СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ПРИЗЕМНОЙ ЗАГАЗОВАННОСТИ ОТ РАБОТАЮЩИХ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ САМОЛЕТОВ
METHOD OF REDUCING GAS POLLUTION FROM RUNNING AIRCRAFT ENGINES

Изобретение относится к аэродромному оборудованию и может быть использовано для улучшения экологического состояния окружающей среды вблизи аэродрома.
Известны способы изменения направления воздушных струй с помощью устанавливаемых на пути этих струй различных экранов в виде плоских или изогнутых стенок, дефлекторов, насыпных холмов и т.п. (см., например, Б.Н.Юдаев и др. «Теплообмен при взаимодействии струй с преградами»; Москва, изд. «Машиностроение», 1977, с.59-65), причем происходящие в струях процессы и их взаимодействие при распространении в произвольно ориентированном относительно струи потоке, при соударении и взаимном пересечении струй; при распространении свободных и ограниченных, сильно закрученных струй, при взаимодействии струй с твердыми телами, в частности, при струйном обтекании тел, а также при воздействии струи на преграду исследованы (см., например, Л.А.Вулис и В.П.Кашкаров. «Теория струй вязкой жидкости», Москва, изд. «Наука», 1965, с.350-378).
Однако, поскольку указанные в аналогах конструкции экранов неподвижны и могут располагаться лишь в конце взлетно-посадочной полосы или за ее пределами, использование известных способов не обеспечивает в достаточной мере снижение концентрации вредных веществ от работающих авиадвигателей самолетов.
Аналогом-прототипом является способ уменьшения воздействия струй на поверхность (см., например, «Теория тепломассообмена», под ред. А.И.Леонтьева. Москва, изд. «Высшая школа», 1979, с.302) посредством установки преград путем вдува воздуха или впрыска жидкости через участки этой поверхности.
Недостатком прототипа является невозможность эффективного уменьшения загазованности от работающих авиадвигателей самолетов, так как предусмотренная таким способом установка используемых для применения способа средств не обеспечивает снижения концентрации вредных веществ в течение всего взлетно-посадочного (рабочего) цикла.
Задача настоящего изобретения состоит в снижении концентрации вредных веществ от движущихся, взлетающих и идущих по полосе после посадки самолетов за счет изменения направления многоструйного течения продуктов сгорания от работающих авиадвигателей и увеличения интенсивности перемешивания с окружающим воздухом или их нейтрализации в течение всего взлетно-посадочного (рабочего) цикла, то есть на всех участках нахождения самолета на аэродромной полосе.
Сущность изобретения состоит в том, что в способе уменьшения приземной загазованности от авиадвигателей самолетов, включающем изменение направления истечения газовых струй работающих авиадвигателей на этапах движения самолетов по аэродромной полосе и увеличение перемешивания истекающих газов и/или изменение плотности потока истечения газовых струй с окружающим воздухом и концентрации вредных веществ за счет установки на пути истечения газовых струй преград, при установке преград организуют вихревое вертикальное суммарное течение газовых струй от авиадвигателей, при этом преграду выполняют или путем использования экрана, устанавливаемого с возможностью его эквидистантного относительно направления движения самолета перемещения, или путем вдува воздуха, или нейтрального газа, или смеси воздуха с нейтральным газом, или жидкости, например воды, причем вдув осуществляют через отверстия в покрытии полосы, по которой движется самолет, поперек или навстречу направлению истечения газовых струй от авиадвигателей самолета.
2
При этом экран выполняют в виде отбойника, содержащего обеспечивающий форму выполнения экрана каркас, закрытый сплошным или перфорированным термостойким материалом, например армированной синтетической тканью, или высокотемпературной тканью НТ-650, или сетчатой с капроном тканью, а каркас выполняют в форме параболы, соответствующей условию у=2р x, где у - ордината параболы, x - абсцисса, направление которой выбирают совпадающим с осью набегающего потока, p=(10÷100) - коэффициент, величину которого выбирают в зависимости от мощности истечения газовых струй.
Кроме того, материал для закрывания каркаса выполняют гофрированным, каркас закрепляют на передвижном основании на жестких выдвижных стойках, а перемещение каркаса осуществляют с помощью подвижного устройства аэродромного оборудования, например спецавтомобиля.
0
0
0
0
0
0
При этом высоту каркаса выбирают в соответствии с условием Н≈(5÷7)d, где Н - высота каркаса, d - диаметр выходного сечения сопла авиадвигателя, нижний край каркаса устанавливают над поверхностью взлетной полосы на расстоянии h≈0,25 d, где обозначение d соответствует приведенному ранее, а экран помещают перпендикулярно оси истечения газовых струй самолета на расстоянии L≈(100÷150)d от плоскости выходных сечений сопел авиадвигателей, где обозначение d соответствует приведенному ранее.
2
0
0
Кроме того, отверстия для вдува в покрытии полосы, по которой движется самолет, располагают рядами, причем каждый ряд выполняют перекрывающим эту полосу по ширине и по образующей в форме параболы, соответствующей условию у=±2р x, где обозначения соответствуют приведенным ранее, а знаки «+» или «-» соответствуют форме ряда, связанного с направлением движения самолета по полосе, а ряды отверстий располагают на расстоянии L≈(100÷150)d, где обозначение d соответствует приведенному ранее, при этом диаметры отверстий выполняют равными (25÷50) мм, а центры отверстий выполняют на расстоянии (100÷150) мм друг от друга, причем на полосе, по которой движется самолет, выполняют от 2 до 10 рядов отверстий вдоль полосы, причем каждый ряд выполняют состоящим из 2÷5 эквидистантно расположенных полосок этих отверстий, при этом соответствующий вдув осуществляют последовательно из каждого ряда отверстий по мере прохождения этих рядов самолетом с последующим отключением вдува из соответствующего ряда отверстий после удаления от него самолета на расстояние (3÷5)L, где обозначение L соответствует приведенному ранее.
Техническим результатом использования предлагаемого способа является обеспечение эффективного уменьшения концентрации вредных веществ в приземном слое за счет выноса вверх и закручивания истекающих от авиадвигателей газовых струй, а также за счет их интенсивного перемешивания с воздухом в получаемом при этом вертикальном вихревом газовоздушном потоке.
Таким образом, формирование возникающего вихревого вертикального течения при взаимодействии газовых струй с экраном параболического типа на определенном экспериментально установленном расстоянии позволяет эффективно выводить продукты сгорания из зоны работы авиадвигателей самолета и тем самым существенно уменьшить загазованность окружающей аэропорт местности.
Взаимодействие струй при их истечении из нескольких установленных в один ряд вблизи друг от друга сопел носит сложный характер и в начальном сечении представляет течение, схожее с истечением струй из прямоугольных сопел с соотношением сторон:
0
0
0
Δ=[t(n-1)+d]/d, где Δ - величина соотношения сторон прямоугольника, t - расстояние между осями сопел, d - диаметр выходного сечения сопла, n - число сопел.
Аналогичный эффект наблюдается и при движении турбулентных струй, истекающих из соответствующего ряда авиадвигателей, при работе которых происходит подсос окружающего воздуха и внутри и на границах струй возникает ряд вихревых течений (см., например, «О явлении поперечного вихреобразования в дозвуковых струях, истекающих в сносящий поток». Ученые записки ЦАГИ, том 4, №4, 1973 г.). Дальнейшее движение этих вихрей происходит в системе многоструйного течения внутри и на его границах при распространении этого течения вдоль поверхности.
Сложный характер перестройки течения вдоль струи, распространяющейся из прямоугольного сопла, подтверждают полученные экспериментально данные (см, например, Крашенинников С.Ю., Рогельская Е.Г. «Распространение струй из прямоугольных сопел, свободных и вблизи экрана». Изд. АН СССР, МЖГ, №4, 1979 г.).
Вначале расширение струй в направлении оси, перпендикулярной широкой стороне истечения, значительно более интенсивно, чем в направлении боковой оси. Это приводит к тому, что на больших удалениях конфигурация струи обратно исходной, то есть как бы происходит разворот струи. Форма ее снова близка к прямоугольной, но этот прямоугольник имеет ориентацию, измененную на 90°, и при этом значение параметра Δ (отношение большей стороны к меньшей) оказывается меньше исходного.
На характеристики расширения струй заметно влияют течения, индуцированные ими в случае истечения в окружающую среду (затопленное пространство), наличием в трехмерных потоках так называемых «вторичных течений», интенсивность которых соизмерима с интенсивностью течений вне струй, или при взаимодействии с экранами и сносящим потоком.
Поскольку проводить измерения в струях на таком удалении исключительно сложно, нельзя ответить однозначно на вопрос о протяженности такого волнообразного процесса изменения конфигурации струи. Наблюдения показали, что этот процесс в значительной мере зависит от условий истечения, конструкции соплового устройства и относительных размеров сопла.
0
Согласно измерениям полей скорости струя не становится осесимметричной вплоть до удалений х≈100 d и более. В дальнейшем наблюдается переход от прямоугольной конфигурации течения к осесимметричному течению. Этот переход носит сложный характер и в настоящее время изучен недостаточно (см., например, Абрамович Г.Н. «Теория турбулентных струй». Изд. Наука, 1984 г. стр.308).
2
Авторами, с учетом того, что многоструйное горизонтальное течение может колебаться и поворачиваться, был получен эффект возникновения вертикального вихревого течения при расположении защитного (отражающего) устройства в виде параболы, форма которой у=2р х, где у - ордината, x - абсцисса, совпадающая с осью набегающего потока, р=(10÷100) - коэффициент (параметр параболы), величину которого выбирают в зависимости от мощности истечения газовых струй.
0
0
Расположение на аэродромной полосе преграды на расстоянии L≈(100÷150)d от источника турбулентных струй в виде механических экранов параболического типа или системы отверстий, установленных по параболе, через которые происходит вдув воздуха или подача жидкости, приводит к изменению формы и направления струй и к более интенсивному перемешиванию с окружающим воздухом. Натекая на параболическую преграду (соответствующий экран), струи газа перемещаются с ее концов к центру (фокусу параболического цилиндра), образуя пристенное течение и сталкиваясь друг с другом. В то же время происходит столкновение и с натекающим по центру потоком. Наличие с одной стороны преграды, а с другой стороны поверхности взлетно-посадочной полосы приводит к образованию вертикального закрученного вихревого потока. Экспериментально получено, что при столкновении многоструйного истечения с параболического вида (типа) преградой, расположенной на расстоянии L≈(100÷150)d от среза сопла, закрученный поток газа устремляется вверх, а не вдоль поверхности, и происходит интенсивное разбавление и перемешивание продуктов сгорания истекающего газа с окружающим воздухом.
Это явление возникновения вихревого вертикального течения при столкновении многоструйного истечения с преградой параболического типа и легло в основу разработки заявляемого способа уменьшения приземной загазованности от работающих авиадвигателей самолетов.
На фиг.1 приведена схема установки экрана, размещенного поперек направления истечения газовых струй от авиадвигателей самолета с возможностью его эквидистантного перемещения относительно направления движения самолета, на фиг.2 показана схема вдува воздуха или газа, а также впрыска жидкости поперек направления истечения газовых струй через комплекс неподвижных устройств, состоящих из несколько рядов отверстий, выполненных в покрытии взлетно-посадочной полосы.
Способ уменьшения приземной загазованности от авиадвигателей самолетов осуществляют следующим образом.
На взлетно-посадочной полосе или на рулевой дорожке 1 устанавливают экран 3, обеспечивающий изменение направления истечения газовых струй работающих авиадвигателей (на фиг. не обозначены) самолета 2 и увеличение перемешивания истекающих газов и/или изменение плотности потока истечения газовых струй с окружающим воздухом и концентрации вредных веществ за счет суммарного вихревого вертикального течения газовых струй от авиадвигателей. Экран 3 устанавливают с возможностью его эквидистантного перемещения относительно направления движения самолета 2 путем закрепления его на подвижном устройстве (на фиг. не показано) аэродромного оборудования, например на спецавтомобиле типа буксировочного тягача Т-30 (см., например, www.cetco.ru/catalog).
2
При этом экран 3 выполняют в виде отбойника, содержащего обеспечивающий форму выполнения экрана каркас (на фиг. не пронумерован), закрытый сплошным или перфорированным термостойким материалом (на фиг. не обозначен), например армированной синтетической тканью, или высокотемпературной тканью НТ-650, или сетчатой с капроном тканью, причем материал для закрывания каркаса выполняют гофрированным (на фиг. не показано), что обеспечивает возможность его оперативной установки на каркасе, а каркас выполняют в форме параболы, соответствующей условию y=2р x, где у - ордината параболы, x - абсцисса, направление которой выбирают совпадающим с осью набегающего потока, p=(10÷100) - коэффициент, величину которого выбирают в зависимости (например, в обратной пропорциональности) от мощности истечения газовых струй.
0
0
0
0
0
0
Кроме того, каркас устанавливают на передвижном основании (на фиг. не показано) на жестких выдвижных стойках 4, которые закрепляют (как указано выше) на спецавтомобиле, при этом высоту каркаса выбирают в соответствии с условием Н≈(5÷7)d, где Н - высота каркаса, d - диаметр выходного сечения сопла авиадвигателя, нижний край каркаса устанавливают над поверхностью взлетной полосы на расстоянии h≈0,25d, где обозначение d соответствует приведенному ранее, а экран помещают перпендикулярно оси истечения газовых струй самолета 2 на расстоянии L≈(100÷150)d от плоскости выходных сечений сопел (на фиг. не пронумерованы) авиадвигателей, где обозначение d соответствует приведенному ранее.
Для формирования соответствующего экрана путем вдува воздуха, или нейтрального газа, или смеси воздуха с нейтральным газом, или жидкости, например воды, в покрытии полосы 1, по которой движется самолет 2, выполняют отверстия 5, располагаемые поперек или навстречу предполагаемому направлению истечения газовых струй от авиадвигателей самолета 2.
2
0
0
При этом отверстия 5 в покрытии полосы 1 располагают рядами (на фиг. не пронумерованы), причем каждый ряд выполняют перекрывающим эту полосу по ширине и по образующей в форме параболы, соответствующей условию у=±2р x, где обозначения соответствуют приведенным ранее, знаки «+» или «-» соответствуют форме ряда, связанного с направлением движения самолета 2 по полосе 1, а ряды отверстий располагают на расстоянии L≈(100÷150)d, где обозначение d соответствует приведенному ранее, при этом диаметры отверстий выполняют равными (25÷50) мм, а центры отверстий выполняют на расстоянии (100÷150) мм друг от друга, причем на полосе 1, по которой движется самолет 2, выполняют от 2 до 10 рядов отверстий вдоль этой полосы, причем каждый ряд выполняют состоящим из 2÷5 эквидистантно расположенных полосок (на фиг. не пронумерованы) этих отверстий 5, при этом соответствующий вдув осуществляют последовательно из каждого ряда отверстий по мере прохождения рядов, фокус параболы которых направлен в сторону самолета 2, с последующим отключением вдува из соответствующего ряда отверстий после удаления от него самолета на расстояние (3÷5)L, где обозначение L соответствует приведенному ранее.
При этом вдув из отверстий 5 осуществляют через систему (на фиг. не обозначена), включающую связанные внутреннюю полость 6, узел 7 регулирования, выполненный в виде насосного блока (см., например, http://www.nasos-td.ru/), и устройство 8 подачи воздуха или газа или впрыска жидкости в виде, например, аэродромного компрессора (см., например, http://www.aviaport.ru/directory/dict/).
На полосе 1 может быть одновременно установлен экран 3 с соответствующей возможностью его перемещения за движущимся самолетом 2 и выполнены отверстия 5 для вдува (на фиг. этот вариант не показан), совместно осуществляющие работу по соответствующему преобразованию истечения газовых струй работающих авиадвигателей самолета 2 и увеличению перемешивания истекающих газов и/или изменению плотности потока истечения газовых струй с окружающим воздухом и уменьшению концентрации вредных веществ в приземном пространстве.
Таким образом, на этапах движения самолета 2 по аэродромной полосе истекающие газовые струи от работающих авиадвигателей взаимодействуют с экраном 3, который эквидистантно перемещают за самолетом, и с создаваемыми соответствующими препятствиями типа экранов путем вдува воздуха или впрыска жидкости, например воды, через отверстия 5, и приводят к изменению направления истечения этих газовых струй, к увеличению перемешивания истекающих газов и/или изменению плотности потока истечения газовых струй с окружающим воздухом и к уменьшению концентрации вредных веществ в приземном пространстве.