Эмиссия авиадвигателей

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ УЛЬЯНОВСКСКОЕ ВЫСШЕЕ АВИАЦИОННОЕ УЧИШИЩЕ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ (ИНСТИТУТ)

 

 

 

 

 

Кафедра ПАСОП

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

Тема: «Эмиссия авиадвигателей »

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: курсант

Группы П-12-5

Зубанов В.П.

Руководитель: Морозова М.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ульяновск 2012

Содержание

  • эмиссия  авиадвигателей – 3

  • снижение расхода топлива - 4

  • снижение выброса загрязняющих веществ - 6

  • альтернативные виды топлива  - 8
  • переход на экологически чистые технологии - 10

  • выброс загрязняющих веществ в зоне/окрестности аэропорта - 13

  • выброс  загрязняющих  веществ по трассам полета – 14

  • эксплуатационные методы снижения эмиссии двигателей воздушных судов – 15
  • оптимизация операций воздушных судов в аэропортах – 16
  • выбор оптимальной схемы и режимов руления – 17
  • руление на части двигателей – 17
  • режимы выполнения руления до взлета и после посадки - 18

  • применение буксировщика для транспортировки самолета 20

  • совмещение прогрева двигателей с выполнением руления – 21

  • выполнение взлета на номинальном режиме – 21

  • измерения эмиссии двигателей на самолете – 22

эмиссия  авиадвигателей

 

 

   

 

 

Быстрое увеличение объема авиаперевозок, дальности и высоты полета воздушных судов (ВС) потенциально может оказать существенное воздействие  на окружающую среду. Пока эта проблема не является критической и, действуя осмотрительно, мы можем избежать значительных последствий для окружающей cреды, обеспечив одновременно значительный рост авиаперевозок, дающих определенные преимущества экономического развития.

В связи с этим в  последнее время все большее  внимание уделяется снижению загрязнения от двигателей ВС. Значительно снижен выброс загрязняющих веществ от авиадвигателей, ведутся работы по совершенствованию методов контроля загрязнения воздушной среды в результате полетов воздушных судов, разработаны стандарты и рекомендации, направленные на снижение воздействия авиации на окружающую среду и население.

Воздушные суда дают около 1% от общего антропогенного загрязнения. В окрестности аэропортов, где  плотность полетов существенно  больше, доля выбросов от самолетов  может достигать 3 -4% от общего объема выбросов в атмосферный воздух.

При этом на долю авиации  в странах Содружества Независимых  Государств приходится 13,5 процента потребления  топлива (на автомобильном транспорте - 58 процентов, железных дорогах - 21 процент  и судах -7,5 процента).

Относительная величина выбросов различными видами транспорта составляет:

 

относительная величина выбросов различными видами транспорта 

 

 

Обычно различают две  области загрязнения: локального загрязнения - область в зоне и окрестности  аэропорта, где наблюдаются значительные концентрации загрязняющих веществ  и загрязнение на больших высотах  полета, связанное с воздействием их на озоновый слой. Считается, что озоновый слой защищает поверхность земли от жесткого ультрафиолетового излучения.

В отсутствии в настоящее  время стандартов, ограничивающих выброс загрязняющих веществ в верхние  слои атмосферы двигателями воздушных  судов, предложены схемы двигателей, позволяющие добиться практически минимально возможных выбросов загрязняющих веществ от авиадвигателей.

Одновременно ведутся  работы по снижению выбросов эксплуатационными  методами, к числу которых следует  отнести четкую организацию воздушного движения, оптимизацию схем и режимов различных этапов взлетно-посадочного цикла и режимов набора высоты и снижения воздушного судна, выполнение руления воздушного судна на части двигателей и др.

 
 

 

снижение  расхода топлива 

 

 

Снижение расхода топлива представляет собой основное направление, которому следуют все производители и эксплуатанты авиационной техники, затронутые топливным дефицитом. Здесь имеются значительные резервы. Так при среднем значении топливной эффективности 2Ог/пас.-км., достигнутой в настоящее время на современных самолетах, все еще остается в эксплуатации самолет Як-4О, расходующий почти 1ООг топлива на пас.-км.

Снижение выброса загрязняющих веществ двигателями ВС непосредственно  связано с увеличением топливной  эффективности.

Этого можно достичь на двигателе с высокой степенью повышения давления и высокими температурами термодинамического цикла, характерными для двигателей нового поколения, типа ПС-90.

Благодаря этому на таких  двигателях существенно снижен выброс оксида углерода (СО) и углеводородов (НС). Вместе с тем, из-за более высоких температур, реализуемых на таких двигателях, выброс оксидов азота (NОх) увеличен, что  является платой за повышение топливной эффективности двигателя. Последнее  несколько компенсируется за счет сжигания меньшего количества топлива двигателями при большой топливной эффективностью таких двигателей.

Выброс оксидов азота  в стратосферу при полете сверхзвуковых  самолетов и частично дозвуковых самолетов, выполняющих полеты на границе  тропосферы и стратосферы, потенциально связан с изменением содержания озона в верхних слоях атмосферы. Считается, что для двигателей сверхзвуковых транспортных самолетов (СТС) выброс NOх должен быть значительно снижен или последние окажутся экологически неприемлемыми. Предполагается, что такой двигатель будет выбрасывать около 5О г NO на кг сжигаемого топлива и, что возможно, по крайней мере, теоретически, снизить уровни загрязнения до 3-8 г NO на кг сжигаемого топлива. Возможности снижения выброса загрязняющих веществ здесь связаны с появлением двигателей переменного цикла, применением каталитического горения или нейтрализаторов.

Существующие сценарии развития авиации показывают, что  в ближайшем будущем вклад  авиации в общее загрязнение  должен возрасти. Эта проблема является общей для всех стран. Вместе с тем, можно говорить о ряде особенностей, определяющих развитие  отечественной авиации. Это, прежде всего:

§         свертывание промышленного производства в результате экономического кризиса, который переживает в настоящее время Россия, и соответственно значительное падение объема авиаперевозок,  сокращение  выпуска самолетов и двигателей и как результат этого - сокращение  парка самолетов;

§         слабое обновление парка самолетов (двигателей), неоправданно большие устанавливаемые эксплуатационные ресурсы на авиационную технику, вызванные в значительной мере отсутствием новых поставок;

§         низкая топливная эффективность, что в значительной мере определяет высокий уровень выброса загрязняющих веществ и повышенное потребление топлива (расходование природных ресурсов);

§         недостаточно глубокая переработка нефти и соответственно использование более легких фракций авиационных керосинов. При переходе на более тяжелые фракции в будущем уровни загрязнения также возрастут.

За счет более глубокой переработки нефти можно получить значительные резервы топлива. В настоящее время промышленный выход жидкого топлива в нефтеперерабатывающей промышленности в нашей стране составляет 9-1О процентов массы исходного сырья против 3О процентов в других промышленно-развитых странах мира. За счет этого и экономии топлива только за 5 лет  после скачка цен на нефть на мировом рынке США, например, удалось снизить годовое потребление нефти на 2ОО млн. т. при соответствующем снижении нагрузок на экологию.

Вместе с тем, более  глубокая переработка нефти, и соответственно переход на использование в авиации  более тяжелых керосинов, одновременно ведет к дополнительному загрязнению  за счет использования экологически более грязных топлив. Это означает, что характеристики авиационных двигателей для топлив отечественного производства, несколько завышены по сравнению с характеристиками двигателей, работающих на керосинах зарубежного производства.

 
 

 

снижение  выброса загрязняющих веществ 

 

 

Большая часть двигателей воздушных судов отечественного производства, продолжающих широко использоваться в эксплуатации, не подпадает под действие стандарта по выбросам загрязняющих веществ и не подлежит сертификации, а их доработка в эксплуатации обычно затруднена или связана со значительными затратами. К числу таких двигателей, прежде всего, относится самый массовый двигатель, используемый в отечественной авиации  НК-8-2У.

Валовой выброс загрязняющих веществ от двигателей этого типа составляет ежегодно около 180 тыс.т  при общем объеме выброса около 325 тыс.т от всего парка самолетов. При этом в зоне аэропортов этими двигателями выбрасывается ежегодно примерно 40 тыс.т загрязняющих веществ (примерно 24,8 тыс.т СО, 7,7 тыс.т НС и 4,1 тыс.т NOх) и 141,7 тыс.т загрязняющих веществ выбрасывается по трассе полета (из них примерно 82,3 тыс.т NОх).

Доработки, требующие  изменения конструкции двигателя, на уже существующем парке двигателей (самолетов) при значительной  стоимости таких работ требуют значительных затрат времени и средств на их проведение, что в условиях постоянного обновления парка самолетов (двигателей) делают проведение таких работ экономически нецелесообразным.

Вместе с тем, в последнее  время предложены нетрадиционные методы, позволяющие существенно снизить  выброс загрязняющих веществ этим двигателем без существенной его доработки, только за счет перераспределения подачи топлива в I и II контуры двигателя. Удачным решением такого рода являются двигатели НК-8-2У и НК-86МА с модифицированными регуляторами подачи топлива. На таком двигателе снижен выброс НС в два раза и СО - в 1,5 раза по сравнению с двигателем со штатным регулятором топлива. Одновременно на этих модификациях двигателя достигнуто значительное снижение расхода топлива. Двигатель с модифицированным регулятором топлива прошел полный объем испытаний, в том числе и испытания по высотному запуску. Несмотря на значительные преимущества таких двигателей, работы по их внедрению прекращены из-за отсутствия необходимого финансирования.

 

Dp/Ro

уровни выброса  загрязняющих веществ  модифицированными двигателями,  Dp/Ro - масса, отнесенная к взлетной тяге 

 

 

 

альтернативные  виды топлива 

 

 

Проблемы дефицита традиционных видов топлива заставили искать возможности использования альтернативных топлив. Наиболее удобным топливом такого типа является сконденсированная (сжиженная) смесь газов пропана, бутана, пентана и гексана, получившая название «авиационное сконденсированное топливо» (АСКТ). Метан (природный газ, имеющийся в достаточных количествах), обладает несколько худшими с точки зрения использования на летательных аппаратах характеристиками (более низкая температура кипения, меньшая плотность). Однако их применение в авиации требует решения ряда практических задач, связанных с производством, хранением и транспортировкой такого топлива.

Заманчивым является возможность использования в  качестве топлива водорода. Но до сих  пор возможность его применения в авиации остается проблематичной и требует достаточно сложных инженерных решений. При современном уровне технологии это достаточно дорогой носитель энергии: на каждый джоуль энергии, запасенный в водороде, приходится от 4 до 1О Дж, затраченных на его добычу и сжижение. Эта энергия производится на обычных энергетических станциях, использующих то же ископаемое топливо. Считается, что применение сжиженного водорода на транспорте, на достигнутом в настоящее время уровне технологии, не приведет к снижению топливного дефицита. Так как при его получении будет сжигаться больше топлива, и соответственно приведет к увеличению выброса загрязняющих веществ, к тому же водородное топливо само не является достаточно экологически чистым.

По-видимому, использование  водорода в качестве моторного топлива станет возможным только после появления практически неисчерпаемого экологически чистого источника энергии, такого, например, как управляемый термоядерный синтез, реализация которого не ожидается в ближайшем будущем. Энергия, затраченная на производство и сжижение водорода, даже теоретически не может быть меньше запасенной в нем энергии, поэтому приемлемость концепции водородного топлива определяется тем, может ли человечество быть столь расточительным, даже обладая термоядерным синтезом.

Что касается других видов альтернативных топлив, то их внедрение в практику также связано с крупными капиталовложениями на разработку и промышленное освоение принципиально новых технологий.

 
 

 

переход на экологически чистые технологии

 

Недостатки прямого  регулирования в области охраны окружающей среды, сопряженные с чрезмерными затратами на соблюдение требований охраны окружающей среды и создающих отставание в использовании новейших технологий, подчеркивают важность поиска методов, стимулирующих снижение выбросов или затрат, формирование рынка разрешений на загрязнение для управления качеством среды.

Значительное снижение эмиссии двигателей может быть достигнуто техническими решениями, например, за счет более широкого использования  самолетов двух двигательной схемы.

Следует иметь в виду, однако, что многие перспективные технологии, связанные с экологическим совершенствованием авиадвигателей, все еще находятся на стадии конструктивных  проработок и потребуются значительные усилия для того, чтобы их применить.

 
                                                                                                                                                                

 

 

 

число самолетов, шт.

год         

замещение парка  воздушных судов 2-х двигательными  самолетами 

 

 

В то же время эксплуатационные приемы, такие как уменьшение крейсерской  высоты полета или скорости полета, не должны значительно повлиять на улучшение ситуации. К тому же скорость и дальность полета самолета являются основными параметрами, определяющими экономичность самолетов.

Другие оперативные  меры, такие как совершенствование  организации движения воздушных  судов, требуют дополнительного  улучшения управлением воздушным движением. Полученное за счет этого сокращение времени полета связано в первую очередь с уменьшением расхода  топлива.

Проблемы локального уровня, связанные  с загрязнением вблизи аэропортов в  настоящее время достаточно хорошо изучены и практически решаются.

Менее изучены проблемы, связанные с выбросами загрязняющих веществ двигателями воздушных  судов на крейсерских режимах  полета и их последствиями.

Исследование глобального  и трансграничного загрязнения  от авиации позволило выявить  и идентифицировать проблемы, связанные с авиацией и определить меры по предотвращению негативного воздействия авиации.

Выбросы оксидов азота (NO+NO2=NOx) и водяных паров и их накопление в атмосфере ведут к снижению количества атмосферного озона, таким образом, прослеживается связь загрязнения от авиации и состоянием озонового слоя.

Воздействие авиации и особенно сверхзвуковой авиации на верхние  слои тропосферы и нижнюю стратосферу  является предметом интенсивного изучения с начала 70-х годов (CIAP). Программа AESA позволила серьезно продвинуться в  построении моделей загрязнения, включая изучение рынка авиационной техники и технологий. С помощью этих моделей было показано, какие возможные изменения в атмосфере можно ожидать при данных уровнях развития авиационных технологий и использования воздушного транспорта, получены оптимальные решения для воздействия и операций в будущем авиации и возможность избежать разрушительного влияния на атмосферу.

В рамках этих программ рассматривается  область загрязнения от авиации  и природные циклы, связанные с компонентами загрязнения стратосферы для возможных сценариев развития и использования дозвукового и сверхзвукового воздушного транспорта, глобальные изменения в атмосфере и климата, влияние на стратосферный озон, на изменение баланса химических процессов в верхней атмосфере. Важным шагом таких исследований были определение механизма и количественных изменений в атмосфере, идентификация загрязнения от авиации и ее вклада в таких изменениях.

Наибольшее внимание уделяется  выбросам авиацией оксидов азота (NОx), связанных потенциально с возможностью каталитического разрушения озона  в стратосфере.

Вместе с тем эволюция развития авиационных двигателей и  авиационных технологий в последние годы не позволяют рассчитывать на значительное снижение  выброса NОx, связанного с процессами, происходящим в камере сгорания двигателя ВС,  поскольку давление и температура в камере сгорания были подняты, чтобы улучшить топливную эффективность двигателя.

 
 

 

 

 

выброс продуктов полного  сгорания двигателями ВС 

 

Для оценки валового выброса  загрязняющих веществ, от двигателей воздушных  судов в целом, можно воспользоваться  приближенными оценками объемов  выброса продуктов сгорания при полном сгорании нефтяных топлив. Считая, что при полном сгорании 1 кг углеводородного топлива образуется около 3,16 кг CO2, 1,25 кг H2O и 1 кг SO2 , можно оценить получить оценки общего порядка относительно количества выбрасываемых авиационными двигателями загрязняющих веществ.

По более точным расчетам валовой  выброс загрязняющих веществ двигателями  воздушных судов в зоне аэропортов и по трассам гражданской авиации  на внутренних линиях составляет:

 

а)                                          в) 

 

массовый выброс от воздушных судов

в зоне аэропортов а)

и по маршруту полета в), т / год 

 

 

При этом на авиацию приходится от 2 до 3 процентов общего выброса  загрязняющих веществ при сжигании всех видов ископаемого топлива. Основную часть этих загрязнений дает гражданская авиация.

Существующие сценарии загрязнения показывают, что к 2005 году можно ожидать по сравнению с 1990 годом увеличение загрязнения до 3-4 процентов от общего загрязнения. Обращает на себя внимание возрастание доли международных перевозок воздушным транспортом  в России при одновременном падении общего объема воздушных перевозок, характерном для стран с переходной экономикой, в последующем эта тенденция должна сгладиться. 

 

 

        год   относительный рост международных авиаперевозок

 

 

выброс загрязняющих веществ  в зоне/окрестности аэропорта

 

 

Масса выброса загрязняющих веществ в зоне/окрестности аэропорта  для отдельных типов воздушных  судов обычно рассчитывается для  стандартного взлетно-посадочного цикла. Ниже приведены такие данные для  основных типов ВС гражданской авиации:

М,кг

 

  выброс загрязняющих веществ  за взлетно-посадочный  цикл Ту-134 

 

М,кг

           

Ту-154  Ил-62            выброс загрязняющих веществ за взлетно-посадочный цикл Ту-154 и Ил-62  

 

  выброс загрязняющих веществ  двигателем АШ-62ИР (Ан-2)

 

 

выброс  загрязняющих  веществ по трассам полета

 

 

Масса  загрязняющих  веществ, выбрасываемая двигателями ВС по трассам полета, по имеющимся оценкам составляет: 

 

   массовый выброс загрязняющих веществ воздушными судами различных  типов по маршруту полета    

 

Представляет интерес сравнительные данные выброса загрязняющих веществ по трассе полета и в зоне аэропортов. В первом случае преобладают выбросы СО и НС, во втором – выбросы NОx. 

 

М аэрп /М кр (тыс.т) 

                        

CO                 HC                 NOx          

1995    2000    1995    2000    1995    2000     выброс загрязняющих веществ в аэропортах и по маршруту полета 

 

 

  

 

 

 

 

эксплуатационные  методы снижения эмиссии двигателей воздушных судов

 
 

 

 

Возможности снижения эмиссии  двигателей ВС в условиях эксплуатации связаны со снижением расхода  топлива,  сокращением продолжительности отдельных этапов взлетно-посадочных операций в зоне аэропорта, выбором оптимальной схемы и режима руления ВС до взлета и после посадки. Не менее эффективными методами снижения эмиссии двигателей в зоне аэропорта является выполнение руления ВС на части двигателей, ролинг-старт, применение буксировки ВС вплоть до предварительного старта,  осуществление взлета там, где это возможно на номинальном режиме и другие методы. Этими вопросами подробно занимались Карпин Б.Н. и  Минаев И.В.

 
 

 

 

 

оптимизация операций воздушных судов в аэропортах  

 

 

При выполнении взлетно-посадочного  цикла ВС около 8О% от объема загрязняющих веществ выбрасывается на этапе запуска и прогрева двигателей, руления самолета, ожидании взлета.

При осуществлении взлетно-посадочного  цикла вклад этапа руления  самолета в общий уровень загрязнения  составляет около 5О%, при этом более 9О% суммарной массы выброса загрязняющих веществ составляют продукты неполного сгорания. Оптимизация режимов и схем выполнения руления ВС в зоне аэропорта, включая прогрев двигателей и запуск двигателей, позволяет существенно уменьшить загрязнение атмосферного воздуха в окрестности аэропорта.

Вместе с тем выбор  режима на этапах разбега, взлета, набора высоты и захода на посадку обычно ограничен по условиям безопасности. В общем случае при некотором  возможном снижении массы выброса  загрязняющих веществ на этих этапах полета практически не оказывает влияния на концентрацию загрязняющих веществ на поверхности. Исключение может составлять выполнение взлета ВС, когда это позволяет длина ВПП, на номинальном режиме работы двигателей, позволяющем снизить выброс NOx.

Применение взлета  ВС  на номинальном режиме работы двигателей дает существенное снижение выброса оксидов азота (NOх) в зоне  аэропорта. Вместе с тем, использование этого приема возможно только на  некоторых типах ВС при обеспечении безопасности полетов (длина  ВПП,  условия видимости). Такой прием предусматривается руководством по летной эксплуатации некоторых типов ВС с целью увеличения ресурса работы двигателей.

К числу мер по снижению выброса загрязняющих веществ в  зоне аэропорта относится и сокращение времени работы ВСУ (вспомогательная силовая установка).

Важным условием снижения эмиссии двигателей ВС является упорядочение движения ВС в зоне аэропорта и  сокращение времени на выполнение операций.

Выбор схем руления ВС, включая возможность выбора взлетной полосы для взлета и посадки ВС в данном аэропорту, позволяет получить более благоприятное перераспределение загрязнения в зоне аэропорта (в зоне размещения авиапассажиров, аэровокзальном комплексе) и прилегающей к аэропорту населенной местности.

 
 

 

выбор оптимальной схемы и режимов  руления 

 

 

Анализ продолжительности  и режимов работы двигателей ВС в  зоне аэропорта показывает на их существенный разброс, обусловленный организацией и схемами движения ВС в различных  аэропортах. В частности, режимы руления Ил-62М и Ту-154 помимо руления на относительной тяге 7%, регламентируемой стандартом, включают режимы 30% и 25% тяги. Для этих же самолетов характерны повышенные режимы захода на посадку до 40-45% относительной тяги вместо 30% для стандартного цикла. Количество загрязняющих веществ на различных этапах взлетно-посадочного цикла также существено различно.

При выполнении взлетно-посадочного  цикла ВС около 8О% от объема загрязняющих  веществ выбрасывается на этапе запуска и прогрева двигателей, руления самолета, ожидании взлета.

 
 

 

руление на части двигателей 

 

 

Наиболее эффективными приемами уменьшения   массы  выброса загрязняющих веществ в зоне аэропорта является выполнение руления ВС на части двигателей или применение буксировщика для транспортировки самолета. При этом при выполнении руления на части двигателей требуются дополнительные затраты времени для запуска и прогрева двигателей.

Использование первого  приводит к некоторому увеличению режима работы двигателей и соответственно, вследствие особенностей эмиссионных характеристик, к существенному снижению выброса продуктов неполного сгорания и некоторому повышению выброса оксидов азота (NOx). При этом суммарный выброс загрязняющих веществ (количество несгоревших углеводородов (НС), окиси углерода (СО) и окиси азота (NOx) также уменьшается. Так, при рулении самолета Ту-154 на двух двигателях достигается снижение суммарного количества выброса загрязняющих веществ до 27,5%, а при рулении на одном двигателе – до 53%.

Вместе с тем применение руления на части двигателей связано с рядом эксплуатационных трудностей, обусловленных необходимостью прогрева двигателей и контроля их запуска, что иллюстрируют приведенные ниже данные.

 
 

 

режимы  выполнения руления до взлета и после  посадки 

 

режимы руления                                   Ил-62М                                       Ту –154 

 

 

                                               относи-               доля                     относи-                доля                                               

тельная тяга         режима               тельная тяга         режима                                               

двигателя, %        %                          двигателя,%         % 

 

руление до взлета                 7                          95                         7                           86                                               

30                         5                          25                         14

руление после                      7                          95                         7                           87

посадки                                 30                         5                          25                         13 

 

 

 

 

В настоящее время  руление на части двигателей рекомендовано  руководствами по летной эксплуатации (РЛЭ) некоторых типов ВС. Руление  с частью работающих двигателей до взлета требует наличия в близи  исполнительного старта специальных  мест запуска – «карманов», специальным образом оборудованных.

Использование руления  на части двигателей позволяет также  сократить расход топлива.

 

%

эффективность различных эксплуатационных приемов снижения                                                                       

Эмиссия авиадвигателей 📙 Реферат → 🆔 313081

Эмиссия авиадвигателей 📙 Реферат → 🆔 313081

Эмиссия авиадвигателей