Будущее тяги в устойчивых авиационных топливных двигателях

Наука о ржавчине и горении с устойчивым авиационным топливом

Устойчивое авиационное топливо (SAF) является синтетическим или биопроизводным альтернативой обычному керосину Jet A/A-1, производимому из сырья, такого как используемое растительное масло, сельскохозяйственные остатки, твердые бытовые отходы или улавливаемый углерод и зеленый водород (мощность к жидкости). В то время как SAF могут быть смешаны с обычным топливом в соотношении до 50% (и вскоре 100% в соответствии с сертификатами, такими как ASTM D7566 Annex), их химический состав влияет на процесс сгорания и, следовательно, генерацию тяги. Плотность энергии топлива определяет, сколько тепла выделяется на единицу массы во время сгорания; даже снижение объемной плотности энергии на 2-3% может потребовать регулировки скорости потока топлива или геометрии сопла для поддержания той же температуры входа турбины и выход тяги в данном двигателе.

Тяга регулируется изменением импульса воздуха через двигатель: F = μ × (V exit - V inlet) . Для турбовентилятора ядро (газогенератор) обеспечивает высокоэнергетический выхлоп, который приводит в движение вентилятор и продвигает самолет. SAF обычно имеют немного более низкое гравиметрическое значение нагрева (около 42-44 МДж/кг) по сравнению с обычным реактивным топливом (~43,5 МДж/кг), но разница достаточно мала, чтобы производители двигателей могли компенсировать это за счет учета топлива. Более важными являются характеристики сгорания: скорость пламени, задержка воспламенения и образование сажи. Синтетические парафиновые керосины (SPK), распространенный тип SAF, горят более чисто, но требуют перепроектированных топливных форсунок, чтобы избежать бережливого выдувания при низких настройках мощности. Исследователи из NREL и НАСА показали, что оптимизация геометрии сопла и у

Химические свойства SAF

SAF в основном состоят из линейных и разветвленных алканов (парафинов) с очень низким ароматическим содержанием. Ароматики естественным образом присутствуют в керосине нефтяного происхождения и отвечают за набухание уплотнения в устаревших топливных системах, но они также способствуют образованию сажи и кристаллов льда контратак. Отсутствие ароматических веществ в чистых SAF означает, что уплотнения двигателя и O-кольца должны быть сделаны из совместимых материалов - изменение, уже реализованное в двигателях текущего поколения, таких как LEAP и GEnx. С точки зрения тяги, более низкое ароматическое содержание приводит к более равномерному фронту горения и уменьшению градиентов температуры пламени, что может улучшить высотную производительность пересвета и продлить срок службы горючего. ] Топливная смазка ] является еще одной проблемой; гидрообработанные SAF не имеют природных соединений серы, которые обеспечивают смазку в реактивном топливе, поэтому необходимы добавки для предотвращения преждевременного износа в топливных насосах и единицах учета.

Топливная инъекция и настройка горения

Современные двигатели используют бережливое сгорание для управления NOx и сажей. SAF имеют более высокое соотношение H/C (водород к углероду), что снижает температуру адиабатического пламени и подавляет образование теплового NOx. Однако снижение реактивности некоторых SAF - особенно топлива с высоким содержанием изопарафина - может вызвать задержки воспламенения, которые приводят к нестабильности сгорания. Чтобы противодействовать этому, производители двигателей вводят сменные геометрические горелки, которые регулируют соотношение воздух-топливо в режиме реального времени. Например, демонстратор ALECSys Rolls-Royce использует адаптивную постановку топлива для поддержания стабильного сгорания в диапазоне дроссельной заслонки, независимо от состава топлива. Эти системы полагаются на передовые алгоритмы зондирования и управления, чтобы гарантировать, что профиль температуры входа турбины остается однородным, сохраняя целостность тяги.

Достижения в области технологий двигателей

Производители оригинального оборудования (OEM), такие как GE Aerospace, Pratt & Whitney и Rolls-Royce, вкладывают значительные средства в архитектуры следующего поколения, которые полностью совместимы со 100% SAF. Основное внимание уделяется не только замене капель, но и оптимизации цикла двигателя для уникальных тепловых и топливных свойств возобновляемых видов топлива.

Топливные системы высокого давления

Для компенсации меньшей плотности объемной энергии некоторых SAF топливные насосы должны обеспечивать более высокий расход массы. Это требует более сильных приводов насосов, более жестких топливных линий и более отзывчивых клапанов учета. GE e-HPC (усовершенствованный компрессор высокого давления) интегрирует компрессор более высокой ступени, который увеличивает общее отношение давления двигателя, повышая тепловую эффективность. В сочетании с топливной системой, способной обеспечивать более высокое давление, чем 5000 фунтов на квадратный дюйм, двигатель может атомизировать капли SAF более тонко, что приводит к более полному сгоранию и соотношению тяги к весу, сопоставимому с или превышающему отношение тяги к весу, сопоставимое с обычными керосиновыми системами. Промышленность также изучает безпоршневые насосы , приводимые в действие электродвигателями, которые устраняют паразитные потери вспомогательных коробок передач и позволяют точно регулировать поток топлива для каждой фазы полета.