Тема : Оцінка рівня емісії авіадвигунів 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Тема : Оцінка рівня емісії авіадвигунів



Лабораторні роботи №

Тема: Оцінка рівня емісії авіадвигунів

Мета: Ознайомитися з проблемою забруднення навколишнього середовища авіатранспортом; засвоїти методику оцінки рівня емісії авіадвигунів

Теоретична частина

Авіація – це екологічно небезпечна галузь господарювання країни (оскільки в процесі діяльності цієї галузі відбувається забруднення навколишнього середовища та шкідливий вплив на людей).

Повітряні судна забруднюють атмосферу викидами шкідливих речовин з відпрацьованими газами авіаційних двигунів. Гази викидаються в атмосферне повітря соплами і вихлопними патрубками двигунів. Цей процес називають емісією авіаційних двигунів.

Склад відпрацьованих газів (інгредієнтів), які забруднюють атмосферу, сучасних авіаційних двигунів (пальне – гас):

1. Монооксид вуглецю – CO (чадний газ);

2. Вуглеводні, які не повністю згоріли – СxНy (метан СН4, ацетилен С2Н2, етан С2Н6, бензол С6Н6 та ін.)

3. Альдегіди (формальдегід НСНО, акролін СН2=СН=СНО, оцтовий альдегід СН3СНО та ін.) (виділяється у невеликих кількостях).

4. Оксиди азоту NOx.

5. Оксиди сірки SOx (виділяється невелика кількість).

6. Бенз<а>пірен (канцерогенна речовина) – виділяється у кількості 2...4 мг за 1 хв роботи двигуна (при тому, що допустимий рівень забруднення – 0,0001мг на 100м2 площі).

7. Сажа (дрібнодисперсні частинки чистого вуглецю) – виділяється у вигляді шлейфу за соплами двигунів під час зльоту літака, (сажі виділяється загалом небагато).

Оскільки літаки в процесі роботи переміщуються з одного місця в інше (з аеропорту в аеропорт), то атмосфера забруднюється в глобальних масштабах, тобто забруднення має місце як в зонах аеропортів, так і на трасах польоту.

За 1 рік сучасний трансконтинентальний лайнер може виконувати до 300 зльотів і посадок. При цьому тільки за 1 добу (в середньому) двигунами авіалайнера в атмосферне повітря викидається близько 3,7 т CO, 2 т СxНy і 1,7 т NOx (статистика 80-х років).

Тобто, має місце значне забруднення атмосфери. Причому, якщо на трасах польоту (на висоті 8-12 км) шкода від цього забруднення невелика, то в зоні аеропорту не рахуватися з таким забрудненням не можна. Дослідження в деяких аеропортах світу показали, що забруднення атмосферного повітря значно перевищувало допустимий рівень. Наприклад:

Аеропорт Лос-Анджелес, забруднення CO:

45% на рік – концентрація CO складала 14,5 мг/м3;

1 день в місяць – концентрація CO сягала 25 мг/м3;

1 день в рік – концентрація CO складала 35,5 мг/м3.

При тому, що ГДКСО = 5 мг/м3.

Аеропорт Шереметьєво, забруднення NOx (оксидами азоту):

Зимово-весняний період - 3,1 мг/м;

Літній період - 4,0 мг/м.

При тому, що ГДКNOx =0,085 мг/м3.

Оскільки кожний розроблений двигун (для літаків) перед запуском у серійне виробництво проходить серію випробувань (сертифікацію), серед яких є дослідження на екологічну безпечність, тому Міжнародна організація цивільної авіації (ІКАО) розробила жорсткі норми на емісію авіаційних двигунів.

Кількісною характеристикою викидів шкідливих речовин авіаційними двигунами є індекс емісії ЕІ, який показує, скільки грамів даної шкідливої речовини викидається в повітря при спалюванні 1 кг пального в двигуні. Тобто, [ЕІ=г/кг] і існують ЕІСО, ЕІСхНy, EINOx і т. ін.

Надалі, як приклад, будемо розглядати тільки ці три інгредієнти, оскільки вони найбільше забруднюють атмосферу, тому що викиди їх найвищі.

ЕІ характеризує якість організації процесу згорання в камері згорання кожного зразка двигуна і тому пов’язаний з конструктивними і експлуатаційними характеристиками камери. Тому ЕІ часто називають емісійною характеристикою двигуна.

Індекси емісії визначаються в процесі їх сертифікаційних випробувань. Вміст інгредієнтів CO та СХНУ у відпрацьованих газах авіадвигунів обумовлений неповним згоранням палива в двигуні, а цей процес, в свою чергу, залежить від характеристики його параметрів згорання, тобто, величини коефіцієнта повноти згорання ή та режиму роботи двигуна.

Максимальна повнота згорання палива в двигуні має місце на злітному режимі (режимі максимальної тяги двигуна). На цьому режимі сучасні двигуни мають ή=0,97...0,99, (ή=1,0 при абсолютно повному згоранні, чого в дійсності досягнути неможливо). На всіх інших режимах ή нижча, тобто, повнота згорання менша, (ή=0,75...0,85), у двигуна в атмосферу викидається більше продуктів неповного згорання (CO, CxHy та інших), і, відповідно, забруднення повітря збільшується.

Вміст інгредієнта NOx у відпрацьованих газах авіадвигуна залежить від:

- величини температури суміші в камері згорання (чим вона вища, тим більше утворюється NOx), а вона максимальна (2500...3000 К) на злітному режимі;

- часу перебування суміші в камері згорання (чим він більший, тим більше утворюється NOx), а це має місце на невеликих швидкостях літака.

Тобто, максимальний викид NOx має місце на злітному режимі двигуна і режимах, близьких до нього (при здійсненні зльоту літака і при наборі ним висоти польоту).

Під зоною аеропорту розуміють простір, обмежений висотою 1000 м і розмірами аеродрому.

Очевидно, що викид шкідливих речовин (тобто, емісія авіадвигуна) залежить від режиму його роботи і тривалості роботи на цьому режимі.

Таблиця 1

Практична частина

В зоні аеропорту повітряне судно здійснює злітно-посадковий цикл, який складається з таких етапів:

1. Запуск і прогрівання двигунів.

2. Руління на виконавчий старт.

3. Зліт.

4. Набирання висоти (1000 м).

5. Зниження з висоти (1000 м).

6. Пробіг.

7. Руління до зупинки двигунів.

Проте двигуни на кожному з цих етапів працюють також на принципово різних режимах. Тому, для зручності розрахунку, розділимо злітно-посадковий цикл повітряного судна на два види операцій:

- наземні операції (Мін);

- злітно-посадкові операції (MіЗ-П). Тобто

, кг

Наземні операції – це запуск двигунів, їх прогрівання, руління корабля перед зльотом і після посадки.

Головною характеристикою цих операцій (з точки зору розрахунку емісії авіадвигунів) є те, що двигуни повітряного корабля працюють на одному режимі - режимі малого газу (холостого ходу) – і за часом це самі тривалі операції в зоні аеропорту.

Визначення маси шкідливих інгредієнтів від одного двигуна ПК під час наземних операцій ведеться за формулою:

 

, кг

де Кін – коефіцієнт викиду і-того інгредієнта під час наземних операцій, (табл. 2).

Очевидно, що Кін∙10-3 = ЕІ, г/кН. Тобто, це той же індекс емісії.

GПн – маса пального, витраченого двигуном повітряного судна під час наземних операцій злітно-посадкового циклу

GПнпитМГRМГ tМГ, кг

де СпитМГ – питома витрата пального під час роботи двигуна на режимі малого газу, (табл. 2);

RMГ – тяга двигуна на режимі малого газу

RMГ = Ro· , Н

де Ro – максимальна тяга двигуна, Н (табл. 2), – відносна тяга двигуна на режимі малого газу;

tMГ – час роботи двигуна на режимі малого газу за злітно-посадковий цикл, год (режими 1,5 – табл. 1).

Операції зліт-посадка – це зліт, набирання висоти 1000 м, зниження з висоти 1000 м і посадка.

В цьому випадку для розрахунку емісії авіадвигунів повітряного судна, яке знаходиться в повітрі, емісійною характеристикою є масова швидкість емісії Wі, , (а не індекс емісії), яка показує, скільки даної шкідливої речовини виділяється на даному режимі роботи двигуна за одиницю часу. Wі також визначається під час сертифікаційних випробувань двигуна (див. табл. 3).

Визначення маси шкідливих інгредієнтів від одного двигуна ПК під час злітно посадкових операцій ведеться за формулою:

= Wі1Т1З-П В +Wі2Т2З-П+Wі3Т3З-П, кг

де Wі 1,2,3 – масова швидкість емісії інгредієнтів і при відповідних режимах роботи двигуна – на зльоті, під час набору висоти 1000 м і під час зниження з висоти 1000 м, .

Т1,2,3 – час роботи двигуна, відповідно, на зльоті, під час набору висоти 1000 м та зниження з висоти 1000 м (див. табл. 1).

На основі отриманої маси забруднюючої речовини від одного двигуна ПК , розраховують контрольний параметр емісії двигуна (де Mі маса забруднюючої речовини, що викидається одним двигуном ПК, г/год; Ro – злітна тяга двигуна, кН) і порівнюють його з нормативним контрольним параметром емісії відповідно до вимог ІСАО.

Визначення Міап (маси шкідливих інгредієнтів, які утворюються внаслідок викиду авіадвигунами в зоні аеропорту), ведеться за формулою:

,

N – річна кількість зльотів-посадок усіх повітряних кораблів даного типу в аеропорту;

n – кількість двигунів ПК.

 

ПРИКЛАД РОЗРАХУНКУ

 

Розрахувати контрольні параметри емісії двигунів Д-30КУ літака ІЛ-62М за інгредієнтами CO і NOx і зробити висновок про відповідність цих двигунів сучасним вимогам ІСАО.

Вихідні дані:

Тяга двигуна Д-30КУ: Ro = 103 kH (табл. 2);

Кількість двигунів – 4, кількість рейсів на рік – 85 (табл. 3).

Питома витрата пального двигуном Д-30КУ: Спит. МГ = 0,065 (табл. 2)

Коефіцієнт викиду забруднюючої речовини під час наземних операцій:

KCO = 0,0546 кгінгр/кгп; KNOx = 0,0054 кгінгр/кгп (табл. 2).

Масові швидкості емісії забруднюючих речовин при відповідних режимах роботи двигуна:

W 1CO=6 кг/год; W 2CO=7,5 кг/год; W 3CO=18 кг/год;

W 1NOx=89 кг/год W 2NOx=61 кг/год, W 3NOx=11 кг/год (табл. 3).

Тяга двигуна на режимі малого газу RMГ = Ro· = 103·0,07 = 7,2кН = 7200 Н

Режимні наробки двигуна: tMГ =15+7=22 хв = 0,367 год.

Т13.П=0,7 хв. = 0,0117 год. Т2 З-П = 2,2 хв = 0,0367 год. Т3З-П = 4 хв = 0,067 год.

Тоді витрата пального на режимі малого газу: GПн = СпитМГRМГ tМГ = 0,065*7200*0,367= 171,756 кг

При наземних операціях:

Маса СО, що викидається одним двигуном ПК: Мсон = 0,1546*171,756=9,378 кг;

Маса СО, що викидається ПК за рік: Мсон = 9,378·85·4 = 3188,5 кг/рік.

Маса NOx, що викидається одним двигуном ПК: MNOx н = 0,0054 ·171,756=0,927 кг;

Маса NOx, що викидається ПК за рік: MNOx н = 0,927·85·4 = 315,2 кг/рік.

При злітно-посадкових операціях:

Маса СО, що викидається одним двигуном ПК: МСО З-П = 6·0,0117+8,8·0,0367+16·0,067 =1,465кг;

Маса СО, що викидається ПК за рік: МСО З-П = 1,465·85·4 = 498 кг/рік.

Маса NOx, що викидається одним двигуном ПК: MNОх З-П = 89·0,0117+53·0,0367+16·0,067 = 4,06 кг;

Маса NOx, що викидається ПК за рік: 4,06·85·4 = 1380,4 кг/рік.

Сумарні значення для операцій в зоні аеропорту:

Маса СО, що викидається одним двигуном ПК: МСО =9,378 + 1,456 = 10,843 кг;

Маса СО, що викидається ПК за рік: МСО АП = 3188,5 + 498 = 3686,5 кг/рік.

Маса NOx, що викидається одним двигуном ПК: MNОх = 0,927 + 4,06 = 4,987 кг

Маса NOx, що викидається ПК за рік: MNОх АП = 315,2 + 3686,5 = 4001,7 кг/рік.

Контрольні параметри емісії та порівнюємо з нормами ICAO для СО та NOX: .


Таблиця 2

Індекси емісій СО і NO2 під час наземних операцій авіадвигунів різних типів

(кілограм шкідливої речовини/кілограм палива)

№ варіанта Тип ПК Макси-мальна тяга двигуна R0, кН Тип авіадвигуна Кіль-кість двигу-нів, n CПВИТМГ, кг/Н·год Коефіцієнт викиду під час наземних операцій, k
СО NO2
  Ту-134   Д-30-П   0,059 0,0276 0,0067
  Як-42   Д-36   0,037 0,0193 0,0084
  Ту-154М   Д-30КУ   0,049 0,0546 0,0054
  Іл-62М   Д-30КУ   0,049 0,0546 0,0054
  Іл-76   Д-30КП   0,049 0,0546 0,0054
  Ту-154А   НК-8-2У   0,061 0,0312 0,0049
  Ту-154Б   НК-8-2У   0,061 0,0312 0,0049
  Іл.-62   НК-8-4   0,046 0,0277 0,0055
  Як-40   АІ-25   0,039 0,1457 0,0022
  Як-40   АІ-25 з бездимною камерою згорання   0,039 0,0814 0,0146
                 

 

Таблиця 3

Масові швидкості емісії СО і NOх двигунів

Лабораторні роботи №

Тема: Оцінка рівня емісії авіадвигунів

Мета: Ознайомитися з проблемою забруднення навколишнього середовища авіатранспортом; засвоїти методику оцінки рівня емісії авіадвигунів

Теоретична частина

Авіація – це екологічно небезпечна галузь господарювання країни (оскільки в процесі діяльності цієї галузі відбувається забруднення навколишнього середовища та шкідливий вплив на людей).

Повітряні судна забруднюють атмосферу викидами шкідливих речовин з відпрацьованими газами авіаційних двигунів. Гази викидаються в атмосферне повітря соплами і вихлопними патрубками двигунів. Цей процес називають емісією авіаційних двигунів.

Склад відпрацьованих газів (інгредієнтів), які забруднюють атмосферу, сучасних авіаційних двигунів (пальне – гас):

1. Монооксид вуглецю – CO (чадний газ);

2. Вуглеводні, які не повністю згоріли – СxНy (метан СН4, ацетилен С2Н2, етан С2Н6, бензол С6Н6 та ін.)

3. Альдегіди (формальдегід НСНО, акролін СН2=СН=СНО, оцтовий альдегід СН3СНО та ін.) (виділяється у невеликих кількостях).

4. Оксиди азоту NOx.

5. Оксиди сірки SOx (виділяється невелика кількість).

6. Бенз<а>пірен (канцерогенна речовина) – виділяється у кількості 2...4 мг за 1 хв роботи двигуна (при тому, що допустимий рівень забруднення – 0,0001мг на 100м2 площі).

7. Сажа (дрібнодисперсні частинки чистого вуглецю) – виділяється у вигляді шлейфу за соплами двигунів під час зльоту літака, (сажі виділяється загалом небагато).

Оскільки літаки в процесі роботи переміщуються з одного місця в інше (з аеропорту в аеропорт), то атмосфера забруднюється в глобальних масштабах, тобто забруднення має місце як в зонах аеропортів, так і на трасах польоту.

За 1 рік сучасний трансконтинентальний лайнер може виконувати до 300 зльотів і посадок. При цьому тільки за 1 добу (в середньому) двигунами авіалайнера в атмосферне повітря викидається близько 3,7 т CO, 2 т СxНy і 1,7 т NOx (статистика 80-х років).

Тобто, має місце значне забруднення атмосфери. Причому, якщо на трасах польоту (на висоті 8-12 км) шкода від цього забруднення невелика, то в зоні аеропорту не рахуватися з таким забрудненням не можна. Дослідження в деяких аеропортах світу показали, що забруднення атмосферного повітря значно перевищувало допустимий рівень. Наприклад:

Аеропорт Лос-Анджелес, забруднення CO:

45% на рік – концентрація CO складала 14,5 мг/м3;

1 день в місяць – концентрація CO сягала 25 мг/м3;

1 день в рік – концентрація CO складала 35,5 мг/м3.

При тому, що ГДКСО = 5 мг/м3.

Аеропорт Шереметьєво, забруднення NOx (оксидами азоту):

Зимово-весняний період - 3,1 мг/м;

Літній період - 4,0 мг/м.

При тому, що ГДКNOx =0,085 мг/м3.

Оскільки кожний розроблений двигун (для літаків) перед запуском у серійне виробництво проходить серію випробувань (сертифікацію), серед яких є дослідження на екологічну безпечність, тому Міжнародна організація цивільної авіації (ІКАО) розробила жорсткі норми на емісію авіаційних двигунів.

Кількісною характеристикою викидів шкідливих речовин авіаційними двигунами є індекс емісії ЕІ, який показує, скільки грамів даної шкідливої речовини викидається в повітря при спалюванні 1 кг пального в двигуні. Тобто, [ЕІ=г/кг] і існують ЕІСО, ЕІСхНy, EINOx і т. ін.

Надалі, як приклад, будемо розглядати тільки ці три інгредієнти, оскільки вони найбільше забруднюють атмосферу, тому що викиди їх найвищі.

ЕІ характеризує якість організації процесу згорання в камері згорання кожного зразка двигуна і тому пов’язаний з конструктивними і експлуатаційними характеристиками камери. Тому ЕІ часто називають емісійною характеристикою двигуна.

Індекси емісії визначаються в процесі їх сертифікаційних випробувань. Вміст інгредієнтів CO та СХНУ у відпрацьованих газах авіадвигунів обумовлений неповним згоранням палива в двигуні, а цей процес, в свою чергу, залежить від характеристики його параметрів згорання, тобто, величини коефіцієнта повноти згорання ή та режиму роботи двигуна.

Максимальна повнота згорання палива в двигуні має місце на злітному режимі (режимі максимальної тяги двигуна). На цьому режимі сучасні двигуни мають ή=0,97...0,99, (ή=1,0 при абсолютно повному згоранні, чого в дійсності досягнути неможливо). На всіх інших режимах ή нижча, тобто, повнота згорання менша, (ή=0,75...0,85), у двигуна в атмосферу викидається більше продуктів неповного згорання (CO, CxHy та інших), і, відповідно, забруднення повітря збільшується.

Вміст інгредієнта NOx у відпрацьованих газах авіадвигуна залежить від:

- величини температури суміші в камері згорання (чим вона вища, тим більше утворюється NOx), а вона максимальна (2500...3000 К) на злітному режимі;

- часу перебування суміші в камері згорання (чим він більший, тим більше утворюється NOx), а це має місце на невеликих швидкостях літака.

Тобто, максимальний викид NOx має місце на злітному режимі двигуна і режимах, близьких до нього (при здійсненні зльоту літака і при наборі ним висоти польоту).

Під зоною аеропорту розуміють простір, обмежений висотою 1000 м і розмірами аеродрому.

Очевидно, що викид шкідливих речовин (тобто, емісія авіадвигуна) залежить від режиму його роботи і тривалості роботи на цьому режимі.

Таблиця 1



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-01-26; просмотров: 147; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 44.205.3.18 (0.075 с.)