Залежність емісії шкідливих речовин від режиму роботи типового
Лабораторна робота №4
Тема "Забруднення атмосфери повітряними суднами"
Теоретична частина
Екологія - наука, яка вивчає взаємодію людини і навколишнього середовища, тобто, природи.
Авіація– це екологічно небезпечна галузь господарювання країни (оскільки в процесі діяльності цієї галузі відбувається забруднення навколишнього середовища та шкідливий вплив на людей).
Забруднення- це привнесення в будь-яке середовище нових, не характерних для нього у визначений час фізичних, хімічних і біологічних агентів (або) перевищення в будь-якому середовищі природного середньобагаторічного рівня фізичних, хімічних і біологічних агентів.
Повітряні судна забруднюють атмосферу в результаті викиду 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.
Приклад:
Аеропорт Лос-Анджелес, забруднення CO (чадним газом):
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 допустимий рівень забруднення (тобто, такий, що не має шкідливого впливу на організм людини) чадним газом складає 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 допустимий рівень забруднення оксидами азоту складає 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 та режиму роботи двигуна.
Максимальна повнота згорання палива в двигуні має місце на розрахунковому режимі - злітному (режимі максимальної тяги двигуна). На цьому режимі сучасні двигуни мають =0,97...0,99, ( =1,0 при абсолютно повному згоранні, чого в дійсності досягнути неможливо). На всіх інших режимах нижча, тобто, повнота згорання менша, (=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 аеропортурозуміють 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
Середньо-статистичні значення деяких параметрів сучасних
авіадвигунів залежно від режимів роботи та їх тривалості (для великих
аеропортів світу)
| № режиму | Назва режиму роботи двигуна | Відносна тяга
| Тривалість режиму, t, хв |
| Режим малого газу (холостий хід) при рулінні перед зльотом | 0,07 | ||
| Злітний режим | 0,7 | ||
| Режим набору висоти 1000м | 0,85 | 2,2 | |
| Режим заходу на посадку | 0,3 | ||
| Режим малого газу (холостий хід) при рулінні після посадки | 0,07 |
де R - тяга двигуна при заданому режимі;
Ro - тяга двигуна при злітному режимі (максимальна тяга).
З таблиці ми бачимо, що найбільш тривалим і небезпечним з екологічної точки зору є режим малого газу (відносна тяга складає 3...9% від її максимального значення).Такі мінімальні значення відносної тяги двигуна мають місце при рулінні перед зльотом і після посадки, а також під час прогрівання двигуна після запуску.
Залежність емісії шкідливих речовин від режиму роботи типового
|
Сучасного авіадвигуна
Визначаючи під час сертифікаційних випробувань індекси емісії шкідливих речовин на відповідних режимах роботи двигуна, знаходять контрольний параметр емісії 
випробуваного двигуна, по якому встановлені норми ІКАО.
Цей параметр характеризує "ступінь шкідливості" двигуна.
МІ – маса в грамах і-тої шкідливої речовини (інгредієнта) за деякий визначений час роботи двигуна;
R0 – злітна тяга двигуна в кілоньютонах.
Злітна тяга двигуна - це тяга, що забезпечує підйом в повітря необхідної та встановленої для даного типу судна ваги.
Норми ІКАО по контрольному параметру емісії для сучасних авіаційних двигунів:
Практична частина
Емісія, тобто викиди забруднюючих речовин авіадвигунами, буде неоднаковою в зоні аеропорту і під час польоту по маршруту, так як двигуни в цих випадках працюють на принципово різних режимах.
Як видно з наведених таблиці і графіка, забруднення в зоні аеропорту є більш шкідливим (на маршруті значення відносної тяги лежить в межах 0,6-0,8). Крім того, локальне забруднення приземного шару повітря в зоні аеропорту, де працює багато людей, є більш концентрованим і стійким, ніж загальне забруднення верхніх шарів тропосфери на маршруті польоту, оскільки робота двигунів є стабільною на великих швидкостях, а забруднюючі речовини швидко розсіюються.
Тому розрахунок емісії (рівня забруднення) двигунами авіалайнерів в зоні аеропорту є більш важливим і ми приділимо йому більше уваги.
"Ступінь шкідливості" кожного авіадвигуна характеризується його контрольними параметрами емісії за різними інгредієнтами – 
Тобто, задача розрахунку емісії двигуна зводиться до визначення маси кожного інгредієнта, викинутого з двигуна за деякий визначений час його роботи, - 
(бо R0 – тяга двигуна на злітному режимі - величина, відома з документації, зокрема, з формуляра двигуна).
Будемо розраховувати величини для зони аеропорту, тобто 
, на тих режимах роботи і за той період часу його роботи, поки повітряне судно знаходиться в цій зоні з працюючими двигунами.
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
Наземні операції
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. Ця обставина спрощує розрахунок.
Визначення МіН (маси шкідливих інгредієнтів, які утворюються внаслідок викиду авіадвигунами в зоні аеропорту), ведеться за формулою:
де Кін – коефіцієнт викиду і-того інгредієнта під час наземних операцій, 
Очевидно, що Кін=10-3*ЕІіН. Тобто, це той же індекс емісії (за визначенням).
Як і ЕІіН, Кі визначається під час сертифікаційних випробувань двигунів (див. табл. 2).
GПн – маса пального (кг), витраченого двигуном повітряного судна під час наземних операцій злітно-посадкового циклу.
GПн=СпитМГRМГ TМГ,
СпитМГ – питома витрата пального під час роботи двигуна на режимі малого газу (наводиться в формулярі двигуна як одна із його важливих технічних характеристик), 
RMГ =Ro* – тяга двигуна на режимі малого газу (наводиться у формулярі двигуна, як його технічна характеристика), Н.
tMГ – напрацювання двигуна на режимі малого газу за злітно-посадковий цикл, год (див таблицю1).ТМГ = tМГ ·N·n, де tМГ – наробка в годинах двигуна на режимі малого газу за один ЗПЦ (режими 1, 5 в табл. 1); N – річна кількість зльотів-посадок усіх повітряних кораблів даного типу в аеропорту; n – кількість двигунів на даному типі ПК.
Операції зліт-посадка
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 емісіїWі, 
, (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. таблицю 3).
Визначення Мі З-П ведеться за формулою:
МіЗ-П =n(Wі1Т1З-П В +Wі2Т2З-П+Wі3Т3З-П)N,
де Wі123 – масова швидкість емісії інгредієнтів і при відповідних режимах роботи двигуна відповідно на зльоті, під час набору висоти 1000 м і під час зниження з висоти 1000 м, 
.
Т123 – режимне напрацювання двигуна відповідно на зльоті, під час набирання висоти 1000 м і під час зниження з висоти 1000 м.
Величини tMГ, Т123 беруться з вищеназваної таблиці 3 режимів роботи двигуна в зоні аеропорту.
Вирахувавши таким чином , розраховують контрольний параметр емісії двигуна 
(де Ro – злітна тяга двигуна в кілоньютонах) і порівнюють його з нормами ІСАО, роблячи висновок про відповідність даного двигуна сучасним екологічним вимогам з емісії у відношенні даного інгредієнта.
ПРИКЛАД
Розрахувати контрольні параметри емісії двигунів Д-30КУ літака ІЛ-62М за інгредієнтами CO, СХНУ і NOx і зробити висновок про відповідність цих двигунів сучасним вимогам ІСАО.
Вихідні дані:
Тяга двигуна Д-30КУ:
Ro=103kH;
RМГ=7,2кН.
Питома витрата пального двигуном Д-30КУ:
Спит. МГ=0,065
Використовуючи таблиці 2. і 3., маємо:
З таблиці режимів роботи двигуна в зоні аеропорту маємо: 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.
GПн=СпитМГRМГ tМГ,
GПн=0,065*7200*0,367=171,756 кг
При наземних операціях:
Мсон=0,1546*171,756=9,378 кг
МСхНу н=0,0094*171,756=1,615 кг
MNOx н=0,0054*171,756=0,927 кг
При злітно-посадочних операціях:
МСО З-П==6*0,0117+8,8*0,0367+16*0,067=1,465кг
МСхНу З-П=2,5*0,0117+2,5*0,0367+2,8*0,067=0,309 кг
MNОх З-П=89*0,0117+53*0,0367+16*0,067=4,06 кг
Сумарні значення для операцій в зоні аеропорту:
МСО=9,378+1,456=10,843 кг
МСхНу=:1,615+0,309=1,924 кг
MNОх=0,927+4,06=4,987
Порівняти з нормами ICAO
Таблиця 2