THE AVIO AERO

PEOPLE’S MAGAZINE

Od listopada, kiedy to GE Aviation Turboprop i Politechnika Czeska(CVUT) w Pradze rozpoczęły program testów demonstracyjnych w zakresie wykorzystania zrównoważonego paliwa lotniczego (SAF) w silniku Catalyst w ramach programu szerszej współpracy technologicznej pomiędzy firmą a czeskimi uczelniami, minęły już miesiące.

SAF to niskoemisyjne paliwa do silników odrzutowych, wytwarzane z olejów roślinnych, alg, smarów, tłuszczów, odpadów, alkoholi, cukrów, wychwyconego CO2 i innych alternatywnych źródeł surowców. Wykorzystując surowce alternatywne zamiast paliw kopalnych, można ograniczyć emisję CO₂ w całym cyklu życia paliwa, w tym podczas jego produkcji.

Testy silnika Catalyst zasilanego paliwem SAF odbyły się w jednym z hal Czeskiego Centrum Badań Aeronautycznych (VZLU), położonego nieopodal głównej siedziby GE Aviation Turboprop; w tej samej hali w 2018 r. przeprowadzono testy pracy silnika z dużą mocą. Na dzień dzisiejszy testy przeprowadzone na 17 egzemplarzach zmontowanych dotąd nowych, opracowanych w Europie zaawansowanych silników turbośmigłowych zajęły już ponad 3000 godzin.

„Ten program badań różni się od programu klasycznych testów wytrzymałościowych” – wyjaśnia Massimo Giambra, starszy inżynier ds. systemów silnikowych w Avio Aero. „Przeprowadzaliśmy na zmianę testy z wykorzystaniem tradycyjnego paliwa Jet-A i testy z użyciem 40% mieszanki SAF. Do tej pory silnik przepracował 30 godzin, z czego 10 wyłącznie na SAF. W kontekście osiągów, zużycia paliwa, mocy i ogólnego zachowania silnika możemy powiedzieć, że jesteśmy bardzo zadowoleni. Według wstępnych wyników, silnik Catalyst reaguje w ten sam sposób na oba paliwa, choć wciąż prowadzimy dogłębne analizy”.

A view of CVUT’s DYNO/CORE test cell at the Czech Aerospace Research Centre VZLU.

Całkowicie nowy silnik, opracowany po ponad 50 latach bez nowych modeli turbośmigłowców, stawia projektantów, techników i inżynierów przed bezprecedensowymi wyzwaniami. Dlatego też silnik Catalyst przechodzi testy certyfikacyjne i rozwojowe, którym inne silniki turbośmigłowe nigdy nie były poddawane.  

W tym przypadku głównym celem demonstracji z wykorzystaniem paliwa SAF było porównanie emisji zanieczyszczeń i dymu pomiędzy tymi dwoma paliwami. „Naszym zadaniem nie było uzyskanie certyfikatu potwierdzającego poziom emisji zanieczyszczeń i dymu, jednak przeprowadziliśmy badania zgodnie z parametrami zrównoważonego rozwoju ekologicznego zdefiniowanymi przez ICAO (Organizacja Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego, część ONZ, red.). Jednym z podstawowych wymogów programu jest ograniczenie emisji zanieczyszczeń i dymu. Już teraz możemy powiedzieć, że dotychczasowe wyniki wskazują na zmniejszenie emisji dymu przy pełnym obciążeniu nawet o 25% przy zastosowaniu tego typu paliwa SAF” – dodaje Fabio Turrini, kierownik ds. projektowania systemów spalania w Avio Aero.

Paliwo SAF zastosowane w silniku Catalyst w pierwszej fazie badań nosi nazwę ATJ (Alcohol To Jet) i jest wytwarzane w procesie przekształcania alkoholu etylowego, przy czym alkohol ten można pozyskiwać na naszej planecie z różnych źródeł odnawialnych, takich jak trzcina cukrowa. „Początkowo zamierzaliśmy stosować paliwo SAF w proporcji 50%, ale aby spełnić międzynarodowe normy certyfikacyjne musieliśmy zmniejszyć jego zawartość do 40%, więc pozostałe 60% stanowi paliwo Jet-A” – mówi Martin Svoboda, kierownik projektu w GE Aviation Turboprop, który wraz z kolegami z politechniki CVUT i zespołami specjalistów uważnie śledził testy silnika.

A graph showing the comparison of non-volatile particulate matter (nvPM) between SAF and traditional fuels.

„Przygotowania do realizacji tego programu badań rozpoczęliśmy już w 2020 r., ale na harmonogram wpłynęła wtedy pandemia” – kontynuuje Svoboda. „Trudność tych testów zaczyna się już na etapie zaopatrzenia tutaj w Europie, ponieważ znalezienie paliwa alternatywnego zajęło nam dużo czasu: wielu dużych producentów nie jest zainteresowanych udostępnianiem swoich zapasów do celów eksperymentalnych, więc znaleźliśmy małego, ale zaawansowanego producenta w Karolinie Północnej (USA) i zamówiliśmy łącznie ponad 2300 litrów paliwa ATJ”.

Łatwo sobie wyobrazić, jak delikatnie trzeba obchodzić się z takimi substancjami, dlatego w naszym praskim biurze – oprócz zespołów ds. inżynierii, zarządzania programem, badań i zaopatrzenia – powołaliśmy także zespół ds. ochrony środowiska, zdrowia i bezpieczeństwa oraz zatrudniliśmy wyspecjalizowanego dostawcę zewnętrznego. Wykonywane przez nas operacje obejmowały transport, wykorzystanie, przechowywanie i cyrkulację dwóch rodzajów paliwa w rurociągach zaawansowanej celi testowej zwanej „celą testową DYNO”.

„Ocena działania paliwa SAF, jak również jego wpływu na emisję spalin, zanieczyszczenie powietrza i zdrowie ludzi, wymaga dokładnego przygotowania, zaprojektowania i przeprowadzenia testów, tak aby można było oddzielić wpływ paliwa od niezliczonej ilości innych oddziaływań” – mówi Michal Vojtisek, profesor inżynierii mechanicznej na Politechnice w Pradze i „nadworny alchemik”. Prof. Vojtisek, ekspert w dziedzinie paliw, spalania i emisji, był jednym z pionierów pomiarów emisji zanieczyszczeń przez pojazdy naziemne w latach 90. ubiegłego wieku, i zdobywał doświadczenie również w Stanach Zjednoczonych.

The testing specialists teams inside the control room during an engine run.

„Wybierając oprzyrządowanie i sekwencję badań do tego programu, opieraliśmy się na naszym doświadczeniu w testowaniu pojazdów, a także na najnowszych osiągnięciach w zakresie testów emisji silników lotniczych. Przeprowadziliśmy cyfrową analizę spalin pod kątem różnych substancji zanieczyszczających, w tym gazów cieplarnianych, takich jak CO₂, metan i N₂O, reaktywnych form azotu, stężenia sadzy nielotnej, rozkładu wielkości i całkowitej liczby cząstek oraz całkowitej liczby cząstek nielotnych” – wyjaśnia prof. Vojtisek. Wraz z nim pracuje zespół przeszkolonych 10 techników i badaczy CVUT specjalizujących się w dziedzinach kluczowych dla badań nad wpływem emisji na klimat i zdrowie.

Może się to wydawać oczywiste, ale możliwość dokładnego filtrowania, analizowania i pomiaru strumienia gazu to dość skomplikowana operacja. System rurociągów w hali testowej jest wyposażony w czujniki, podobnie jak rury wydechowe: „układ, który mamy w hali, jest na tyle elastyczny, że można go dostosować do określonego typu testów w stosunkowo krótkim czasie. Ponieważ pozyskanie SAF jest dość trudne, a wszystko musi działać prawidłowo już od pierwszego uruchomienia, możliwości jest niewiele. Testy miały na celu realistyczną ocenę emisji gazów i cząstek stałych przy spalaniu SAF w porównaniu do konwencjonalnego paliwa JET A-1”.

Ściśle współpracujące ze sobą zespoły firmy i politechniki, badające i wdrażające bardziej zrównoważone rozwiązania przy jednoczesnym zachowaniu wysokich parametrów eksploatacyjnych zupełnie nowego silnika, mają przed sobą kolejny krok. „Dążymy do jak najszybszego rozpoczęcia użycia w silniku tylko paliwa SAF – bez mieszania go z konwencjonalnym paliwem lotniczym” – mówi Svoboda. „Tym razem szukamy również dostawcy SAF, który wesprze nasz program testów. Byłoby miło, gdyby pochodził z Europy, jak nasz silnik Catalyst”.