие читают
Ахметшин Тимур Рамилевич (35864)
Зарипова Рузиля Ильфатовна (21248)
Щур Илья Андреевич (20678)
Нурсултанов Данияр Ербулатович (19651)
Нурсултан Данияр Ербулатович (19072)
Миргазетдинова Розалия (16868)
Кондратенко Анна Геннадьевна (15932)
Перемота Алексей Юрьевич (15373)
Зиннатуллин Альмир Альбертович (14785)
Алиев Рафаэль (14509)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2018