Учет режимов работы авиадвигателей на их эмиссионные характеристики

УДК 504.6

УЧЕТ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ НА ИХ ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ОС. ЧУШИКИНА

Статья представлена доктором технических наук, профессором Медведевым В.В.

В статье изложен методический подход к учету режимов работы авиадвигателей на их эмиссионные характеристики, который позволяет повысить точность расчетов выбросов загрязняющих веществ при реализации операций взлетно-посадочного цикла, а также на режимах крейсерского полета.

Ключевые слова: эмиссионные характеристики АД, выброс загрязняющих веществ.

Введение

В настоящее время отсутствие утвержденных проектов санитарно-защитных зон (СЗЗ) многих российских аэропортов порождает ряд серьезных проблем как для развития самих аэропортов и их инфраструктуры, так и для разработки и реализации региональных программ строительства жилого фонда, а также объектов социально-культурного назначения в районах, подвергаемых неблагоприятному воздействию, обусловленному эксплуатацией объектов аэропортов и, в особенности, воздушных судов. Обязательное требование о наличии санитарно-защитных зон у объектов, являющихся источниками воздействия на окружающую среду, регламентируется федеральными законами «Об охране окружающей среды» и «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения», а также санитарными нормами и правилами СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов» (в новой редакции).

Одним из факторов определения границ СЗЗ аэропорта является уровень концентраций загрязняющих веществ (ЗВ) в районе аэропорта и его окрестностях. Повышение точности расчетов количества выбросов и распределения концентраций ЗВ ведет к прямым экономическим выгодам для аэропорта. Однако исходная информация для выполнения таких расчетов ограничена официальными сертификационными данными по эмиссии двигателей воздушных судов (ВС), которые оформляются в соответствии с рекомендациями ИКАО применительно к стандартному взлетно-посадочному циклу [1].

Несмотря на то, что в ИКАО ведутся работы по поиску путей учета реальных значений наработки и режимов работы двигателей [2] при реализации воздушными судами этапов ВПЦ, а также пересчета индексов эмиссии на высотные условия работы двигателей [3], окончательных результатов в виде официальных рекомендаций на сегодняшний день не представлено. Поэтому представляется актуальной разработка методического подхода, позволяющего повысить точность расчетов эмиссии авиационных двигателей.

Учет эмиссионных характеристик авиадвигателя при изменении режима работы

Поскольку база данных ИКАО не содержит информацию об эмиссионных характеристиках двигателей при их работе на крейсерских режимах основного участка полета, то для решения задачи определения показателей вредных выбросов на этих режимах работы авиадвигателей воспользуемся формулой из работы [4] для расчета индекса эмиссии ^го загрязняющего вещества Е1]

Г ” Л а Г £т , аТк * , 7 ^

ЕЬ =

Рк ч6894,

• ЕХР

Ъ + ^ + ^^ + -с 5й е

а также известными закономерностями эксплуатационных характеристик ГТД [4]. Согласно этим закономерностям на режимах основного участка полета ВС работа компрессора

4 = срт«

к-1 п* к -1

1 2

— ~п

Пк

откуда степень повышения давления

*

Пк =

Кг н

-п

при к=1,4,

где k -показатель адиабаты; п - частота вращения ротора; Т*н - температура торможения на входе; теплоемкость воздуха; ^ к - КПД компрессора.

Степень подогрева воздуха в компрессоре связана со степенью повышения давления

с„ -

Т*

Т*

Т*

к-1

к , поэтому —*—п

Тн

Температура газа на выходе из камеры сгорания двигателя на оговоренных режимах работы

Ь,

(

"т У

где - КПД турбины; е т- степень понижения температуры в турбине. Поэтому и относительный расход топлива

Л г к / 2

Н и Пг

Перепишем (1) для режима работы двигателя, когда известны его эмиссионные характеристики, например, номинального, соответствующего набору высоты и являющегося основным расчетным режимом работы

Ґ

ЕІ,

\

Рк1 • ЕХР

К6894у

аЛ+7

е

Л

У

Для крейсерского режима работы, когда эмиссионные характеристики неизвестны

Р к2 • ЕХР

К6894у

аТ,

к 2

7

+ — е

Л

с 5ё

Переход на пониженный (крейсерский) режим характеризуется снижением частоты вращения ротора п. Используя характер зависимостей як*, Тк*/Тн*, gт от п и сравнивая ЕІ;1 и ЕІр , можно получить

2 _ ЕІп

{щЛ

К п1 У

• ЕХР

g

Т1

+ -

аТ

*ч

к1

5ё

Л

1

К п1 У

Необходимо отметить, что формула (1) является приближенной, т.к. представляет собой аппроксимирующую зависимость для группы отечественных двигателей, которая адекватно отражает характер изменения индексов эмиссии при изменении параметров двигателя, но может приводить к существенному отличию конкретных расчетных и экспериментальных значений Е1. Однако в данном случае использованный подход позволяет повысить точность расчетных оценок эмиссии двигателей с помощью (1), т.к. в последнее выражение входит известное исходное значение Е1;1, а выражение в фигурных скобках содержит относительные величины и играет, по сути, роль поправки.

т-, * гр *

В качестве режимов для задания начальных значений рк , Тк , gт1, п1 следует использовать взлетный или номинальный режимы, на которых эти значения хорошо известны. Таким образом, при использовании соответствующих коэффициентов а, Ь, с, с1, е выражение (2) позволяет рассчитать Е1 каждого компонента вредных выбросов на крейсерских режимах работы двигателя.

В качестве нормируемого параметра по выбросам сажи (дыма) в [1] рассматривается число дымности БЫ , использовать которое для расчета валовых выбросов и распределения концентраций твердых частиц не представляется возможным. Для определения массы выбросов твердых частиц (сажи) используем результаты работы [5], в которой приведен следующий график зависимости массовой концентрации сажи от числа дымности БЫ

*

к

1

*

1

П

*

т

а

с

а

*

*

с

Рис. 1. Влияние числа дымности БЫ на массовую концентрацию сажи [5]:

----суммарная концентрация частиц сажи;--------концентрация частиц сажи ^8<300нм

Использование логарифмической шкалы для плотности выбросов сажи ру0 приводит к тому, что эта зависимость становится практически линейной (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость логарифма массовой концентрации сажи (1пру0) от числа дымности БЫ

Последняя зависимость достаточно хорошо может быть аппроксимирована формулой

ру0 _ ехр(0,0645БЫ).

Тогда масса выбросов сажи за время т работы двигателя определяется по формуле

°в

М д _ Р V 0—Т >

Рв

где Ов - расход воздуха через камеру сгорания двигателя; рв - плотность воздуха.

Таким образом, на основе доступных характеристик двигателя, данных о его наработке на конкретном режиме, могут быть определены его эмиссионные характеристики на режимах работы, не относящихся к нормированным ИКАО режимам ВПЦ, в том числе и для основного участка полета.

Заключение

К одной из отличительных черт изложенного подхода следует отнести его весьма высокую степень универсальности, поскольку в основу положен принцип относительного сравнения. Дело в том, что в формулу (1) входят только три показателя режима работы двигателя, в том числе и камеры сгорания. Но в (1) не входит значительное число режимных и геометрических параметров камеры сгорания, которые весьма существенно влияют на ее эмиссионные характеристики. Например, значения индексов эмиссии камеры сгорания двигателя Д-30КУ и ее модифицированной версии, установленной на двигателе «Бурлак», отличаются в несколько раз, несмотря на практически одинаковые значения р к, Т к и gт.

По этой причине целесообразно обобщать эмиссионные характеристики не группы двигателей (даже одного поколения или класса тяг), а конкретного типа двигателя с сохранением общего вида функциональной зависимости (о чем можно судить по данным рис. 3), но с различными значениями коэффициентов. Реализация такой процедуры не вызывает принципиальных затруднений, но существенно повышает точность получаемых результатов. При этом остается в силе предложенный метод пересчета эмиссионных характеристик на крейсерские режимы полета ВС.

а б

Рис. 3. Эмиссионные характеристики двигателей Д-30КУ

ЛИТЕРАТУРА

1. Международные стандарты и рекомендуемая практика «Охрана окружающей среды». Приложение 16 к Конвенции о международной ГА. «Эмиссия авиационных двигателей», 2-е изд. Монреаль, 1993. - Т. 2.

2. Report of WG2 TG4 - Airport Air Quality: Emissions LAQ Guidance. Committee on Aviation Environmental Protection (CAEP/7-WP/28). Seventh meeting. Montréal, 5 Feb to 16 Feb 2007.

3. Development of the technical basis for a New Emissions Parameter covering the whole AIRcraft operation: NEPAIR. Final Technical Report. NEPAIR/WP4/WPR/01. 2003.

4. Казанджан П.К., Тихонов Н.Д., Шулекин В.Т. Теория авиационных двигателей. - М.: Транспорт, 2000.

5. Champagne D.L. Standard measurement of aircraft gas turbine engine exhaust smoke // ASME Paper № 71-GT-88. 1971.

ACCOUNTING OF AIRCRAFT ENGINE OPERATIONAL CONDITIONS ON THEIR EMISSION CHARACTERISTICS

Chushikina O.S.

The article described a methodical approach to the accounting of aircraft engine operational conditions on their emission characteristics, which makes it possible to increase the calculation accuracy of emissions in the implementation of takeoff and landing cycle operations, as well as the cruise phase. The necessity of such approach development due to the fact that the current certification data of aircraft engines emission contains only information relevant to the main stages of the takeoff and landing cycle ICAO.

Key words: aircraft engine, emission characteristics.

Сведения об авторе

Чушикина Ольга Сергеевна, окончила Московский государственный университет им. Н.Э. Баумана (2006), начальник отдела ЦЭБ ГА, аспирантка ГосНИИ ГА, автор 5 научных работ, область научных интересов - экология воздушного транспорта.