Технологические аспекты применения криогенного топлива в гражданской авиации

АННОТАЦИЯ

Ужесточающаяся конкуренция между потребителями углеводородного топлива, вынуждает их искать замену небольшой доли нефти, которая идет на производство топлива. Возможным решением данной проблемой в авиации могут являться альтернативные виды топлива, такие как сжиженный природный газ или (СПГ) жидкий водород (ЖВ), являющихся криогенными жидкостями. Низкая цена природного газа по сравнению с авиакеросином и жидким водородом, а с учетом экологических свойств не только производства, но и производства, делает СПГ наиболее привлекательным для внедрения в авиастроение в качестве топлива.

Выбор компоновочной схемы бака

Ту-155 — экспериментальный вариант Ту-154 для отработки двигателей с использованием криогенного топлива, с размещением бака в фюзеляже рисунок 1.

Рисунок 1. Экспериментальный самолет Ту-155

Недостатки подобной схемы размещения криогенных баков:

1) часть объёмов предназначенных для перевозки полезной нагрузки занимаются баками;

2) снижена разгрузка крыла в полете (частичная разгрузка происходит за счет «керосинового» АНЗ (аэронавигационный запас)  – 3,7 т.)

Ту-206 — вариант Ту-204 с «криогенными» двигателями и накладными баками, использующими в качестве топлива сжиженный природный газ, рисунок 2.

Рисунок 2. Ту-206 проект среднемагистрального самолета

Выбор компоновки баков, как в случае проекта Ту-206, будет лучшим решением, так как он лишен первого из перечисленных выше недостатков. Частичная разгрузка крыла происходит за счет «керосинового» АНЗ – 5,5 т.

Обеспечение пожаровзрывобезопасности самолета, использующего криогенное топливо.

В процессе работ по самолету Ту-155 для обеспечения пожаровзрывобезопасности за основной способ защиты был выбран контроль среды и управление ее состоянием. Такой метод защиты способствует своевременно засечь аварийное натекание паров криотоплива в объемах контролируемых отсеков и не допустить образование взрывоопасной среды снижением концентрации кислорода ниже предела взрываемости.

В связи с выше указанным при последующем структурном анализе самолетов, применяющих СПГ в качестве топлива, были утверждены следующие процедуры по обеспечению пожаровзрывобезопасности:

- Все элементы криогенной топливной системы располагаются вне фюзеляжа. Они устанавливаются в мотогондолах и в крыле или в обтекателях.

- Участок размещения элементов криогенной топливной системы отделяются герметичными перегородками от остальной зоны самолета, т.е. располагается в замкнутых объемах, трубопроводы находятся в герметичные кожухи.

- На самолете устанавливается система газового контроля (СГК), для измерения концентрации паров природного газа в зонах размещения элементов криогенной топливной системы и в мотогондолах двигателей и для сигнализации о превышении этой концентрации предельной допустимой по условиям безопасной величины.

- В мотогондолах расположены датчики системы сигнализации о керосиновом и метановом пожаре и о перегреве.

Действия экипажа при появлении опасной концентрации паров СПГ в контролируемой системой СПС зонах заключаются в следующем;

- при появлении на табло экипажа сигнала «ГАЗ в отсеке бака» экипаж переводит режим работы обеих двигателей на керосин и принимает решение о продолжении полета до аэродрома назначения или выполнении посадки на ближайшем аэродроме;

- при появлении на табло экипажа сигнала «ГАЗ в мотогондоле двигателя» экипаж переводит режим работы соответствующего двигателя на керосин или выключает этот двигатель и принимает решение о продолжении полета до аэродрома назначения или выполнении посадки на ближайшем аэродроме.

Технологичность конструкции

Одним из важнейших показателей качества при производстве авиационной техники является – технологичность, совокупность свойств конструкции изделия, позволяющая оптимизировать затраты труда, средств, материалов и времени при производстве и эксплуатации авиационной техники. Еще на стадии проектирования помимо высоких летно-технических характеристик, надежности, ресурса в изделие также должны быть заложены высокие технико-экономические показатели при производстве и эксплуатации.

Совершенство авиационной конструкции в сфере производства определяется выполнением требований производственной технологичности, что сводится к возможности применения при ее изготовлении прогрессивных технологических процессов, обеспечивающих высокое качество при минимальных затратах средств, труда и времени в процессе конструкторской и технологической подготовки производства и при изготовлении изделий. Эксплуатационная технологичность конструкции изделия определяется совокупностью таких свойств, которые позволяют снизить затраты средств и времени на техническое обслуживание и ремонт в процессе эксплуатации при высоком качестве работ.

В настоящее время, на производстве, стараются максимально перейти к электронному документообороту и проектированию с использованием систем САПР,  в  том  числе  для  того,  чтобы  обеспечивать  отработку  на технологичность. Внедрение электронного моделирования позволит повысить качество и скорость работы, в современном производстве важна каждая мелочь. При серийном выпуске самолета, простой даже на одной сборочной операции изготовления  изделия  из-за  отсутствия  взаимозаменяемости  деталей, способен повлечь материальные убытки и срывы планов.

За счет внедрения электронного моделирования повышается технологичность транспортного  самолета.  Ранее  сборка осуществлялась с помощью устаревших макетов и шаблонов, неоднократной отработки  на стендах,  испытаний.  Ввод  электронного  моделирования позволяет:

- значительным образом уменьшить трудозатраты;

- повысить  скорость  разработки  и  внедрения  новых  элементов конструкции;

- на стадии моделирования и макетирования увидеть необходимость изменений в конструкции;

- в конечном итоге уменьшить затраты на производство.

Уйдет часть старых функций. Большинство рутинных операций будут выполняться  быстрее,  уменьшатся  сроки  выполнения  работ,  может  быть изменен  порядок  выдачи  заданий  и  согласований,  а  высвободившиеся сотрудники будут задействованы в других работах. Поменяется процедура обмена данными между специалистами - все изменения будут доступны в электронном  виде  для  каждого  участника  проекта  в  режиме  реального времени. При внедрении трехмерного проектирования отпадет необходимость в части согласований.

В конкретном случае, за счет внедрения электронного моделирования повысится  как  общая  технологичность  транспортного  самолета,  так  и трудоемкость  работы  на  стадиях  конструкторской  и  технологической подготовки производства.

Выбор формы бака, теплозащиты,  и его конструктивно – силовой схемы

Конструкция баков должна обеспечивать необходимую прочность в течение положенного срока службы и обеспечивать необходимую теплозащиту топлива. Так как баки являются «накладными», главной задачей является минимизация миделевого сечения.

В качестве носителей криогенного топлива были выбраны три бака, которые идентичны друг другу. Общий объём всех трех баков составляет 48 м³, общая длина – 29,33  метров, расстояние между баками – 1 м, расстояние между шпангоутами обтекателя – 750 мм, рисунок 3.

Рисунок 3. Общий вид криогенных баков

В качестве основного материала бака был выбран сплав АМг6, сварная конструкция с внутренним силовым набором. В качестве материала теплозащиты используется пенополиуретан (ППУ – 17Н) толщиной 50 мм с внешним покрытием. С внешней стороны ППУ – 17Н покрыт двумя слоями стеклоткани, пропитанной смолой. Такое конструктивное исполнение наиболее просто реализуемая конструкция. Имеется в наличие оборудование и технологии для промышленного изготовления, контроля качества и ремонта ТЗ с высокой степенью механизации и автоматизации работ. Масса силовой конструкции чувствительна к рабочему давлению в баке. Силовая конструкция герметична по СПГ и газу.

Конструктивно каждый криобак состоит из 6 отсеков. Типовая конструктивно – силовая схема (КСС) отсека состоит из поперечного набора в виде 4 нормальных и 1 силового шпангоута или шпангоута – стенки, продольного набора в виде 22 Z стрингеров, и обшивки длинной 1,5 м и толщиной 4 мм, рисунок 5. Для минимизации «раскачки» топливом самолета на середине трёх из шести отсеков каждого из баков устанавливается стенка, имеющая небольшие  отверстия для перетекания СПГ, рисунок 4. Днища – плоские, одно из днищ представляет из себя люк – лаз с замковым соединением, служащий для контроля и проверки бака и внутрибаковых систем, рисунок 6. На днищах расположена вваренная арматура для подключения коммуникаций топливной системы и гермопроводники для электропроводки.

Рисунок 4. Шпангоут – стенка

1 – нормальный шпангоут; 2 – силовой шпангоут; 3 – обшивка; 4 – стрингер

Рисунок 5. Типовой отсек бака

1 – плоское днище; 2 – люк – лаз; 3 – болты крепления

Рисунок 6. Плоское днище с люк – лазом

Крепление бака осуществляется соединением «ухо – вилка», рисунок 7. В зоне крепления бака установлена внутренняя тепловая защита в целях предотвращения обмерзания элементов крепления.

1 – обшивка бака; 2 – полка шпангоута обтекателя; 3 – ухо; 4 – вилка; 5 – болт с шестигранной головкой; 6 – гайка

Рисунок 7. Соединение «ухо – вилка»

Размещение основных топливных магистралей изображено на рисунке 7. В конструкции криогенных трубопроводов применяются сталь 12Х18Н10Т и сплав АМг6м. Трубопроводы выполняются теплоизолированными.

1 – топливный фильтр; 2 – магистраль полетного дренажа; 3 – магистраль питания двигателей; 4 – магистраль слива

Рисунок 7. Размещение основных топливных магистралей

Все 3 криогенных бака расположены на шпангоутах обтекателя, а они в свою очередь на шпангоутах самолета, рисунок 8.

Рисунок 8. Размещение криогенных баков

Список литературы:

1. Байков, А.А. Влияние использования криогенного топлива на облик магистрального самолета: 05.07.02: Москва, 2004 157 c. РГБ ОД, 61:05-5/1913.
2. Торенбик, Э. Проектирование дозвуковых самолетов/Э. Торенбик – М.: Машиностроение, 1983. – 648 с.
3. Припадчев, А.Д. Определение оптимального парка воздушных судов: монография / А.Д. Припадчев. –М.: Академия Естествознания, 2009. – 240 с.