应用LNG的通用飞机动力系统

刘爱虢，朱 悦，李鹏超，陈保东，曾 文，康桂文

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 110136)

应用LNG的通用飞机动力系统

刘爱虢，朱 悦，李鹏超，陈保东，曾 文，康桂文

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 110136)

为研究液化天然气(LNG)作为通用飞机航空燃料的可行性，对LNG的特点、发展趋势及作为航空燃料存在的问题进行了分析。采用了横向比较的方法，将LNG与航空汽油进行了比较和计算分析，并设计了一种以LNG为燃料的通用飞机动力系统。结果表明，在燃料特性上与航空汽油相比，LNG具有密度低、热值高、低温储存气态使用及可燃极限宽和燃烧污染物排放低等优点；在经济性上，LNG的燃料成本仅为航空汽油的一半，是一种极富潜力的航空燃料。所提出的通用飞机动力系统在技术上是可行的，同时具有环保性和经济性优势，可以成为未来通用飞机的一种动力及燃料供应系统。

液化天然气；通用飞机；动力系统；低排放；经济性

通用飞机是指除从事定期客运、货运等公共航空运输飞机之外的其他民用航空活动的所有飞机的总称。目前全世界约有通用飞机30多万架，其数量在所有民用飞机中占到90%以上。近年来，我国也注意到了相关的市场前景，开始逐步重视发展通用航空产业。截至2012年底，通用航空企业适航在册航空器总数达到1 320架，同比增长17.44%。

根据飞机动力系统的不同，航空燃料分为两大类：一类是针对活塞式发动机的航空汽油，另一类是针对喷气式航空发动机的喷气燃料，也称为航空煤油。通用飞机大多采用活塞式发动机，但也有少部分公务机采用喷气式航空发动机。1937年，美国和英国根据含铅量的不同制定了航空汽油标准，20世纪60年代美国推出了100LL号低铅汽油，该型号汽油目前仍为活塞式发动机的主要燃料[1]。我国航空汽油的基本组分是航空基础汽油、直馏汽油、高辛烷组分及添加的抗爆剂和抗氧化防胶剂。目前我国的航空汽油每年只有不到3万吨的消费量，但随着低空领域的全面开放，预计在不远的将来通用飞机会呈现爆发式增长，航空汽油的需求量也会随之急剧增加。

对石油基航空燃料的过分依赖，一方面会给国防和航空运输业带来隐患，同时还会引起环境污染问题。采用新的航空替代燃料，并制订相关的法规、建立燃料生产企业与航空公司之间的有效交流机制将是解决这些问题的有效途径[2-3]。煤和天然气基合成燃料、生物燃料、低温燃料是目前航空替代燃料关注的热点，对合成燃料和生物燃料的研究和报道目前已经开展了很多，并进行了试验飞行，获得了大量的可靠数据[4]。液化天然气(LNG)是将天然气经过干燥脱酸处理后，在低温下(110 K以下)液化成液态的一种低温燃料。NASA从20世纪70年代就已经开展了在专门设计的飞机上使用LNG作为燃料的基础技术研究，并在1980的一份题为“甲烷燃料在亚音速运输机上应用研究”的报告中指出，使用LNG作为航空发动机的替代燃料没有技术问题，预计在2025年之后使用低温燃料的飞机技术将会走向成熟，并出现使用低温燃料的飞机。本文介绍了LNG的特点，并将LNG与航空汽油进行了比较，对LNG作为航空燃料的优点及可行性进行了分析，最后设计了一种可使用LNG为燃料的通用飞机动力系统，以期推动LNG作为通用飞机燃料的发展。

1 LNG特点及发展趋势

1.1 LNG特性

1.1.1 LNG组成

LNG是将天然气经过干燥脱酸处理后，在低温下液化成液态的一种低温燃料，主要成分是甲烷、乙烷、氮气及少量C3～C5烷烃的低温液体。天然气根据产地不同成分会有所差别，但LNG的物理和燃烧特性总体差别不大。表1为一种典型天然气的组成。

表1 天然气的典型组成

1.1.2 基本物性与燃烧特性

为分析LNG作为航空燃料的特点，将LNG与目前在用的100LL航空汽油的基本物性和燃烧特性进行了比较，结果如表2所示[5]。

表2 LNG与航空汽油特性比较

由表2的比较可以看出，LNG的密度仅为100LL航空汽油的60%左右，而热值比航空汽油高16%。考虑这2方面的因素，与使用航空汽油相比，在产生相同的能量时用于储存LNG的油箱体积要增加47.41%，但所需燃料的重量下降16%左右。但由于LNG为低温燃料，需要采用低温储罐进行储存，LNG储罐的重量要大于航空汽油油箱的重量，同时考虑到通用飞机燃料重量在飞机总重量中所占比例较小，因此由燃料密度和热值所引起的通用飞机总重量的影响可以忽略不计，但油箱体积的增加会给通用飞机的结构设计及空气动力特性带来影响，在飞机设计中应考虑。

LNG是通过深冷技术将天然气在常压下冷却到-162℃的，冰点为-182.2℃，在使用时要通过气化装置将液态低温燃料气化为气态后再使用。对于航空燃料，考虑到航空发动机的工作环境要求所使用燃料的冰点要低，以保证燃料有较好的流动性。LNG低温储存气态使用的特点与航空发动机对燃料低温流动性的要求相匹配，同时LNG在使用时为气态，因此不存在雾化问题，也不会存在由于雾化效果差所导致的燃烧问题。

从LNG与航空汽油燃烧特性的比较可以看出，2种燃料的火焰传播速度和最小点火能量相差不多，但LNG的可燃极限为5～15%，远高于航空汽油的1～5%。宽的可燃极限导致燃料的点火性能好，尤其是当飞机出现高空停车再启动时，宽可燃极限对空中再启动非常有利。

燃料的燃烧效率和污染物排放特性会影响燃料的经济性和环保性，文献[6]和文献[7]分别对在航空发动机和汽车发动机上使用不同燃料时的燃烧效率和排放特性进行了比较。在航空发动机燃烧室上的试验测试表明，在发动机工作状态下LNG的燃烧效率为0.986，接近先进航空发动机对燃烧效率高于0.99的要求，对污染物排放比较发现使用LNG时的NOx及CO排放明显低于航空煤油，尤其是NOx的排放仅为航空煤油的1/4[6]。而由LNG与汽油在汽车发动机上的试验测试表明：应用LNG时，尾气中CO减少97%，HC+NOx减少72%，CO2减少90%，噪声减少40%，C6H6铅粉尘减少100%，颗粒排放物几乎为零。同时，避免了燃油发动机在燃烧过程中产生的机油和碳粒等有害杂物，还可避免发动机供油系统的损坏或者堵塞的可能，大大延长了发动机的使用寿命[7]。

1.1.3 经济性

表2是从物理特性和燃烧特性2方面对2种燃料的比较，发现与航空汽油相比，LNG具有密度低、热值高、低温储存气态使用及可燃极限宽和燃烧污染物排放低等优点。在航空运输领域，对所使用燃料除基本物性和燃烧特性的考虑外，还要考虑到燃料成本问题。图1 是国际天然气期货价格从2004 年到2014年间的变化情况，同期原油价格变化如图2 所示[8]。原料的价格会直接影响到LNG和航空煤油的价格。从价格的发展趋势上看，从2009年起天然气的价格相对稳定，而石油的价格在逐年上升。

图1 天然气国际期货价格

图2 轻质原油国际期货价格

为对使用不同燃料时的经济性进行比较，以一架通用飞机年消耗10t航空汽油为例，对消耗率指标和价格指标进行了比较。消耗率指标在实际运行中用L/100 km*人来评价，指百公里每人耗油量，价格指标是考虑不同燃料的价格方面存在的差异，飞机一年飞行所需要的燃料费用。不同燃料比较时，采用不同燃料产生相同的能量为前提，经折算10t航空汽油可产生的能量为433.6×103MJ。不同的燃料的价格分别取LNG为4.5元/kg，100LL号汽油5.85元/L，比较结果如表3所示。

表3 不同燃料的经济性比较

由消耗率指标的比较结果可以看出，LNG的燃油消耗明显升高，这是由LNG的密度低引起的。由燃料成本的比较可以看出，在一年航空飞行中，以LNG为燃料时其燃料成本仅为航空汽油的一半。从价格指标上的比较可以看出，LNG的经济性非常明显，将成为吸引航空运输企业的一大亮点。

1.2 我国LNG发展趋势

天然气来源广、储量大，主要来源有：气田产生的天然气、油田开采中伴生的天然气、煤层中所含的天然气以及天然气与水形成的固体等。1999年的统计数据显示，全球的天然气探明储量高达1.38×1014m3，潜在储量2.52×1014m3，预计两者合计可供人类使用超过100年。中国天然气资源比较丰富，据统计，中国的天然气储量约为47万亿m3。与石油相比，天然气的使用还处于起步阶段。天然气的供应量正在逐年上升，2003年全球天然气消费量为2.6×1012m3，至2006年持续以1.8%的比例增加，其后又以每年2.8%的比例增长，预计2025年全球天然气消费量将达5.1×1012m3，而在天然气贸易量中有7%是通过LNG的方式来进行的。预计在2040年左右天然气将超过石油和煤炭成为最主要的一次能源[9]。

中国LNG工厂，从20世纪末开始经历了一个从无到有、从小到大的发展过程，近年来我国小型LNG工厂发展迅速，截止到2010年1月，我国已经运营的小型LNG装置有30多座，总规模近100×104m3/d，年产量超过260×104t。另外，在建和拟建设的LNG液化项目还有30座左右，近一两年将陆续投入运行，而且单座容量都有增大的趋势，设计规模介于200×104～300×104m3/d。同时，国家加大了跨国天然气管道和沿海进口LNG接收站的规划建设规模。因此，未来5年，中国无论是管道天然气还是沿海LNG接收站的天然气供应量都会有大幅度的增长[5]。

2 LNG作为航空燃料的发展现状

LNG作为航空燃料的经验最早是通过在航机改型的地面用燃气轮机上使用天然气来获得的，目前世界上几家大的燃气轮机公司，包括GE、Solar、Alstom和Siemens等都推出了可使用双燃料的航机改型燃气轮机。尤其是GE的LM2500型双燃料燃气轮机，是由CF6型航空燃气轮机改型的，该燃气轮机目前总运行时数已经超过了5千万小时。而该型号的航空燃气轮机是B747、B767、MD-11、A-300等主流飞机的动力装置，因此，LNG在地面燃气轮机上的应用已经积累了一定的经验[10]。

NASA从20世纪70年代就已经开展了在专门设计的飞机上使用LNG作为燃料的基础技术研究，并在1980的一份题为“CH4在亚音速运输机上应用研究”的报告中指出使用LNG作为航空燃气轮机的燃料没有技术问题[11]。NASA最近又开展了一项名为SUGAR Freeze(subsonic ultra green aircraft research phase II:N+4 advanced concept development)的研究计划。在该项研究中确认了使用LNG飞机的很多优点，同时也指出将LNG作为航空燃料存在着巨大的挑战[12]。

图3 图-155客货两用机

图4 NK-88发动机

图3所示为世界上第一架以LNG为燃料的飞机，为1989年前苏联的图波列夫航空公司研发的图-155客货两用机[13]，所使用的航空发动机为图4所示的NK-88型发动机。当只用LNG作燃料时，实际飞行距离为2 600 km，同时使用LNG和航空煤油作燃料时为3 300 km。之后又相继发展了图-206、图-330C，经计算采用LNG作为燃料时燃料的经济指标接近于标准值。在1989～1995年前苏联和俄罗斯又为直升机研制了Mi-8TG航空燃气轮机，该直升机进行了长时间的飞行试验[14]。图5所示为NASA和美国空军研究实验室支持的由波音公司设计研究的0009A型翼身融合设计飞机，根据飞机的特点考虑采用LNG作为燃料，在翼身结合处会有较大的空间可用于安装真空LNG储罐，实现LNG和航空煤油的双燃料系统[15]。根据波音公司对运行成本的计算，在短距离运行中使用LNG会使燃料成本降低50%，在长距离运行中使用LNG和航空煤油双燃料可以使燃料成本降低50%以上。

图5 0009A型翼身融合飞机

图6 GE公司申请LNG燃料系统专利

除此以外，航空燃气轮机领域的GE(美国通用电气)公司、RR(英国罗罗)公司，飞机领域的空客公司、波音公司，科研机构的瑞典国防研究院、葡萄牙的阿威罗大学和美国的麻省理工学院都对LNG作为航空燃料表现出了极大的兴趣，并开展了相关的研究。但只有GE公司在2012年和2014年申请的专利介绍了航空燃气轮机应用LNG为燃料时的一些细节(图6)，空客公司进行了使用LNG燃料后燃烧室内反应特性的数值计算，其他的研究机构还未对具体的技术细节进行过报道[15-17]。将LNG作为通用飞机燃料目前还未见相关报道。

3 LNG通用飞机动力系统设计

为促进LNG燃料在通用飞机上的应用，设计了一种以LNG为燃料的通用飞机动力系统，包括燃料供应系统和原动机。燃料供应系统包括LNG储罐、LNG储罐自增压系统、低温燃料气化和气体燃料供应系统，动力系统的原动机采用可使用气体燃料的航空活塞式发动机。

3.1 燃料供应系统

以LNG为燃料的燃料供应系统构成简图如图7所示，包括燃料储存与气化、空气增压与冷却和燃气产生3大部分。图8为燃料供应系统的详细构成。在燃料供应系统中，LNG储罐用于储存低温燃料，LNG储罐的装液过程是通过充液接头和喷淋管的联合使用来完成。LNG储罐内的液位通过液位计将信号传递给信号转换器后可以在显示器上显示，可随时看到LNG储罐内的液位情况。LNG储罐在装液和使用过程中储罐内压力的变化可以通过压力表将信号传递给信号转换器再在显示器上显示出来。同时压力表的信号也用于控制位于充液接头和喷淋管之间的二级安全阀，当LNG储罐内的压力超过设定的安全值后，二级安全阀自动开启，降低LNG储罐内的压力。

图7 系统构成简图

LNG的使用过程是通过过滤器和一系列阀门之间的配合来完成。当飞机需要燃料供应时，出液阀开启，在LNG自增压系统所提供的压力的驱动下，LNG通过过滤器流出LNG储罐，连续流过单向阀、调节阀、过渡保护阀和出液单向阀后进入LNG的气化系统。在单向阀和调节阀之间安装有放空阀和一级安全阀，放空阀可实现紧急情况时手动放空LNG储罐内的气体和液体燃料，一级安全阀在LNG储罐内压力高于安全值时自动开启，降低LNG储罐内的压力。

LNG流出LNG储罐的动力来自于LNG储罐的自增压系统。当LNG储罐内的压力低于增压调节阀设定的压力时，少量的LNG通过增压截止阀和增压调节阀后进入增压汽化器与空气进行热交换，液体变成蒸汽通过三通阀由增压回气管进入到LNG储罐的顶部。当压力等于增压调节阀的压力后，增压调节阀自动关闭，LNG储罐内的压力不再升高。当LNG储罐内的压力高于设定值时，减压调节阀自动开启，LNG储罐内的气体燃料通过增压回气管、增压回气阀、三通阀、减压调节阀、调节阀进入发动机的燃料供应系统，降低LNG储罐内的压力。

图8 燃料供应系统

(1：LNG储罐；2：充液接头；3：放空阀；4：单向阀；5：调节阀；6：出液阀；7：过滤器；8：过渡保护阀；9：出液单向阀；10：LNG汽化器；11：缓冲罐；12：电磁阀；13：天然气滤清器；14：稳压器；15：发动机；16：螺旋桨；17：增压出液截止阀；18：增压调节阀；19：增压汽化器；20：三通阀；21：增压回气管；22：增压回气阀；23：减压调节阀；24：调节阀；25：发动机冷却液出口；26：发动机冷却液入口；27：液位计；28：压力表；29：信号转换器；30：显示器；31：二级安全阀；32：一级安全阀；33：内壁；34：外壁；35：喷淋管)

3.2 动力系统

动力系统采用的航空活塞式发动机可以借鉴车用LNG发动机和航空汽油机的性能要求进行改进。LNG经气化器后转化为气体燃料，且具有较高的着火温度，因此无法依靠压缩点燃，只能采取火花塞点燃。LNG气体首先在混合器里与空气混合成均匀的可燃气体，混合过程通过电子控制系统根据发动机的燃烧特性发出控制指令，由电控调节方式来调节控制天然气量，从而达到发动机所需要的混合比。由电子节气门控制混合器的流量，低压电磁阀切断或者开启进气通道，电控调压器控制天然气的压力，从而达到控制空燃比的目的。进入气缸的可燃混合气在高压电子火花塞的点火下，在气缸内燃烧完成化学能向热力学能的转化，再由航空活塞式发动机产生机械功，带动螺旋桨产生可以推动飞机工作的力。

3.3 需解决的关键问题

燃油系统是飞行器的重要组成部分，在满足燃油供应的同时还应考虑到飞机结构的合理布局，满足飞机的气动特性。同时，新燃料的使用还要考虑到燃料供应系统的构建及发动机动力性能的变化。因此，需要从以下3个方面开展相关的科研工作：

(1)飞机结构布局及气动性能研究。LNG作为低温燃料需要低温储罐储存，储罐体积大，还带有附属部件，LNG储罐的增加会导致飞机重心、结构、气动特性的改变。因此，需要考虑LNG储罐重量的增加对飞机结构布局及气动性能的影响，对飞机结构进行新的设计。

(2)燃料供应系统构建及协调控制。LNG为低温液态储存、气态使用，因此在使用时需要将低温LNG气化为气态，需考虑气化能量的提供、气化过程的控制、低温燃料的输送、燃料流量控制等问题。同时，发动机在启动、停机过程中的工作特性与正常工作存在差别，因此需要对启动、停机过程中的燃料控制方式进行深入的研究。

(3)燃烧特性及发动机动力特性研究。作为一种新的燃料，需要考虑在飞机飞行过程中不同工况下燃料的着火、火焰传播、燃烧效率、尾气排放等燃烧特性，同时还要掌握燃料的改变对发动机动力性能的影响。因此，需要开展应用LNG燃料的航空发动机燃烧特性及动力特性的研究。

4 结论

从燃料的基本物性和燃烧特性出发，对LNG、100LL航空汽油2种燃料进行了比较，对LNG作为航空燃料的可行性进行了论述，并提出了一种可使用LNG为燃料的通用飞机的动力及燃料供应系统。获得的结论如下：

(1)LNG具有热值高、低温储存、气态应用、可燃极限宽、污染物排放低等特点，导致LNG在作为航空燃料时具有燃料消耗量降低、燃烧稳定等优点、同时其安全性及点火性能、污染物排放等均优于航空煤油和航空汽油；质量密度低，在提供相同能量时，应用LNG时所需的油箱体积明显增加；储量大、来源广，价格成本稳定，其燃料成本仅为航空汽油的一半；

(2)我国未来天然气供应量会有大幅度的增长，LNG将成为我国能源发展战略中的一个亮点和绿色能源支柱；

(3)设计了一种以LNG为燃料的通用飞机动力系统结构及燃料供应方式，所提出的系统在技术上是可行的，在环保性和经济性上优势明显，因此可以成为未来通用飞机的一种动力及燃料供应系统。

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(责任编辑：吴萍 英文审校：赵欢)

The LNG power system for general aircraft

LIU Ai-guo,ZHU Yue,LI Peng-chao,CHEN Bao-dong,ZENG Wen,KANG Gui-wen

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The characteristics,development trend and challenges of liquefied natural gas LNG were analyzed for the availability of LNG as an aviation fuel of the general aircraft.The LNG and aviation gasoline were compared and analyzed using a method of horizontal comparison.An LNG power system of general aircraft was designed.The results show that LNG is featured by low density,high calorific value,wide combustible limit,low pollutant emission and low-temperature storage in gas state compared to aviation gasoline.The cost of LNG is only half of that of aviation gasoline,thus LNG has high potential as an aviation fuel.The general aircraft power system proposed is technically feasible and has superiority on environmental protection and economy,and will be a power and fuel supply system in future.

liquefied natural gas(LNG);general aircraft;power system;low emission;economy

2016-07-01

国家自然科学基金(项目编号：51476106)；航空科学基金(项目编号：2014ZB54009)

刘爱虢(1979-)，男，辽宁义县人，副教授，博士，主要研究方向：先进低排放燃烧技术，E-mail:agliu@sau.edu.cn。

2095-1248(2016)06-0028-07

V231.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.06.005