Ученые ТПУ создают экологичное авиационное топливо при поддержке программы «Приоритет 2030»

Ученые Томского политеха занимаются созданием альтернативного топлива для авиации — более экологичного и функционального по сравнению с традиционным. Сейчас они разработали математические модели динамики поведения капель топлив сложной формы в камерах сгорания авиационных двигателей. Эта работа — важный этап в процессе создания альтернативного авиационного топлива. Такие модели позволяют достоверно прогнозировать характеристики прогрева, испарения и зажигания новых видов топлив с последующим формированием топливовоздушной смеси. Исследование проводится при поддержке программы Минобрнауки России «Приоритет 2030».

Снижение антропогенных выбросов при сохранении производственных мощностей и производительности авиационных двигателей — задача, над которой работает мировое научное сообщество. Это делает актуальным создание принципиально новых топливных технологий и усовершенствование уже существующих. Анализ климатических изменений в мире говорит о важности комплексного решения проблемы антропогенных выбросов при сжигании углеводородных топлив, особенно в авиационной и космической промышленности.

Специалисты Инженерной школы энергетики Томского политеха разрабатывают синтетическое топливо, получаемое из жидких углеводородов (в частности, дизеля и биодизеля) и различных отходов: растительных масел, биомассы, осадка сточных вод, муниципальных твердых бытовых отходов.

«Авиационное топливо должно соответствовать совокупности важных характеристик. Основными считаются 30-50. Важно создать перспективное композиционное топливо с учетом ряда экологических, экономических, энергетических и технологических индикаторов. Использование смеси традиционного керосина ТС-1 и нового синтетического топлива позволит достичь  совокупности этих показателей авиатоплива», — поясняет инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ Дмитрий Антонов.

Ученые уже разработали математические модели для изучения характеристик нагрева и испарения капель в камерах сгорания авиадвигателей. Уникальность моделей заключается в том, что они описывают поведение капель топливных композиций сложной несферической формы в широком диапазоне размеров и скоростей их движения. Такая форма характерна для топлив с низкой вязкостью и вызвана деформацией поверхности капель, возникающей при высоких скоростях впрыска топлива в камеру сгорания.

«Кроме того, мы планируем внедрение новых эффектов вторичного измельчения капель непосредственно в камерах сгорания за счет реализации микро-взрывов. Фрагментация капель в режиме микро-взрыва достигается за счет вовлечения в состав углеводородного топлива воды — дополнительного менее летучего компонента с более низкой температурой кипения. В результате мы получаем более сложную и эффективную топливную композицию «?капля в капле», где в качестве ядра выступает вода, а топливо — в качестве оболочки. При реализации микро-взрывов повышается полнота выгорания топлива до 5-7 %, улучшаются характеристики смешения паров топлива и воздуха, снижаются концентрации антропогенных выбросов до 20 %», — отмечает Дмитрий Антонов.

На следующем этапе исследования политехники будут изучать, как новое топливо влияет на рабочие характеристики двигательной установки. С этой целью создается комбинированный экспериментальный стенд для испытания малогабаритных газотурбинных двигателей с разными характеристиками тяги и геометрическим размерами. Ученые планируют приступить к серии экспериментов в начале 2023 года.

«Конечная цель наших исследований — разработка научных основ создания композиционного синтетического авиационного топлива, удовлетворяющего современным требованиям по экологическим, экономическим, энергетическим и технологическим характеристикам. С привлечением коллег из отделения химической инженерии Томского политеха планируем развивать направление по созданию цифровых двойников технологий производства топлив под конкретные требуемые характеристики. Это важно в связи с ограничениями по использованию импортного программного обеспечения на отечественных заводах-изготовителях», — подчеркивает Дмитрий Антонов.