Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Технологии экологического менеджмента при эксплуатации воздушных судов. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 103 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Таблица 3.2

Характеристики операций посадка–руление–взлет

Операция взлетно-

посадочного цикла Взлет 1,0 0,7 Набор высоты 0,85 2,2 Заход на посадку 0,30 4,0 Руление (земной малый газ) 0,07 26

Тяга двигателя в долях

от максимального значения

Продолжитель-

ность этапа, мин

Некоторые характеристики операций летательных аппаратов при

выполнении посадки, руления и взлета приведены в табл. 3.2.

3.2. АВИАЦИОННЫЕ ТОПЛИВА И ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ

Авиационные топлива являются результатом высокотемпературной переработки природных углеводородов (процесс крекинга). В двигателях летательных аппаратов происходит молярное изменение рабочей смеси при температурах порядка 2000 К. Конструкция современных силовых установок позволяет достичь практически полного сгорания топлива,

коэффициент полноты сгорания топлива равен 0,99 в режиме крейсерского полета. Исследования атмосферы Земли показали существенное влияние продуктов сгорания авиационных топлив на климат в области воздушных коридоров регулярных авиационных маршрутов, а также на состояние озонового слоя; выявили проблемы нарушения экологии атмосферы диоксидом углерода и парами воды. Состав выбросов двигателей летательных аппаратов

разных производителей различается в зависимости от конструктивных особенностей конкретной силовой установки, метеорологических условий в рассматриваемый момент, организации взлетно-посадочного цикла в аэропорту. Выбросы появляются в результате сгорания топлива в камере сгорания силовой установки летательного аппарата (рис. 3.2). Основное назначение камеры сгорания современного реактивного двигателя: приготовление топливовоздушной

смеси, создание условий для протекания экзотермических химических реакций с целью максимально полного перехода энергии химических связей в другие виды энергии. Необходимость обеспечения оптимальной работы силовой установки обусловила разделение камеры

сгорания на две части: первичную зону и зону разбавления. В первичной зоне происходит смешение топлива и окислителя (воздуха) в пропорции, соответствующей обогащенной смеси.

Рис. 3.2. Схема сгорания авиационного топлива

Несгоревшая часть топлива дожигается в зоне разбавления, где к продуктам реакций первичной зоны подмешивается вторичный воздух. Происходит необходимый процесс охлаждения стенок камеры сгорания, окончательно формируются продукты сгорания, пригодные для функционирования турбин двигателя. В первичной зоне топливо впрыскивается форсунками, создается дисперсная среда, реализуется процесс горения. Устойчивое горение в первичной зоне

обеспечивается малой скоростью смеси. В зоне разбавления скорость многокомпонентного потока увеличивается, его движение продолжается, обеспечивая надлежащую работу турбин (рис. 3.3).

Концентрация ЗВ двигателей летательных аппаратов рассчитывается с помощью обобщенных зависимостей. На рис. 3.4 дано графическое представление усредненного состава газового потока, выходящего из авиационного двигателя в атмосферу при реальном

сгорании топ-

лива.

Типичные зависимости удельных показателей образования ЗВ г/кг топлива и относительной тяги двигателей отечественных летательных аппаратов приводятся к статическим условиям на уровне моря. При конструировании авиационных двигателей стремятся к достижению наиболее полного сгорания топлива, что обеспечивает максимальную

Пары воды 27,6 %

Углеводороды 4 % Сажа 0,2 %

Кислород 11,8 %

Двуокись

углерода

72 %

Азот

75,2%

Остальные продукты сгорания

Продукты сгорания

Рис. 3.3. Усредненный состав газового потока, выходящего из авиацион-

ного двигателя в атмосферу при реальном сгорании топлива

СО – 11,8 %

Двуокись

азота 84 %

дальность полета, экономичность воздушного судна. Минимальное образование окиси углерода и углеводородов наблюдается при наибольшей тяге двигателя, которая применяется на этапе взлета. Исследования химического состава выхлопов ЗВ авиационных двигателей позволили выявить следующие закономерности: удельные выбросы паров воды, углекислого газа, двуокиси серы примерно одинаковы на всех этапах полета средне- и дальнемагистральных

воздушных судов. Образование этой совокупности веществ непосредственно связано с расходом углеводородного топлива. Выбросы других ЗВ определяются множеством факторов, в том числе величиной тяги двигателя на определенном этапе полета. Резкое увеличение концентрации окиси углерода и углеводородов наблюдается при снижении тяги двигателя. В этом случае происходит «недожог» исходных углеводородов

в условиях снижения температуры, давления воздуха перед камерой сгорания, ухудшения процесса распыления топлива.

Проблема выбросов ЗВ двигателями летательных аппаратов при реализации названных режимов полета частично решена в настоящее время: концентрация углеводородов, окиси углерода, других ЗВ до модернизации увеличивалась в сотни раз, сейчас – в единицы раз

(табл. 3.3).

Рис. 3.4. Типичные зависимости удельных показателей образования ЗВ

(г/кг топлива от относительной тяги двигателей R)

В производстве двигателей современных летательных аппаратов предусматриваются технологии для дальнейшего уменьшения негативных последствий режимов полета со сниженной тягой силовых установок.

Таблица 3.3

Характерные значения удельного образования и выброса

в атмосферу продуктов сгорания (г/кг топлива)

для различных режимов работы авиационного двигателя

Продукты

сгорания топлива Углекислый газ 3160 3160 3160 Пары воды 1230 1230 1230 Окись углерода 25(10…65) Менее 1 1…3,5 Углеводороды 4(0…12) Менее 0.5 0,2…1,3 Короткий рейс 4,5(3…6) 32(20…65) 7,99…11,9 Длинный рейс 4,5(3…6) 27(10…53) 11,1…15,4 Двуокись серы 1,0 1,0 1,0

Руление до взлета

и после посадки

Взлет

Крейсерский

полет

Прямо противоположный тип изменения удельных показателей выделения характерен для оксидов азота и его частиц. В режиме полета наблюдается максимальное образование двуокиси азота, в режиме «малого газа» – минимальное. Как известно, скорость реакции между азотом и кислородом с повышением температуры возрастает экспоненциально.

Большая часть азота в двигателе концентрируется в

зоне с наибольшей температурой (предварительного сгорания) до начала разбавления. Пик образования двуокиси азота совпадает с пиком температуры, соответствующим стехиометрическому соотношению топливо/воздух. В потоке горящих веществ реальных двигателей всегда образуются участки, где происходит стехиометрическое горение. Повышенное образование оксидов азота обусловлено недостаточно эффективным смешением воздуха с парами

топлива и неравномерным распределением топлива по объему камеры сгорания. Давление и температура воздуха на входе в камеру сгорания пропорциональны степени сжатия в компрессоре авиадвигателя. Современные тенденции повышения степени сжатия в новых конструкциях двигателей также осложняют проблему ограничения удельных показателей выбросов оксидов азота. Еще один фактор, влияющий на выброс оксидов

азота в атмосферу, – это влажность воздуха. Установлено, что увеличение количества паров воды на 1 % по массе на входе приводит к снижению содержания оксидов азота в отработавших газах авиадвигателя на 25 %. Таким образом, снижение количества образованных в камере сгорания и содержащихся в выбросах ЗВ авиадвигателей оксидов азота является сложной научно-технической задачей современного авиастроения. Ее решение невозможно без принципиальной модернизации устаревших силовых установок, что связано со значительными финансовыми затратами, т. е. проблема остается не решенной до окончания срока эксплуатации и списания таких летательных аппаратов. Интенсивно проводится поиск альтернативных топлив. Перспективным представляется внедрение доступного для широкого применения водородного двигателя, лишенного названных

выше недостатков. Как было сказано, выбросы ЗВ авиадвигателей содержат твердые несгоревшие частицы, содержание которых регламентируется показателем дымности. Число дымности – безразмерная величина, количественно характеризующая выброс дыма (частиц). В материалах ИКАО введено обозначение «SN» – smoke number. Методика измерения заключается в сравнении отражения света стандартным бумажным фильтром

с фильтром, через который прошел определенный объем отобранной пробы газа. На втором фильтре оседают все твердые и жидкие частицы. Уменьшение коэффициента отражения света, выраженное в процентах, называется условным числом дымности (SN). Для справки: степень отражения фильтра, через который пропускаются внешне прозрачные выхлопные газы авиадвигателей, отличается от эталонной на 20…30 %. Основным компонентом частиц

является сажа, которая преимущественно образуется в обогащенной топливом предварительной зоне камеры сгорания. Окисление сажи осуществляется в высокотемпературных областях зоны разбавления и промежуточной зоне. Экспериментально установлена общая схема процесса образования сажи в современном газотурбинном авиадвигателе. Исходными веществами являются парафины и ароматические соединения, которые содержатся в авиатопливе

. Этины и ароматические радикалы образуют жидкие капли с большим С/Н. Далее происходят процессы зарождения частиц сажи и их роста. Образованные маленькие частицы сажи являются нейтральными и заряженными, в результате их агрегатирования формируется сажа, содержащаяся в выхлопе ЗВ авиадвигателями. Характер изменения условного числа дымности (SN) экологически модернизированных авиадвигателей такой

же, как и для оксидов азота: с ростом тяги

число дымности увеличивается (рис. 3.5).

В результате экспериментальных исследований установлено, что дымление достигает максимума в режимах полета, близких к взлетному, а не во время крейсерского полета. Удельный выброс сажи двигателями современного парка воздушных судов – это в среднем 4 г/кг сожженного топлива. Образование сажи

в камере сгорания газотурбинного авиадвигателя, а также влияние на этот процесс ее конструктивных особенностей и других условий горения продолжают оставаться предметом пристального изучения. Создание в конце 1990-х годов измерительных устройств, способных определять теплофизические параметры аэрозолей с недостигаемой ранее точностью, стало революционным шагом в изучении процессов образования

твердых несгоревших частиц в авиадвигателях. Установлено, что наименьший наблюдаемый размер частицы сажи равен 3 нм, распределение размеров твердых частиц носит логарифмически нормальный характер (логарифмы значений случайных величин распределены нормально) с пиком в диапазоне 30…40 нм, кон-

центрация частиц находится в диапазоне 106…107 единиц на

1 см ,

Рис. 3.5. Зависимость числа дымности отработавших газов авиадвигателей

в статических условиях на уровне моря (1 – Boeing 747-300; 2 – AU-25)

удельный выброс частиц сажи составляет от 1012 до 1015 единиц в этом объеме. Разброс зависит от года выпуска и конструктивных особенностей авиадвигателя. В результате исследований удалось существенно снизить выбросы сажи и углеводородов двигателями самолетов. Усовершенствованные ТРДД типа V2500, установленные на воздушных судах А319, А320, А321, выбрасывают на 90…95 % меньше ЗВ, чем

двигатели серии JN3D, имевшие малую степень двухконтурности. В табл. 3.4 приведены характерные значения показателей образования и выброса в атмосферу ЗВ за стандартный ВПЦ ИКАО для турбовентиляторных двигателей CF6-50E2, установленных на Boeing 747-300, который является дальнемагистральным воздушным судном. Выпускался ЛА с 1983 по 1990 гг. и находится в эксплуатации по настоящее время. Взлетный вес составляет более

374 т, наибольшее число пассажиров 660 чел, дальность полета –до 11 700 км. Для выполнения взлета и посадки Boeing 747-300 требуется ВПП длиной более 3 км, что существенно увеличивает этап руления воздушного судна.

В настоящее время проводятся процедуры нормирования загрязне-

ния атмосферы авиадвигателями. В международной практике оценки

воздействия гражданской авиации на окружающую среду характеризуются удельным показателем выброса, который равен массе этого вещества, образовавшегося при сжигании единицы топлива и выброшенного авиадвигателем в атмосферу.

Таблица 3.4

Характерные значения показателей образования и выброса

в атмосферу ЗВ за взлетно-посадочный цикл (ВПЦ) ИКАО

Загрязняющее

вещество

Сажа (SN) 18,8 6,5 12,5 Углеводороды (СхНу), г/кН 19,6 57,8 3,4 Окись углерода (СО), г/кН 118,0 97,3 29,8 Оксиды азота (NOx) г/кН 100,0 58,2 51,6

Требования ИКАО к авиационным топливам

Характеристика

Плотность при 288 К, кг/м3 780…820 Температура выкипания 10 % фракций 100 % фрак-

ций Низшая теплота сгорания (МДж/кг) 42,86…43,50

Ароматические углеводороды (процент к объему) 15…23 Нафталины (процент к объему) 1,0…3,5 Высота некоптящего пламени (мм) 20…28 Водород (процент по массе) 13,4…14,1 Сера (процент по массе) Менее 0,3 Кинематическая вязкость при 253 К (мм2/с) 2,5…6,5

Требования

стандарта

ИКАО

Значения фактического

показателя для двигателя

первоначаль-

ного

усовершенство-

ванного

Таблица 3.5

Допустимый диапа-

зон значений

428…474 508…558

Размерность удельного показателя выброса – один грамм ЗВ на один килограмм топлива (обозначение EI). Исключение – показатель наличия твердых частиц (число дымности). Удельный показатель выброса EI определяется для всех типов авиадвигателей экспериментально по принятой ИКАО стандартной методике. Регламентируются показатели топлива, метеорологические условия (при необходимости производится перерасчет на МСА на уровне моря) (табл

. 3.5).

3.3. ТРЕБОВАНИЯ ИКАО К АВИАЦИОННЫМ ТОПЛИВАМ. МЕТОДИКА РАСЧЕТА УДЕЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ВЫБРОСОВ EI НОРМИРУЕМЫХ ЗВ

Методика определения химического состава и количества ЗВ, выбрасываемых двигателями летательных аппаратов, предполагает два этапа.

Первый этап – отбор проб из нескольких точек, равномерно распределенных по сечению струи отработавших газов в срезе сопла двигателя. Устройство отбора проб (пробоотборник) не должно влиять на характеристики работы двигателя. Для исключения

ошибок, связанных с конденсацией углеводородов и паров воды, пробы газа от газоотборника до системы измерений транспортируются по трубопроводам, прогретым до 423 К.

Второй этап – разделение, идентификация и измерение концентрации ЗВ. В связи с необходимостью измерять очень малые концентрации веществ (до 0.0002 % по массе) применяются только быстродействующие высокоточные методы

экспресс-анализа, основанные на различных физических принципах. Этим определяется уникальность и чрезвычайно высокая стоимость измерительной аппаратуры, требуемой по правилам ИКАО для определения фактических значений показателей выбросов ЗВ двигателями воздушных судов. В результате в мировой практике процессы экспериментальных измерений этих показателей проводятся крайне редко, как правило, в рамках сертификационных испытаний

авиадвигателей, реально эксплуатируемых в гражданской авиации. Экспериментально полученные данные непременно пересчитываются к условиям международной стандартной атмосферы. В соответствии с действующими требованиями ИКАО регламентируется содержание в отработавших газах авиадвигателей оксида углерода, несгоревших углеводородов, оксидов азота, а также показатель (число)

дымности. Имеющиеся официальные сведения об удельных показателях выбросов EI нормируемых ЗВ для всех сертифицированных двигателей занесены в «Банк данных ИКАО по эмиссии выхлопных газов двигателей Doc 9646-AN/943». Форма представления таких данных на примере двигателя ПС-90А приведена в табл. 3.6. В отечественной гражданской авиации для основных типов авиадвигателей и вспомогательных силовых установок

(ВСУ) значения удельных показателей выбросов оксида углерода, несгоревших углеводородов, оксидов азота приведены в Отраслевых методических указаниях по расчету вредных выбросов от авиадвигателей. В РФ используется иная (более подробная) градация режимов работы двигателей (табл. 3.6).

Таблица 3.6

Представление данных об удельных показателях выбросов ЗВ

для отечественного авиадвигателя ПС-90А в официальном

издании «Банка данных ИКАО …» (1995) на русском языке

НАЗВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ PS90A ИДЕНТИФИКАЦИОННЫЙ

IAA005

НОМЕР ТИП ДВИГАТЕЛЯ ТИП ДАННЫХ

ИСТОЧНИК ДАННЫХ

MTF

–

ДАННЫЕ ОБ ЭМИССИИ

–

Режим

ВЗЛЕТ 100 0,7 1,739 0,12 0,35 37,0 – НАБОР ВЫСОТЫ 85 2,2 1,431 0,12 0,40 31,5 – ЗАХОД НА ПОСАДКУ 30 4,0 0,489 0,20 0,90 11,8 – МАЛЫЙ ГАЗ 7 26,0 0,178 0,30 6,9 5,8 –

Режим

тяги

(% f00)

СТЕПЕНЬ ДВУХКОНТУРНОСТИ СТЕПЕНЬ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ РАСЧЕТНАЯ ТЯГА (кН) ДОНОРМИРОВАНИЯ СЕРТИФИКАЦИОННЫЕ УТОЧНЕННЫЕ (см. примечания) ВНОВЬ ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫЕ ДВИГАТЕЛИ

● ДО РЕМОНТА

● ПОСЛЕ РЕМОНТА

ОПЫТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ:

ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СТАНДАРТОВ ДО ВНЕСЕНИЯ ПОПРАВОК; ПОСЛЕ ВНЕСЕНИЯ ПОПРАВОК, УЧИТЫВАЮ-

ЩИХ ОКРУЖАЮЩИЕ УСЛОВИЯ

Время,

мин

Расход

топлива,

кг/с

hc СО NOx

156,9

Индексы эмиссии,

(г/кг)

30,85

Число

дымности

<<< < Предыдущая 1 23 / 103 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]