Учёные Томского политеха занимаются созданием альтернативного топлива для авиации, более экологичного и функционального, чем традиционное. Они разработали математические модели динамики поведения капель топлив сложной формы в камерах сгорания авиационных двигателей. Эти модели помогут прогнозировать характеристики прогрева, испарения и зажигания новых видов топлива.

Исследователи во всем мире сегодня работают над задачей снижения антропогенных выбросов в авиации при сохранении производственных мощностей и производительности авиационных двигателей. Для этого необходимо разрабатывать принципиально новые топливные технологии и совершенствовать уже существующие.

Специалисты Инженерной школы энергетики Томского политехнического университета (ТПУ) 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.

«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», — рассказал инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ Дмитрий Антонов.

Учёные уже разработали математические модели для изучения характеристик нагрева и испарения капель в камерах сгорания авиадвигателей. Уникальность моделей 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, исследователи планируют внедрить новые эффекты вторичного измельчения капель непосредственно в камерах сгорания за счет реализации микровзрывов, сообщил Антонов.

«Фрагментация капель в режиме микровзрыва достигается за счет вовлечения в состав топлива воды — 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 в качестве оболочки — топливо. Микровзрывы повышают до 5-7 процентов полноту выгорания топлива, улучшают характеристики смешения паров топлива и воздуха, снижают до 20 процентов концентрации антропогенных выбросов», — отметил учёный.

На следующем этапе работы исследователи 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. Учёные планируют приступить к серии экспериментов в начале 2023 года.

«Наша цель — разработка композиционного синтетического авиационного топлива, удовлетворяющего современным экологическим, экономическим, энергетическим и технологическим требованиям. Вместе с коллегами из отделения химической инженерии Томского политеха мы планируем создавать цифровые двойники технологий производства топлив под конкретные характеристики. Это важно из-за ограничений по использованию импортного программного обеспечения на отечественных заводах», — отметил Антонов.