Центральный институт авиационного
моторостроения имени П.И. Баранова
Rus
<< Назад

7 сентября 1987 года поднялся в небо Ми-8ТГ – первый в мире ЛА с силовой установкой, работавшей на газовом топливе

1987 год

7 сентября 1987 года поднялся в небо Ми-8ТГ – первый в мире ЛА с силовой установкой, работавшей на газовом топливе

Еще Д.И. Менделеев писал, что сжигать нефть – все равно, что топить печь ассигнациями. Тем не менее, основным топливом для транспорта на планете остаются керосин, бензин и солярка. С учетом постоянно растущих цен на жидкое углеводородное топливо слова великого химика ныне обрели почти буквальный смысл. Между тем в местах добычи и переработки нефти в России ежегодно сжигается, по некоторым подсчетам, около 20 млрд м3 попутного газа (это газ, растворенный в сырой нефти и выделяющийся из нее перед транспортировкой по трубопроводу). Проблема рационального использования этого ресурса привлекла внимание специалистов и руководителей еще во времена СССР в связи с бурным развитием нефтедобычи в стране.

Еще 1970-х годах в ЦАГИ были рассмотрены перспективы использования попутного нефтяного газа в качестве авиационного топлива. ЦИАМ после изучения теплофизических характеристик газового горючего поддержал эту инициативу. Эта задача рассматривалась как часть и первый этап более обширной программы по созданию атмосферных ЛА, способных использовать в качестве альтернативного авиакеросину топлива криогенный сжиженный природный газ, то есть метан (второй этап), и жидкий водород (третий, наиболее сложный этап). Из попутного газа получается пропан-бутановая смесь, которая сжижается при умеренно низких температурах или под небольшим давлением при температуре выше нуля, что существенно упрощает эксплуатацию газовой авиатехники. Любопытно, что вначале предполагалось использовать в качестве топлива пропан, который применяется в автотранспорте и для производства и использования которого уже создана эксплуатационная инфраструктура. Однако расчеты показали, что баки нужного размера для автопропана получаются слишком тяжелыми для авиации. Поэтому в дальнейшем в течение длительного времени пришлось искать пропан-бутановую смесь такого состава, который позволял использовать это топливо в авиации. Значительную роль в этих исследованиях играл ЦИАМ.

Широкое развитие работы в этом направлении получили после принятия в 1981 г. Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об использовании газа на транспорте». В начале 1980-х годов ЦАГИ, ЦИАМ, ЛИИ, ГосНИИ ГА, МВЗ им. М.Л. Миля, Завод им. В.Я. Климова и ряд других организаций авиационной и нефтегазовой отраслей приступили к практической реализации идеи использования нефтяного газа в качестве сырья для получения авиационного топлива.

В 1985 г. при участии ЦИАМ на Заводе им. В.Я. Климова были успешно проведены испытания вертолетного двигателя ТВ2-117ТГ, а в 1987 г. на испытательном полигоне МВЗ им. М.Л. Миля прошли летные испытания (летчик Г.Г. Агапов) экспериментального вертолета Ми-8ТГ, один из двигателей которого работал на техническом бутане. Сжиженный газ размещался в шести баках от грузовых автомобилей ЗИЛ-138 (модификации ЗИЛ-130 под газовое топливо). Любопытно, что второй (обычный, керосиновый) двигатель был оставлен для подстраховки: взлетная масса воздушного судна (ВС) подбиралась так, чтобы в случае отказа ТВ2-117ТГ вертолет мог благополучно завершить полет на одном двигателе. В реальности же получилось наоборот: в одном из полетов в керосиновый двигатель попала птица, он заглох и пришлось продолжить полет на газовом ГТД, который успешно справился с этой задачей.

В ходе стендовых и летных испытаний ТВ2-117ТГ без замечаний работал на газовом топливе на всех режимах. Всего на газе двигатель проработал 50 часов. Запуск двигателя происходил с первой попытки. Двигатель имел хорошую приемистость и устойчивость работы. Температурное поле газа перед турбиной не изменилось. Продукты сгорания газового топлива не содержали сконденсированных частиц, поэтому в камере сгорания, на лопатках соплового аппарата и на колесе турбины не появилось сажистых отложений. Отсутствие сажи в двигателе проверялось платком, хотя увидеть это можно было и невооруженным взглядом: борт со стороны керосинового двигателя был, как обычно, покрыт слоем сажи от выхлопов, а со стороны газового двигателя обшивка осталась чистой. Механики даже шутили, что после перехода авиатехники на газ будут ходить в белых халатах.

Удельный расход топлива по сравнению с авиакеросином уменьшился на 5% за счет более высокой теплотворной способности газового топлива. Газовое топливо менее агрессивно по отношению к конструкционным и уплотнительным материалам, благодаря чему (а также отсутствию сажевых отложений) ресурс двигателей при работе на газе повышается на 15-25%.

Летные испытания Ми-8ТГ проводились во всем эксплуатационном диапазоне высот и скоростей полета, характерных для транспортного вертолета Ми-8Т. ЛТХ остались практически неизменными, а некоторые – улучшились (в частности газовое топливо лучше подходит для работы в условиях низких температур). Никаких различий в пилотировании вертолета на газовом топливе и на авиакеросине не было отмечено. Наземное обслуживание также отличалось мало. Сжиженный нефтяной газ (в отличие от сжиженного криогенного метана, с которым его иногда путают) не требует применения сложного оборудования для хранения и транспортировки. Это оборудование давно используется в нефтегазовой промышленности и выпускаются серийно для работы с пропан-бутаном. Переход на газовое топливо повышает эксплуатационную пожаробезопасность вертолета, поскольку в аварийных ситуациях оно испаряется и уносится ветром, а не разливается и горит, как керосин. Загазованность парами топлива отсеков вертолета и окружающей среды в десятки раз ниже санитарных норм. Любопытно, что в первый день стендовых испытаний ТВ2-117ТГ на Заводе им. В.Я. Климова пожарная служба окружила стенд тремя пенными пушками, а людей попросила укрыться в бункере. Однако нормальная работа двигателя убедила в том, что чрезвычайных мер безопасности не требуется.

Одновременно с проведением испытаний Ми-8ТГ специалистами ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИ ГА и НИПИ газпереработки к 1991 г. были разработаны технические требования на первое отечественное авиационное сконденсированное газовое топливо (АСКТ) – ТУ 39-1547-91 «Топливо авиационное сконденсированное из нефтяного газа». АСКТ представляет собой гамму углеводородов от пропана до гексана с небольшой примесью более тяжелых углеводородов, доминирующим компонентом в которой являются бутаны. Важно подчеркнуть, что упоминание нефтяного газа в ТУ дается только с целью отличить его от сжиженного природного газа, представляющего собой жидкий метан при криогенных температурах. Фактически же АСКТ может быть получено не только из нефтяного сырья, но и из природного газа. Таким образом потенциальные ресурсы для выработки АСКТ больше, чем только из попутного нефтяного газа, и устойчивы в перспективе. АСКТ можно получать на газо- и нефтеперерабатывающих заводах, в пунктах осушки природного газа, а также непосредственно на нефтегазопромыслах.

Дальнейшее развитие работ в этом направлении привело к созданию в 1995 г. предсерийного промышленного экземпляра вертолета Ми-8ТГ, который был показан в полете в г. Жуковском на МАКС-1995. Установленные на этом вертолете два ТВ2-117ТГ стали двутопливными и могут работать как на керосине, так и на АСКТ, а также на их смеси в любых пропорциях.

Доработка вертолета Ми-8 для эксплуатации на газовом топливе не требует применения специального оборудования и может быть выполнена за две-три недели на любом авиаремонтном предприятии или непосредственно на технической базе обслуживания заказчика. Для этого требуется установка внешнего металлопластикового бака, рассчитанного на давление до 1,0 МПа и представляющего собой оболочку из металлической фольги с обмоткой стекловолокном толщиной 2,5 мм. В этот же бак можно заливать и керосин, причем даже при наличии в нем АСКТ. Бак герметичен и снабжен системой закрытого дренажа, то есть в него нет доступа воздуха, что исключает образование взрывоопасной смеси. В салоне и мотоотсеке устанавливаются датчики загазованности.

Двигатель ТВ2-117ТГ практически идентичен керосиновому: доработке подвергается только система автоматического регулирования путем добавления насоса подачи газового топлива и переключателя с газа на керосин (для упрощения доработки ТВ2-117ТГ запускается на керосине, бак с которым остается на вертолете, а после запуска, перед взлетом переключается на газ или смесь газа и керосина из газового бака).

При создании предсерийного Ми-8ТГ с участием ЦИАМ и других научных организаций были решены основные научно-технические проблемы, связанные с обеспечением нормальной эксплуатации ЛА на газовом топливе:

– разработана безотходная (с параллельным получением пропана, годного для использования в качестве топлива для автотранспорта) технология производства АСКТ;

 – разработана и экспериментально проверена топливная система, обеспечивающая работу ГТД как на газовом топливе, так и на авиакеросине, а также на их смеси.

– решены проблемы размещения АСКТ на борту воздушного судна.

– найдены конструктивные решения, повышающие безопасность ВС в аварийных ситуациях;

– разработана система обеспечения пожаробезопасности ВС;

– разработан и прошел стендовые испытания экспериментальный модуль топливозаправщика для заправки ВС как АСКТ, так и авиакеросином;

– освоена технология изготовления легких подвесных баков для газового топлива;

– разработаны методы расчета теплофизических и теплотехнических свойств АСКТ;

– предложен метод заправки вертолетов типа Ми-8ТГ «с колес» без перелива АСКТ в стационарные емкости.

Исследования, проведенные в ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИ ГА, ОАО «НИПИгазпереработка», ОАО «Интеравиагаз» и самолетостроительных ОКБ, показали возможность и эффективность перевода на газ не только вертолетов, но и самолетов региональной авиации (Ил-114, Як-40, Ан-2(3) и др.). Научное и техническое обоснование возможности и целесообразности использования продуктов переработки попутных и природных газов в качестве авиационного топлива разработано Н.Ф. Дубовкиным (ЦИАМ), В.П. Зайцевым (ЦАГИ), Е.П. Брещенко (НИПИгазпереработка).

Таким образом, за 40 лет были разработаны все необходимые технологии и решены все принципиальные научно-технические вопросы по переводу авиационной техники на газовое топливо, создан предсерийный образец газового вертолета Ми-8ТГ, прошедший цикл предварительных испытаний, а также оборудование для его заправки. Эти технологии созданы в России впервые в мире и не имеют аналогов за рубежом, где лишь в последние годы активизировались работы в этом направлении.

Перевод на АСКТ сулит немалые выгоды, которые особенно актуальны для Крайнего Севера и других труднодоступных местностей, занимающих более 60% территории России, куда авиакеросин завозится из центральных районов страны. Использование АСКТ поможет возродить практически умершую в России малую авиацию, что является важной социальной задачей. Стоимость газового топлива в 2-4 раза ниже авиакеросина, расход топлива в полете ниже на 5%, ресурс двигателей при работе на газе выше на 15-25%. Работа на газовом топливе значительно уменьшает эмиссию вредных веществ в атмосферу, поскольку в нем практически отсутствуют сернистые вещества, ароматические соединения и смолы. Выброс окислов азота и углерода при работе двигателя на газе в два раза меньше, чем при работе на керосине. Кроме того, сжигание газа в факелах в местах добычи и переработки нефти само по себе наносит огромный вред окружающей среде, поэтому экономически оправданный способ переработки и использования этого сырья важен и с точки зрения защиты окружающей среды.

Увы, при всех этих выгодах затраты, необходимые на создание новой топливной инфраструктуры, а также сложность задачи, требующей консолидации усилий разных министерств и ведомств, до сих препятствуют реализации этой идеи. Однако потенциальные запасы газа на планете в десятки раз превосходят запасы нефти, и по мере исчерпания последних и неизбежного роста цен на керосин газовое топливо рано или поздно станет экономически выгодной альтернативой.

 

При подготовке этой статьи использованы материалы ОАО «Интеравиагаз» (gazolet.com)   

Фото: ОАО «Интеравиагаз»