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
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
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
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)
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
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
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
выброса
загрязняющих веществ при рулении
самолета
эффективность различных эксплуатационных приемов
снижения
выброса загрязняющих веществ
при рулении самолета
%
относительная
величина выброса загрязняющих веществ
при рулении
самолета Ту-134 а)
на двух двигателях б) на одном двигателе
%
относительная величина выброса загрязняющих веществ при
рулении самолета Ту-154 на различном числе двигателей а) на всех двигателях, б)
на двух двигателях в) на одном двигателе
t
эф ,
эффективное время руления самолета на различном числе
двигателей
Выполнение руления ВС на
части двигателей, также как и буксировка самолета позволяет добиться перераспределения
поля концентрации загрязняющих веществ в зоне аэропорта и снизить уровни их
концентрации в зонах, защищаемых от загрязнения.
Вместе с
тем, применение буксировки самолета приводит к замене источника выброса, в
данном случае источником выброса является не самолет, а буксировщик, который является
не меньшим загрязнителем. Выхлопные газы его двигателя (двигателей) имеют иной
качественный и количественный состав, при этом некоторые из них более токсичны,
чем от двигателей ВС.
Применение
буксировки сопряжено с некоторыми трудностями. По имеющимся оценкам применение
букировки может снизить выброс продуктов неполного сгорания (несгоревшие
углеводороды, окись углерода) до 50%, окислов азота до 5%. При этом достигается
существенная экономия топлива, до 25%.
При этом, при выборе оптимального метода
буксировки самолета до взлета и после взлета в каждом случае необходимо
рассматривать в комплексе возникающие экономические проблемы с учетом
требований обеспечения безопасности полетов.
совмещение
прогрева двигателей с выполнением руления
Прогрев двигателей, выполняемый отдельно на
некоторых типах двигателей производится до взлета, как правило, на режимах 0,6
– 0,7 номинального в течение 2 минут. Для режима прогрева двигателей характерны
меньшие по сравнению с режимами малого газа уровни выброса НС и СО при
незначительном повышении выброса NOx. Вместе с тем совмещение этого режима с
выполнением руления или в тех случаях, когда это возможно, отмена его позволяет
снизить эмиссию двигателей.
выполнение
взлета на номинальном режиме
Выполнение
взлета на номинальном режиме там, где это позволяет длина ВПП и конкретные
условия аэропорта, позволяет значительно сократить суммарный выброс
загрязняющих веществ за счет существенного уменьшения эмиссии NOx, характерного
для взлетного режима. То же относится и к применению реверса при торможении
самолета при посадке.
Получение характеристик эмиссии двигателя для условий полета
на стенде ограничено возможностями измерения параметров потока в замкнутом
контуре стенда, когда существенными становятся фоновые концентрации
(загрязнение маслами и т.п.). Такие загрязнения часто сопоставимы с собственным
загрязнением стенда и их практически не удается выделить.
Выполненные в рамках описываемых ниже исследований измерения
эмиссии двигателя в полете, позволили уточнить характеристики загрязнения по
маршруту полета ВС, и подойти к разработке
нормативов выброса по трассе полета.
В 1989-1990 года были проведены измерения эмиссии двигателей воздушных судов,
находящихся в эксплуатации. Измерения
проведены на базе международного аэропорта Шереметьево.
Спонсировались работы администрацией
международного аэропорта, а сама их постановка оказалась возможной лишь
благодаря пониманию их актуальности и твердой поддержке со стороны главного
инженера аэропорта Г.Г.Аникаева.
Запомнилось моё первое общение с этим человеком, он произвел
впечатление крупного руководителя,
чувствовавшего конъюнктуру рынка, хорошо понимавшего значимость таких
исследований. Такая позиция подкреплялась всеми последними событиями вблизи
решения проблемы эмиссии авиадвигателей, все острее звучащей на фоне
разворачивающейся конкурентной борьбы западных производителей авиационных двигателей
в их стремлении вытеснить других. Эта опасность четко обозначилась в борьбе за
ужесточение стандартов по эмиссии авиадвигателей в рамках ИКАО, на
других встречах авиационных специалистов. Многие зарубежные аэропорты были
готовы ввести наряду с уже существовавшими
ограничениями по авиационному шуму ограничения по выбросу загрязняющих веществ.
Нужно сказать, что если бы не проявленное тогда
администрацией аэропорта Шереметьево понимание важности этих работ, они просто
бы не состоялись. Поскольку их проведение в дальнейшем в условиях надвигавшейся
«перестройки» стало бы просто невозможным, имея ввиду необходимость привлечения
значительных ресурсов (затраты на проведение гонок двигателей, высокая
стоимость авиатоплива).
Предполагалось, что в ближайшее время рядом стран могла быть
введена система сборов за выброс загрязняющих веществ двигателями воздушных
судов. В связи с этим одной из задач исследований было определение фактических
уровней выброса загрязняющих веществ двигателями отечественного производства,
эксплуатирующимися на внутренних и на международных авиалиниях, при
установлении нормативов платы за выброс загрязняющих веществ, их соответствия
международным стандартам.
Не менее важной задачей исследования было уточнить уровни
загрязнения воздушной среды в зоне аэропорта и по трассе полета самолетов.
Испытания не подтвердили заявленное
предприятием-изготовителем снижение эмиссии на модификациях основных двигателей
отечественного производства до уровня международного стандарта, якобы
полученное ими.
Эти испытания были также важны, поскольку
проведение сертификационных испытаний по эмиссии двигателя тогда сдерживалось
отсутствием у предприятий-изготовителей необходимых измерительных систем (в основном
зарубежного производства), которые должны были быть использованы также при
доводке двигателей.
Необходимым оборудованием располагала лаборатория
ГосНИИ ГА. Важно было наиболее эффективно его использовать. Частично эта задача
могла быть решена с помощью мобильного комплекса, оборудованного необходимыми
системами для измерений непосредственно на самолете.
Такой измерительный комплекс был создан на
базе лаборатории эмиссии авиадвигателей, ГосНИИ ГА (Шереметьево).
Измерительные системы, обычно используемые в стендовых испытаниях, были
перенесены на автомобиль, оборудованный подъемной платформой, были изготовлены
специальные стойки для установки вблизи среза сопла двигателя гребенки (паука)
пробоотборника газов для отбора газов из струи двигателя.
В качестве измерительных систем
использовалась газоаналитическая измерительная аппаратура фирмы «Beckman»
(США), обычно применяемая в стендовых испытаниях двигателей, которая отвечала
требованиям международного стандарта.
В отличие от стенда здесь не проводились
измерения тяги, необходимые зависимости были взяты из формуляров заводских
испытаний для каждого отдельного двигателя,
установленного на самолете.
Для оценки «ухода» характеристик эмиссии
двигателей в эксплуатации особый интерес представляли измерения на двигателях,
выработавших различный ресурс, в том числе двигатели после ремонта.
измерения
эмиссии двигателей на самолёте Ту-154
По сравнению с закрытым стендом здесь отсутствуют искажения
потока за срезом сопла. Внеш ние условия в испытаниях контролировались по условиям
аэропорта.
В состав
измерительных систем вошли:
aнализатор углеводородов пламенно-ионизационного типа, модель 4О2, предназначенный
для измерения суммарных углеводородов (НС) в выхлопной струе газотурбинных
двигателей;
инфракрасный
анализатор модели 864 и 865 для измерения содержания оксида углерода (CO);
анализатор оксидов
азота NO/NOх
модели 955 хемилюминисцентного типа, применяемый для анализа проб газа с
высоким содержанием водяного пара и предназначенный для измерения эмиссии
двигателей.
Калибровка измерительных систем проведена эталонными
поставленными фирмой газами в диапазоне ожидаемых концентраций.
«паутина»
выбросов
Подготовка и отладка измерительного комплекса велась при
участии представителей фирмы. В этих работах принимали участие В.Н.Леонович,
И.В.Минаев, Т.Н. Орлова, В.И.Зайцев, Ф.К.Бугров.
Участие в этих работах представителя фирмы придавали ей
некоторый интернациональный характер. Иногда из кабины автомашины, где велась наладка
измерительных систем, можно было услышать: «мистер Брандл, may be дверцу открыть?». Некоторые языковые трудности, тем не
менее, не мешали в целом продвижению в работе.
Как-то, при отладке систем вышла из строя термопара, и работы
могли быть на несколько дней приостановлены, до тех пор, пока не пришлют
запасные части. Неожиданно Валера Леонович, больше всех переживавший
неудачу, предложил, пока пришлют новую термопару, попытаться спаять вышедшую из
строя. При этом прозвучало таинственное упоминание Покровское-Стрешнево,
где размещалась часть лаборатории, где это могут сделать.
Магическое Покровское-Стрешнево подействовало,
по-видимому, на м-ра Брандла, и он
ухватился за эту идею. Я был в полной растерянности, сознавая невозможность в
наших условиях провести такую пайку. Поскольку термопара была составлена из
редкоземельных металлов, их пайка соответственно требовала применения
космических технологий. С помощью Федора Константиновича и «какой-то матери»
все же удалось спаять термопару, и она продержалась до прихода запасной
детали.
С помощью этих систем были проведены широкомасштабные
исследования практически на всех типах авиационных двигателей отечественного
производства и их модификаций, занятых в гражданской авиации, включая
исследования возможности снижения эмиссии авиадвигателей в эксплуатации.
Измерения проводились на различных режимах работы двигателя
вплоть до взлетного режима, около 3О точек в каждом испытании при прямом и
обратном ходе изменения оборотов двигателя через 2% на режимах малого газа и 5%
на остальных режимах работы двигателя.
Тяга двигателя и расход топлива в ходе испытаний уточнялись
по дроссельным характеристикам по данным приемо-сдаточных испытаний двигателя
(формулярные данные), а расход воздуха через двигатель - по данным стендовых
испытаний двигателя.
Испытания были проведены на основных типах самолетов и вертолетов
гражданской авиации и отдельных двигателях, используемых в военной авиации.
По данным натурных и стендовых испытаний были
уточнены характеристики эмиссии двигателей воздушных судов основных типов,
находящихся в эксплуатации.
Ниже приведены обобщенные
характеристики эмиссии двигателей по результатам натурных испытаний
Измерения
выполнены на самолете Ил-62М бортовой №
85514, двигатель Д-30КУ (1СУ) после ремонта, общее время наработки двигателя
12135 час; двигатель Д-30КУ-2 (2СУ), начало эксплуатации 24.11.86; двигатель
Д-30КУ-2 (3СУ), начало эксплуатации 1.01.88; двигатель Д-30КУ-2 (4СУ), начало
эксплуатации 8.03.89.
Сравнение
дроссельных характеристик двигателей с разной наработкой по данным
приемно-сдаточных испытаний показывает, что их разброс, порядка 3-5%, находится
в пределах экземплярного разброса параметров двигателя и практически не отличается
от характеристик стандартного двигателя по данным испытаний.
индексы
эмиссии двигателей Д-30КУ (Ил-62М), г/кг тяги
1 дв.
после ремонта, общее время наработки 12135 час
Измерения
выполнены на самолете Ил86 бортовой № 85514, двигатель НК-86 (1СУ), после
ремонта, общее время наработки 3000 часов, начало эксплуатации 07.84, двигатель
НК-86 (2СУ), после ремонта, начало эксплуатации 06.87, двигатель НК-86 (3СУ),
после ремонта, общее время наработки 4408 часов, ниже приведены характеристики
эмиссии двигателей по результатам испытаний.
индексы
эмиссии двигателей НК-86 (Ил-86), г /кг тяги
Измерения индексов
эмиссии двигателя Д-30 II
серии выполнены на самолете Ту-134
бортовой номер 65047, двигатель Д-30 II
серии (2СУ), начало эксплуатации 10.01.76, наработка после последнего ремонта -
1372 часов, наработка с начала эксплуатации – 11833 часа
индексы
эмиссии двигателя Д-30 II серии (Ту-134), г/кг тяги
Измерения выполнены на
самолете Ил-76ТД бортовой № 76481,
двигатель Д-30КП-2 (1СУ), начало эксплуатации 2.07.85, время наработки – 831
час, двигатель Д-30КП-2 (2СУ), начало эксплуатации 2.07.85, время наработки –
830 часов, двигатель Д-30КП-2 (2СУ), начало эксплуатации 2.07.85, время
наработки – 830 часов, двигатель Д-30КП-2 (2СУ), начало эксплуатации 2.07.85,
время наработки – 810 час.
индексы
эмиссии двигателя Д-30КП-2 (Ил-76ТД), г/кг тяги
Двигатель НК-8-2У, прототип
которого был разработан до 1 января 1965 года, подпадает под соответствующее
исключение международного стандарта (Приложение 16 ИКАО, том II).
Однако, учитывая, что этот двигатель продолжает выпускаться в настоящее время и
является наиболее массовым двигателем, используемым гражданской авиацией, были
проведены ряд работ по доводке этого
двигателя по снижению уровней шума и эмиссии этого двигателя.
С целью повышения
безопасности разработана компоновка двигателя НК-8-2У с заменой титанового статора на стальной, был внесен ряд
конструктивно-технологических изменений, позволивших компенсировать ухудшение
экономичности двигателя из-за увеличения радиальных зазоров в каскаде высокого
давления, вследствие различных коэффициентов расширения титана и стали, и
повысить эксплуатационную надежность двигателя.
В
результате выполненных предприятием-изготовителем исследований и доработок,
внедренных на двигателе НК-8-2У II
серии, одновременно с доработками по титановому статору удалось снизить выбросы
углеводородов (НС) и оксида углерода (СО) на 30-40%.
Возможности
дополнительного снижения эмиссии этого двигателя связаны с перераспределением
подачи топлива в I и II
контуре форсунок камеры сгорания двигателя на режиме малого газа, где присутствует
наибольшее количество СО и НС в отработавших газах, подобно тому, как это
выполнено на модифицированной камере сгорания двигателя НК-86, на которой также
было получено снижение эмиссии.
Полученные данные
требовали дополнительного подтверждения, поскольку, из-за отсутствия у
предприятия-изготовителя необходимых средств измерения, такие измерения были
выполнены ими с отступлениями от международного и отечественного (идентичного
международному) стандартов.
Имеющиеся единичные
измерения, выполненные ЦИАМ, также не подтверждали заявленного предприятием-изготовителем
снижения эмиссии (эти измерения были выполнены также с некоторыми отступлениями
от стандарта, связанными с использование стенда с замкнутым контуром).
индексы эмиссии двигателей НК-8-2У, НК-8-2У II сер (Ту-154), г./кг
тяги
При испытаниях
двигателя НК-86 с модифицированной камерой сгорания, проведенных в ГосНИИ
ГА, было предложено провести такие же измерения и на двигателе НК-8-2У.
Предприятие-изготовитель
взяло на себя поставку и настройку модифицированного регулятора топлива.
Обеспечивающего подобно тому, как это выполнено на двигателе НК-86,
перераспределение подачи топлива в I и II
контуры форсунок двигателя (на двигателе НК-86 количество топлива, подаваемое в
форсунки II контура на режиме
малого газа, увеличено с 160-230 кг/ч до 400-450 кг/ч) при сохранении
суммарного расхода топлива.
Внедрение этого
изменения на двигателе НК-8-2У не требует конструктивных изменений
двигателя и связано только с перенастройкой регулятора топлива.
В рамках этих работ
должны были быть проведены измерения эмиссии двигателя НК-8-2У в
эксплуатации, включая оценку эффективности уже проведенных
предприятием-изготовителем доработок по эмиссии на двигателе НК-8-2У II
серии и измерения на
двигателе, оснащенном модифицированным регулятором топлива, с целью оценки
эффективности предложенных мероприятий.
На первом этапе этих
работ были проведены сравнительные измерения эмиссии двигателя НК-8-2У и
НК-8-2У II
серии для оценки эффективности
доработок по эмиссии двигателя НК-8-2У II
серии.
Испытания, однако, не
подтвердили заявленного ранее предприятием-изготовителем снижения эмиссии на
двигателе НК-8-2У II серии.
индексы
эмиссии двигателей НК-8-2У и НК-8-2У II серии с модифицированным регулятором топлива
Вместе
с тем, была подтверждена возможность значительного снижения эмиссии двигателя
за счет перераспределения подачи топлива в I и II контуры форсунок камеры
сгорания двигателя.
Ниже приведены
сравнительные данные индексов эмиссии двигателя НК-8-2У и НК-8-2У с
модифицированным регулятором топлива, иллюстрирующие возможности доработки
этого самого массового двигателя гражданской авиации.
|
Сравнительные
характеристики эмиссии двигателей НК-8-2У и НК-8-2У II серии по данным
испытаний
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тип дви-
|
организация,
|
Уровни эмиссии , г/кН
|
Вид испытаний
|
|
гателя
|
проводившая
|
|
|
|
|
|
|
|
испытания
|
|
НС
|
СО
|
Nox
|
|
|
|
НК-8-2У
|
ЦИАМ
|
НК-8-2У
|
109,7
|
352,9
|
57,96
|
стенд
|
|
|
|
ГосНИИ ГА
|
НК-8-2У
|
318,1
|
257,9
|
50,48
|
натурн
|
|
|
|
ГосНИИ ГА
|
НК-8-2У
|
443
|
431,1
|
45,73
|
натурн
|
|
|
|
ГосНИИ ГА
|
НК-8-2У
|
383,1
|
385,7
|
46,94
|
натурн
|
|
|
|
ГосНИИ ГА
|
НК-8-2У
|
457,2
|
435
|
46,5
|
натурн
|
|
|
|
ГосНИИ ГА
|
НК-8-2У
|
359,8
|
434,4
|
50,1
|
натурн
|
|
|
НК-8-2У II серии
|
ГосНИИ ГА
|
НК-8-2У II серии
|
658,9
|
456,4
|
45,6
|
натурн
|
|
|
|
ГосНИИ ГА
|
НК-8-2У
|
650,5
|
426,9
|
42,8
|
натурн
|
|
|
НК-8-2У мод
|
КНПО "Труд"
|
НК-8-2У мод
|
345,5
|
404,4
|
45,6
|
стенд
|
|
|
|
ГосНИИ ГА
|
НК-8-2У
|
117,1
|
248,5
|
45,8
|
натурн
|
|
|
Нормы ИКАО
|
Нормы ИКАО
|
19,6
|
118
|
61,6
|
|
|
Применительно к загрязнению верхних слоев атмосферы рассматривается
выброс загрязняющих веществ двигателями воздушных судов гражданской авиации,
выполняющими полет в верхней тропопаузе, и сверхзвуковыми транспортными
самолетами в стратосфере, введение последних ожидается в будущем.
Измерения эмиссии двигателя в полете представляли собой
уникальную задачу. Насколько мне известно, до сих пор такие измерения не повторены
никем. Сама возможность постановки таких измерений была связана с некоторыми
конструктивными особенностям компоновки двигателя НК-8-2У. Такие измерения
выполнены на самолете Ту-154 на различных режимах на земле и в условиях полета
по трассе.
В этих испытаниях проба газа отбиралась во время полета из
затурбинного пространства двигателя через технологический штуцер. Такой метод
использован и в ряде стендовых испытаний двигателя. Сопоставимость данных
измерений на срезе и за турбиной показана ниже.
Сопоставимость характеристик измерительных систем «Beckman»
и «Bruel&Kjaer» в испытаниях подтверждена сравнительными измерениями
на земле.
табл.
Сравнение
параметров двигателя в наземных и полетных условиях на эксплуатационных режимах
параметры режим работы двигателя
ном Мах.кр 0.7
ном 0,6 ном 0,4 ном
М
= 0; Н = 0
Т к*, град К 716,1 688,3 649,3 613,3 576,6
p к* 16,4 14,4 11,8
9,64 7,81
Gт, кг/ч 1780 1480 1260 1100 780
EI NOx, г/кг 18,2* 16,0 14,5* 13,0 11,5
EI
CO , г/кг
0,62* 0,7 0,88*
1,1 2,6
Q NOx, г/с 9,0 6,8 ,08 4,0 2,36
Q CO, г/с 0,31 0,29 0,31 0,34
0,53
М
= 0,75; Н = 8000 м
Т к*, град К 735,0 711,8 690,2 645,3 561,6
p к* 24,95 21,56 19,81 16,0 9,9
G т, кг/ч 1160 1040 935 793 555
EI NOx, г/кг 20 18,44 15,7 12,9
10,12
EI
CO , г/кг
0,7 0,75 0,83 1,08 5,63
Q NOx, г/с 6,44 5,33 4,08 2,84
1,56
Q CO,
г/с 0,225 0,22 0,213 0,24 0,87
Измерения содержания загрязняющих веществ в пробе газа,
отбираемой от двигателя в течение полета, выполнены с помощью:
универсального газового монитора СО, СО2, и НС
фирмы Bruel &
Kjaer (Дания), модель 13О2
(содержание СО, СО2)
и газового анализатора NO/NOx, модель 951 фирмы Beckman (США) (содержание NO, NO2 и NOx).
Проба отбиралась с помощью двух параллельно включенных
насосов (основного и дополнительного) для увеличения скорости подачи пробы. Система
перепуска за насосом обеспечивает выравнивание давления на входе в прибор 13О2
с давлением в кабине.
Приемные отверстия пробоотборника подобраны таким образом,
чтобы обеспечить торможение потока газа за турбиной до 8О%, обеспечивающее
независимость давления в пробоотборной
магистрали независимо от режима работы двигателя, через бумажный фильтр и
защитное устройство от попадания конденсированной воды в тракте подачи пробы. В
процессе измерений контролировались давление и скорость потока в пробе газа.
Длина пробоотборной линии не превышала 1О м.
Универсальный газовый монитор модели13О2 B&K представляет собой количественный газовый анализатор с
управлением от микропроцессора, позволяющий проводить с высокой точностью,
надежностью и стабильностью определение содержания газов. Принцип работы
прибора 13О2 B&K основан на методе фото акустического эффекта, позволяющего
обнаруживать и определять содержание газов, поглощающих инфракрасный свет.
Надежность измерений обеспечена проводимыми прибором 13О2 B&K регулярными авто проверками. Высокая точность этих
результатов обеспечена способностью прибора 13О2 B&K проводить авто компенсацию изменений температуры и
интерференции, обусловленных влиянием водяных паров и других газов, о которых
известно, что они присутствуют в воздухе.
Калибровка нуля прибора произведена с помощью чистого сухого
и влажного воздуха, а калибровка диапазона - эталонными газами известной
концентрации, предоставленными фирмой.
В
ходе испытаний были уточнены показатели выброса загрязняющих веществ основных
типов авиационных двигателей отечественного производства.
показатели выброса
ICAO EXHAUST
EMISSIONS DATA BANK
SUBSONIC ENGINES
Д-3ОКУ
тип двигателя:
турбореактивный
степень двухконтурности:
2,35
степень повышения
давления: 17,4
расчетная мощность
двигателя: 107,9 кН
Эксплуатаци- тяга время расход индекс
эмиссии число
онный режим % R мин топлива г/кг дымности
кг/с
НС СО NОх
взлет 100 0,7 1,52
0,37 2,52 12,7
набор высоты 85
2,2 1,3 0,45
3,1 10,8
снижение 30 4,0 0,5 1,3
4,8 4,5
малый газ 7 26,0 0,22 9,24
49,5 2,5
Dp/Foo(cр)
или S/Nmax, г/кН 32,44
181,6 37,7 22,9
Д-3ОКУ-2
тип двигателя:
турбореактивный
степень двухконтурности:
2,35
степень повышения
давления: 17,4
расчетная мощность
двигателя: 104 кН
Эксплуатаци- тяга время расход индекс
эмиссии число
онный режим % R мин топлива г/кг дымности
кг/с
НС СО NОх
взлет 100 0,7 1,52
0,65 3,85 11,25
набор высоты 85
2,2 1,3 0,73
4,25 9,87
снижение 30 4,0 0,5 2,4
18,2 4,22
малый газ 7 26,0 0,22 12,35
69,0 2,6
Dp/Foo(ср) или S/Nmax,
г/кН 39,59
226,6 31,9 22,9
НК-8-2У
тип двигателя:
турбореактивный
степень двухконтурности:
1,24
степень повышения
давления: 10,8
расчетная мощность двигателя:
103 кН
Эксплуатаци- тяга время расход индекс
эмиссии, число
онный режим % R мин топлива г/кг дымности
кг/с
НС СО NОх
взлет 100 0,7 1,75
0,45 5,5 13,9
набор высоты 85
2,2 1,17 0,53
6,0 12,9
снижение 30 4,0 0,58 5,0
21,0 5,4
малый газ 7 26,0 0,24 103,8
116 2,2
Dp/Foo(cр)
или S/Nmax, г/кН 388,2
466,3 44,6 23,5
НК-8-2У II серии
тип двигателя:
турбореактивный
степень двухконтурности:
1,24
степень повышения
давления: 10,8
расчетная мощность двигателя:
103кН
эксплуатаци- тяга время расход индекс
эмиссии число
онный режим % R мин топлива г/кг дымности
кг/с
НС СО NОх
взлет 100 0,7 1,75 0,435
5,0 13,76
набор высоты 85
2,2 1,17 0,48
6,0 12,27
снижение 30 4,0 0,58 14,0
22,0 5,92
малый газ 7 26,0 0,24 173,2
109 2,27
Dp/Foo(cр)
или S/Nmax, г/кН 654,7
441,6 44,2 23,5
Д-3ОКП-2
тип двигателя:
турбореактивный
степень двухконтурности:
2,3
степень повышения
давления: 19,45
расчетная мощность
двигателя: 117,6 кН
эксплуатаци- тяга время расход ииндекс
эмиссии число
онный режим % R мин топлива г/кг дымности
г/с
НС СО NОх
взлет 100 0,7 1,67 0,77
2,37 17,22
набор высоты 85
2,2 1,42 0,97
3,33 11,3
снижение 30 4,0 0,5 2,65
14,4 5,4
малый газ 7 26,0 0,22 12,9
21,54 3,6
Dp/Foo(cр)
или S/Nmax, г/кН 38,9
181,7 38,5
НК-86
тип двигателя:
турбореактивный
степень двухконтурности:
1,33
степень повышения
давления: 13,4
расчетная мощность
двигателя: 127,53 кН
эксплуатаци- тяга время расход индекс эмиссии число
онный режим % R мин топлива г/кг дымности
кг/с
НС СО NОх
взлет 100 0,7 2,4 0,48
3,92 12,77
набор высоты 85
2,2 1,6 0,56
4,18 12,15
снижение 30 4,0 0,58 1,17
9,3 5,1
малый газ 7 26,0 0,21 52,0
54,37 2,72
Dp/Foo(cр)
или S/Nmax, г/кН 135,О
158,2 41,3 22,1
Д-36
тип двигателя:
турбовентиляторный
степень двухконтурности:
5,6
степень повышения
давления: 19,9
расчетная мощность
двигателя: 63,74кН
эксплуатаци- тяга время расход индекс
эмиссии число
онный режим % R мин топлива г/кг дымности
кг/с
НС СО NОх
взлет 100 0,7 0,649 - 0,53 67,37
набор высоты 85
2,2 0,552 - 0,4 21,0
снижение 30 4,0 0,208 - 2,87 11,63
малый газ 7 26,0 0,088 5,4 20,7 5,33
Dp/Foo(cр)
или S/Nmax, г/кН 19,0
60,5 60,3 14,83
НК-8-2У
тип двигателя:
турбореактивный
степень двухконтурности:
1,24
степень повышения
давления: 10,8
расчетная мощность
двигателя: 103кН
эксплуатаци- тяга время расход индекс эмиссии число
онный режим % R мин топлива г/кг дымности
кг/с НС СО
NОх
взлет 100 0,7 1,75 0,65
5,83 14,0
набор высоты 85
2,2 1,17 0,91
8,83 12,6
снижение 30 4,0 0,58 11,3
28,0 5,4
малый газ 7 26,0 0,24 110 110 2,7
Dp/Foo(cр)
или S/Nmax, г/кН 392,2
388,4 47,9 23,5
НК-8-2У (с
модифицированным РТ)
тип двигателя:
турбореактивный
степень двухконтурности:
1,24
степень повышения
давления: 10,8
расчетная мощность
двигателя: 103кН
эксплуатаци- тяга время расход индекс
эмиссии число
онный режим % R мин топлива г/кг дымности
кг/с
НС СО NОх
взлет 100 0,7 1,75 2,0
5,0 12,8
набор высоты 85 2,2 1,33 2,0 6,0 11,6
снижение 30 4,0 0,55 2,6 13,0 6,25
малый газ 7 26,0 0,22 32 64,0 2,55
Dp/Foo(cр)
или S/Nmax, г/кН 117,1 248,5 45,8 23,5
Норма ИКАО 19,6
118 61,6
Показатели
выброса загрязняющих веществ (эмиссии) авиационных двигателей гражданской
авиации можно найти на сайте www.icao.int , ICAO Engine Aircraft Emission.
нормирование и
снижение выброса в источнике
Результаты сертификационных испытаний
должны быть представлены в определенной форме, представляющей собой некоторую
обобщенную характеристику эмиссии данного двигателя. В той же форме, очевидно,
должен быть выражен и допустимый уровень эмиссии, т.е. норма. Принято называть
такую обобщенную характеристику контрольным параметром эмиссии.
В качестве контрольного параметра,
принятого ИКАО выбран параметр, представляющий собой отношение выброшенной
двигателем за взлетно-посадочный цикл массы М газообразного токсичного вещества
к взлетной тяге двигателя Rо.
характеристики
эмиссии двигателя
Уровни выброса загрязняющего вещества
(эмиссии двигателя) двигателем принято характеризовать количеством вредного
вещества (в граммах), образовавшемся при сжигании 1 кг топлива – так называемым
индексом эмиссии EI.
В ходе сертификационных испытаний
двигателя определяются характеристики зависимости индексов эмиссии компонентов загрязнения
от величины относительной тяги двигателей (в условиях Н=0, М=0, где Н-высота;
М-число Маха).
Подробно испытаниям по эмиссии была
посвящена тема девятая. Здесь мы приводим только пример такой зависимости.
Далее по характеристикам продолжительности
режимов, соответствующих максимальной продолжительности данного режима, осредненной
по ряду крупнейших и наиболее загруженных аэропортов по значениям EI
для соответствующих
.
взлетно-посадочный цикл
|
режим
|
Относительная
тяга, 
|
Продолжительность
режима
t, мин
|
|
холостой ход и руление перед взлетом
(режим малого газа)
|
0,07
|
15
|
|
взлет
|
1
|
0,7
|
|
набор высоты
|
0,85
|
2,2
|
|
заход на посадку
|
0,3
|
4
|
|
руление после посадки (режим малого газа
|
0,07
|
7
|
вычисляется
контрольный параметр эмиссии М/Ro (кГ/Н).
Действительно, масса газообразного
вещества загрязняющего компонента за взлетно-посадочный цикл
, где
- продолжительность режима I, ч; 
- измеренный на этом режиме расход топлива через двигатель,
кг/ч.
, и так как 
то
,
где 
- удельный расход топлива на режиме, кг/(H.ч)
Значения
EI и экономичность двигателя определенным
образом взаимосвязаны. Известно, что экономичность определяется уровнем параметров
термодинамического цикла двигателя. Определяющими термодинамическими
параметрами являются температура газа перед турбиной Тг , степень повышения
давления pk и степень двухконтурности m.
считается,
что эффективность сжигания топлива в камере сгорания определяется некоторым
комплексным параметром 
, называемым параметром (или критерием) нагрузки (или
форсирования). Коэффициент полноты сгорания топлива h получается тем меньше, чем больше 
или 
,
где
,
,
- расход, давление и температура воздуха в камере, 
-объем жаровой трубы камеры; a, b, с – постоянные коэффициенты, определяемые
экспериментальным путем.
Так как с ростом pk давление и температура воздуха за
компрессором двигателя, т.е. на входе в камеру, повышаются, то, как следует из
последней зависимости, параметр форсирования для двигателя с более высокой
степенью повышения давления будет меньше (при одинаковом соотношении Gв/Vk).
Следовательно, для двигателя с большим pk полнота сгорания топлива должна быть выше,
а эмиссия продуктов неполного сгорания –СО и СnHm- ниже.
Проведенные
исследования выявили ряд перспективных направлений снижения эмиссии двигателей.
Эти направления связаны с определенным вмешательством в рабочий процесс в камере
сгорания и соответствующими изменениями ее конструкции.
Соотношение расходов воздуха и топлива в
первичной зоне горения обычно таково, что коэффициент избытка воздуха 
(где Lо- стехиометрический коэффициент, равный
14,7кг воздуха на 1 кг топлива) здесь
несколько меньше единицы, т.е. получается богатая топливовоздушная смесь.
Воспламененная (вначале посторонним источником зажигания, затем циркулирующими
продуктами горения) смесь, перемещаясь вдоль жаровой трубы, постепенно сгорает,
одновременно разбавляясь воздухом, поступающим через последующие ряды
отверстий. К концу зоны горения α достигает уже примерно 2, процесс горения
практически прекращается и температура в этой зоне превышает 2000К. Затем через
последние ряды отверстий – в зоне смешения (разбавления) – добавляется довольно
значительное количество воздуха с тем, чтобы снизить температуру газа до того
уровня, который могут выдержать лопатки турбины.
Важная характеристика рабочего процесса
такой камеры – время пребывания топливовоздушной смеси в зоне горения. Чем
больше это время, тем глубже успеет пройти химическая реакция, тем выше будет
полнота сгорания топлива и тем меньше выделиться продуктов неполного сгорания СО
и СnHm. Но, с другой стороны, именно в зоне
высоких температур происходит образование окислов азота и увеличение времени
пребывания в этой зоне повлечет за собой увеличение эмиссии NOx.
Обычно
полагают, что время пребывания газа в зоне горения пропорционально среднему
времени пребывания его в объеме жаровой трубы Vk камеры сгорания 
. Так как плотность воздуха в камере 
, то из предыдущих соотношений можно
определить связь между параметрами форсирования 
, от которого зависит полнота сгорания топлива, и средним
временем пребывания:
Видно,
что чем больше время пребывания τпр
, тем меньше 
, и тем, следовательно выше коэффициент
полноты сгорания η . Обработка большого числа данных
показывает, что индекс эмиссии NОx в первом приближении определяется только
двумя параметрами - температурой воздуха за компрессором Тk и средним временем пребывания в зоне
горения τпр,
причем
EINОx пропорционален τпр.
Соответственно
основной причиной образования СО и СnHm может быть недостаточное время пребывания в
зоне горения. Еще один источник продуктов неполного сгорания – области вблизи
стенок жаровой трубы, где для охлаждения стенок с помощью системы отверстий и
щелей создается пелена относительно холодного воздуха. Попадая в эту пелену,
продукты пиролиза или неполного окисления, а также исходное топливо (в головной
части камеры) «замораживаются» и в таком виде попадают в отработавшие газы
(отчасти они догорают, если вновь попадают в высокотемпературные зоны камеры).
Основные
количества окислов азота NОx образуются в зонах камеры, где
температура достигает максимальных значений, превышающих 2000 К, так, как
скорость образования NОx экспоненциально зависит от температуры.
Наибольшую температуру горения обеспечивает, как известно, топливовоздушная
смесь стехиометрического состава. Поэтому наличие в зоне горения больших
областей с α ≈
1 способствует увеличению эмиссии NОx так же, как и повышение начальной
температуры воздуха или времени пребывания в зоне высоких температур.
Наконец,
частицы сажи образуются преимущественно
в тех случаях, когда порции очень богатой смеси с α=0,3¸0,4
попадают в зоны с высокой температурой газа.
Получается,
что в двигателе обычной схемы уменьшить выброс СО и СnHm можно лишь за счет увеличения NОx.
Несколько
улучшают дело применение способов подачи топлива, обеспечивающие смешение
топлива с воздухом. Это и пневмофорсунки, и форсунки с аэрацией топливного
факела, и устройства с предварительным испарением топлива. Ускорение
перемешивания топлива уменьшает вероятность вовлечения в горение порций очень
богатой смеси, наличие которых, помимо сажеобразования, сильно затягивает
процесс выгорания топлива, способствуя росту эмиссии СО и СnHm.
Кроме того, вовлечение
в горение первоначально очень богатой смеси увеличивает вероятность появления в
зоне горения (ближе к ее концу) областей с примерно стехиометрической смесью и
с высокой степенью завершения горения, т.е. областей с максимальной температурой
газа и максимальным выходом NОx.
Подобными
способами удается в некоторых случаях снизить эмиссию СnHm более,
чем на порядок, а эмиссию СО – в несколько раз и, кроме того,
заметно снизить эмиссию NОx и
обеспечить полностью бездымный выхлоп.
По
мере развития ГТД и повышения уровня их термодинамических параметров проблема
эмиссии продуктов неполного сгорания топлива становится менее острой, зато
обнаруживается проблема эмиссии NОx.
В связи с этим поиск
новых путей снижения эмиссии окислов азота (без увеличения других веществ)
составляет основное содержание исследований. Результат таких исследований –
создание так называемого стадийного процесса сжигания топлива в камере сгорания
и разработка на этих основах двухзонных
камер сгорания.
В
подобных камерах сгорания основная часть топлива на режимах большой тяги
(взлет, набор высоты, крейсерский полет) сжигается в виде предварительно
подготовленной бедной смеси с коэффициентами избытка воздуха больше единицы (в
зоне 2). Если такая смесь соответствует, например, α = 1,5,
то конечная температура ее горения на несколько сот градусов ниже
максимальной температуры горения стехиометрической смеси, а количество
образующихся окислов азота снижается более чем на порядок. Однако устойчивость
горения бедных смесей недостаточна для обеспечения соответствующих
эксплуатационных характеристик двигателя. Поэтому в таких камерах существует
еще одна зона горения (зона 1), в которой сжигается смесь примерно
стехиометрического состава или даже более богатая. Поскольку в эту зону на
режимах большой тяги (когда температура воздуха на входе в камеру высокая)
подается сравнительно небольшая часть топлива (порядка 25%), то относительно высокая скорость образования NОx в
этой зоне не приводит к значительному увеличению суммарной эмиссии NОx
двухзонной камерой. В то же время высокотемпературные продукты горения из
данной зоны специально подводятся к зоне горения основной части топлива и тем самым повышают устойчивость горения
бедной смеси. На режимах малой тяги (малого газа) топливо подается только в
первую зону, околостехиометрический состав смеси в которой обеспечивает высокую
полноту сгорания топлива и приемлемо низкий уровень эмиссии СО и СnHm .
Более
отдаленную перспективу открывают
модели, в которых при сжигании полностью гомогенных (т.е. однородных по
фазе и составу) бедных смесей получено уменьшение индекса эмиссии NОx
на один порядок, а при сжигании еще более бедных смесей на каталитических
поверхностях – почти на два порядка.
токсичность
отработавших газов двигателей
Жидкое
моторное топливо (керосин) для ГТД имеет сложный химический состав и содержит в
основном углеводороды парафинового, ароматического и нафтенового рядов. В процессе быстрого, но неполного сгорания в
камере двигателя молекулы углеводородов распадаются на свободные радикалы,
которые могут рекомбинироваться в различные изомерные углеводороды и
выбрасываются с отработавшими газами.
В
отработавших газах содержаться токсичные соединения – окись углерода,
альдегиды, углеводороды, в том числе полициклические ароматические углеводороды
(ПАУ), окислы азота и серы, а также нетоксичные составляющие – азот, кислород,
вода, двуокись углерода и др. Всего более 1200 компонентов, из которых
расшифровано не более 200 соединений. Одна из главных причин такого сложного
состава ОГ – неполное сгорание, крекинг и пиролиз топлива, а также масел, попадающих
в камеру сгорания.
Все
многообразие компонентов ОГ обычно сводится к шести группам.
1- азот,
кислород, водород, водяной пар и углекислый газ СО2 (содержание
последнего в атмосфере не достигает уровня, вредного для здоровья; 2- окись
углерода СО; 3- окислы азота NOx (в ОГ из общего количества NОx на долю NO приходится
90% и более); 4-углеводороды СхНу – самая многочисленная группа веществ
(наибольшую опасность представляют канцерогенные ПАУ, одним из характерных
представителей которых является бенз(а)пирен С20Н12); 5
-альдегиды RCHO; 6-сажа,
способная адсорбировать канцерогенные вещества.
Из всех
приведенных составляющих лишь составляющие первой группы нетоксичны.
Количественный и качественный состав ОГ зависит от типа двигателя, режима его
работы, технического состояния, качества топлива и др.
Для принятия
необходимых мер по снижению загрязнения окружающей воздушной среды необходимо
знать, что такое чистый воздух (качество воздуха), каким требованиям он должен
удовлетворять. В нашей стране утверждены ПДК для 160 веществ и 30 их соединений
в воздухе населенных пунктов, включая нормативы для основных компонентов ОГ
двигателей: окиси углерода, окислов азота, углеводородов, альдегидов, БП, сажи.
Несмотря на
многообразие канцерогенных веществ, образующихся при горении органических
веществ, присутствие их в продуктах сгорания и воздухе обычно оценивается по
наличию БП. Последний используется в качестве индикатора присутствия
канцерогенных веществ в воздухе, воде, почве и т.д., поскольку является одним
из наиболее сильных канцерогенных веществ, самым распространенным в окружающей
среде и легко выявляемым по характерному спектру флуоресценции.
Выбросы БП с
отработавшими газами растут с увеличением нагрузки, а максимальные их значения
соответствуют переходным режимам.
Количество несгоревших углеводородов (СхНу),
оксида углерода (СО),
оксидов азота (NOx) и дыма,
выделяющиеся при работе газотурбинного двигателя
(ГТД), зависит от состава
топлива, конструкции и режимов
работы камеры сгорания. При этом выброс СхНу,
СО, СО2, NOx и дыма зависит от мощности двигателя и
состава топлива, выделение СО2 пропорционально
отношению топлива к воздуху,
а уровень дымления зависит от содержания ароматических углеводородов
в топливе.
В
настоящее время имеется
несколько моделей расчета выбросов
из камер сгорания.
В одних процесс горения разделяется на несколько
отдельных этапов, скорость протекания которых описывается характерным
временем окисления СО, образования NO,
существования СО и
NO. Эмпирическая модель представляет собой корреляционные
зависимости между экспериментально
установленными индексами эмиссии загрязняющих веществ, свойствами
топлива и параметрами двигателя. Эмпирическая модель применима только к определенному типу камер сгорания и
не может быть использована для расчета выброса загрязняющих веществ камерами сгорания другой
конструкции.
Расчет индексов эмиссии выполнен методами
интерполяции, где в качестве
узловых значений интерполяции используются индексы эмиссии загрязняющих
веществ, полученные в процессе стендовых испытаний авиадвигателей, параметры
работы двигателей:
при расчете индексов эмиссии оксидов азота
используется температура воздушного
потока за компрессором Тк*;
при расчете индексов
эмиссии продуктов неполного сгорания используется параметр форсирования камеры
сгорания авиадвигателя:
W = Gв
/ Vкс Рк* 1,8 exp(Тк*/300) = [t
кс Rг Рк* Тк* exp(Tк*/300)] -1 , где
Gв
- расход воздуха через камеру сгорания двигателя;
Vкс-
объем камеры сгорания;
Рк,
Тк - давление и температура воздуха за компрессором;
t
кс - время пребывания газов в объеме жаровой трубы.
Узловые значения параметров работы
двигателей Ркi* и Wi определяются для режимов работы
двигателей, на которых выполнялись стендовые испытания эмиссионных
характеристик.
Текущие значения параметров работы
двигателей Тк* и W, для которых осуществляется расчет
индексов эмиссии определяется термодинамическим
расчетом двигателя в зависимости от режима работы двигателя и параметров полета
самолета.
оценка параметров
работы двигателя
Методика предусматривает несколько
способов оценки текущих значений параметров работы двигателя в зависимости от
условий полета и режима работы двигателя:
параметры работы двигателя задаются в виде
дроссельных и высотно-скоростных характеристик и их текущие значения
определяются методом интерполяции;
параметры
работы двигателя определяются термодинамическим расчетом по известным характеристикам компрессора
и реализуемого закона регулирования двигателя.
Для ТРДД со смешанным потоком или с раздельными
соплами применяются законы регулирования:
Тг*=const,
n в
=const, n к
нд=сonst
и nк
вд=const.
В
зависимости от закона регулирования используется следующая последовательность
термодинамического расчета параметров потока за компрессором:
-
для закона `n в = 1,0 = const
а) Тв* = 288 (1,0 / `n в пр)2 ;
б) Т вн* = Т в*;
в) Т к нд* = Твн* t к
нд; `n к нд = `n к нд пр (Т вн* / Т
вн расч*)1/2 ;
г) Тк* = Т к нд* t
к вд; n к вд = n к
вд пр (Т к нд*/Т к нд расч*)1/2 ;
-
для закона `n к нд = 1,0 = const
а) Т вн* = Т вн расч*
(1,0 / `n к нд пр)2 ;
б) Т в* = Т вн* / t в; `n в = `n в пр (Т вн* / 288)1/2 ;
в) Т к нд* = Т вн* t к
нд;
г) Т к* = Т к нд* t к
нд; `n к вд = `n к вд пр (Т к нд / Т к нд расч)1/2 ;
-
для закона `n к вд = 1,0 = сonst
а) Т к нд* = Т к нд расч
* (1,0 / `n к вд пр)2 ;
б) Т вн* = Т к нд* / t к
нд;
в) Т в* = Т вн* / t в;
г) Т к* = Т к нд* t к
вд.
-
для закона Т г* = const
а) Т к нд* = Т к нд расч*
(t к вд расч - 1) / (t к вд -1);
и далее как для `n к вд = const.
Параметр
расхода воздуха является функцией от частоты вращения ротора двигателя.
значение расхода топлива G т заданы в
виде дроссельных и
высотно-скоростных характеристик по данным термодинамического расчета
предприятия-изготовителя.
В
1971 году в Стокгольме состоялась Конференция ООН по проблемам окружающей
человека среды. Позиция ИКАО на этой конференции изложена в резолюции Ассамблеи
А18-11, в которой, наряду с прочим, содержится следующее положение:
выполняя
свою роль, ИКАО осознает вредное воздействие на окружающую среду, которое может
быть связано с эксплуатацией воздушных судов, а также свои обязанности достичь
максимальной совместимости между безопасным и планомерным (гармоничным)
развитием гражданской авиации и качеством окружающей человека среды.
На
18-й Ассамблее была также принята резолюция А18-12 относительно окружающей
среды, в которой говорится:
Ассамблея:
просит
Совет при помощи и в сотрудничестве с другими органами Организации (ООН) и
другими международными организациями энергично продолжать работу, связанную с
разработкой Стандартов, Рекомендуемой практики и правил и(или) инструктивных
материалов относительно качества окружающей человека среды;
Эта
резолюция привела к принятию программы действий ИКАО по вопросам окружающей
среды. В рамках этой программы действий была создана исследовательская группа
для оказания Секретариату помощи для выполнения отдельных задач, связанных с
нормированием эмиссии авиационных двигателей. В результате деятельности этой
группы в 1977 году был опубликован циркуляр ИКАО, озаглавленный «Нормирование
эмиссии авиационных двигателей (циркуляр 134-AN/94).
В этом циркуляре содержался инструктивный материал о методах сертификации для
нормирования сброса топлива, эмиссии дыма и отдельных газообразных веществ для
новых турбореактивных и турбовентиляторных двигателей, предназначенных для
эксплуатации на дозвуковых скоростях.
Совет
согласился с тем, что вопрос эмиссии авиационных двигателей не ограничивается
лишь объективными техническими аспектами, а заслуживает рассмотрения экспертами
во многих областях, а также представления непосредственных замечаний
государствами-членами ИКАО. С учетом этого в 1977 году был создан комитет
Совета, названный Комитетом по эмиссии авиационных двигателей (САЕЕ), для
проведения работ по ряду аспектов этого вопроса.
На
втором заседании Комитета по эмиссии авиационных двигателей, состоявшемся в мае
1980 года, были разработаны предложения относительно материала для включения в
одно из Приложений ИКАО. После внесения поправок, полученных в результате
обычных консультаций с государствами-членами ИКАО, предложенный материал был
принят Советом в качестве стандарта. Совет согласился с целесообразностью включения
всех положений, относящихся к воздействию авиации, в одно Приложение. Исходя из
этого, Совет озаглавил Приложение I:
«Охрана окружающей среды», назвал ранее предложенный стандарт «том I
Авиационный шум», вновь разработанный стандарт – «том II,
Эмиссия авиационных двигателей».
применимость стандарта
В
части I
тома II
Приложения !: содержаться определения, а в части II
содержаться Стандарты, относящиеся к выбросу топлива. В части III
содержаться Стандарты, относящиеся к сертификации по эмиссии применительно к
классам двигателей воздушных судов, оговоренным в отдельных главах части, в тех
случаях, когда такие двигатели установлены на воздушных судах международной
гражданской авиации.
действия договаривающихся сторон
В
соответствии с обязательством, возлагаемым 38 статьей Конвенции о гражданской
авиации Договаривающимся государствам надлежит уведомлять Организацию (ИКАО) о
любых случаях расхождения их национальных правил и практики с международными
Стандартами, содержащимися в данном Приложении, и всеми внесенными в них
поправками, включая те, которые могут возникнуть впоследствии, либо об устранении
ранее сообщенных расхождений.
Ранее
(1948 г) Совет принял резолюцию, в которой обращал внимание Договаривающихся
государств на желательность использования в их национальных правилах, насколько
возможно, точных формулировок тех Стандартов ИКАО, которые носят нормативный
характер.
статус
составных частей Приложения
стандарт
Любое
требование к физическим характеристикам, конфигурации, материальной части,
техническим характеристикам, персоналу или правилам, единообразное применение
которого признается необходимым для обеспечения безопасности или регулярности
международной аэронавигации и которое будут соблюдать Договаривающиеся
государства согласно Конвенции. В случае невозможности соблюдения Стандарта
Совету в обязательном порядке направляется уведомление в соответствии со
статьей 38.
рекомендуемая практика
Любое
требование к физическим характеристикам, конфигурации, материальной части,
техническим характеристикам, персоналу или правилам, единообразное применение
которого признается необходимым для обеспечения безопасности или регулярности
международной аэронавигации и которое будут соблюдать Договаривающиеся
государства согласно Конвенции.
Сертификация
по эмиссии двигателей воздушных судов,
занятых в международной аэронавигации, проводится в соответствии с
международными стандартами и рекомендуемой практикой ИКАО (Международная
организация гражданской авиации). Допустимые уровни выброса (эмиссии)
загрязняющих веществ авиационными двигателями и процедуры проведения испытаний
установлены Приложением 16 к Чикагской конвенции о международной гражданской
авиации, т.II, эмиссия авиационных двигателей, и аналогичным ему ГОСТ 17.2.2.04-86 «Двигатели газотурбинные самолетов
гражданской авиации. Нормы и
методы определения выбросов загрязняющих
веществ», другими нормативными актами в соответствии с существующим
законодательством.
Авиационные двигатели отечественного производства
должны иметь сертификат соответствия типа действующим стандартам по выбросу (эмиссии)
загрязняющих веществ, выданный
уполномоченным сертифицирующим органом. В отношении сертификатов,
выданных в странах СНГ, действует процедура взаимного признания в соответствии
с международной практикой. Авиационные
двигатели, не подпадающие под действие указанных стандартов. должны иметь
разрешение на выброс (паспорт), выданный соответствующим уполномоченным
природоохранным органом на основании имеющейся базы данных.
допустимые уровни эмиссии
Нормы на эмиссию ориентированы на
некоторый уровень технологий, который в результате большого числа исследований
уже определился. На контрольный параметр эмиссии весьма сильно влияют параметры
термодинамического цикла двигателя, причем как через удельный расход топлива,
так и непосредственно через давление и
температуру воздуха в камере сгорания. Другими словами одна и та же
камера сгорания, будучи установленной на разные двигатели, дает неодинаковые
значения контрольного параметра эмиссии.
Давление и температура воздуха на входе в
камеру сгорания есть известные функции степени повышения давления в компрессоре
двигателя. С другой стороны, удельный расход топлива также может быть приблизительно
быть выражен в виде функции только величины k , следовательно, целесообразно было
допустимое значение контрольного параметра эмиссии также сделать функцией
степени повышения давления. В ходе обсуждения в специализированном комитете по
эмиссии ИКАО отдельные детали претерпели определенные изменения, но рассмотренные
принципы были сохранены. Нормы были распространены только на большие (с тягой
более 27 кН) ТРД и ТРДД магистральных самолетов. Отсутствие необходимого
нормирования эмиссии других типов двигателей, связано с меньшим их вкладом в
загрязнение и их количеством в эксплуатации.
Нормируется также выброс дыма. Но на основе
принципиально отличающейся от рассмотренной применительно к эмиссии
газообразных веществ. Допустимый уровень дымления устанавливается в функции
взлетной тяги двигателя.
Пятый нормируемый компонент эмиссии –
выброс топлива. Преднамеренный выброс в атмосферу топлива, сливаемого из камеры
двигателя или после неудачного запуска, полностью запрещается. Выполнение этого
требования удостоверяется предъявлением чертежей соответственным образом
сконструированной замкнутой дренажной системы.
Соответствие другим нормам устанавливается
измерением концентрации вредных веществ в выхлопных газах двигателя в ходе
сертификационных испытаний.
Допустимые уровни выброса (эмиссии)
загрязняющих веществ авиационными и двигателями и процедуры проведения испытаний
установлены Приложением 16 ИКАО, т.II, Эмиссия авиационных двигателей и ГОСТ
17.2.2.04-86 "Двигатели
газотурбинные самолетов гражданской авиации. Нормы и методы определения выбросов
загрязняющих веществ", аналогичным
ему.
В соответствии с этими стандартами
суммарная масса вещества за стандартный взлетно-посадочный цикл, определенная в
соответствии с процедурой, установленной стандартом и отнесенная к величине
взлетной тяги, не должна превышать следующих значений в граммах на 1 кН
расчетной тяги:
для
турбореактивных и турбовентиляторных двигателей с тягой более 26,7 кН,
отнесенные
к метану (СхНу), г / кН Dр/Fоо
= 19,6
оксид
углерода (СО), г / кН Dр/Fоо
= 118
оксиды
азота (NОх), г / кН Dр/Fоо
= 40 + 2pк
число
дымности (SN), г / кН Dр/Fоо
= 83,6 (Fоо), но не более 50 ,
где
Dр/Fоо - количество загрязняющего вещества на единицу
тяги, выбрасываемого двигателем за взлетно-посадочный цикл (LТО), г / кН,
pк - степень повышения давления в двигателе
на взлетном режиме
для двигателей
сверхзвукового транспортного самолета
суммарные
углеводороды,
отнесенные
к метану (НС) 140(0,92)
p к ;
оксид
углерода (СО) 4550(p к) -1,О3 ;
оксиды
азота (NOx) 36
+ 2,42 p к,
где
p к -степень повышения давления;
число
дымности NS
= 83,6 (R оо) -О,274 ;
для вновь разрабатываемых
двигателей
допустимые
выбросы устанавливаются «Временными нормативами на эмиссию загрязняющих
атмосферу газообразных веществ для новых типов двигателей, разрабатываемых для
самолетов гражданской авиации» МАП - МГА., -М.,1983.;
применяются при установлении
сертификационных требований к воздушным судам (двигателям), подпадающим под
действие настоящих нормативов, формировании технического задания на разработку
двигателя (воздушного судна), проведении сертификационных испытаний, других
испытаний авиационных двигателей.
разработан в соответствии с целевыми
нормативами Международной организации гражданской авиации (ИКАО) по
выбросу загрязняющих веществ (эмиссии) для вновь разрабатываемых авиационных
двигателей.
(СхНу)
= 9,05 pк < 16,2
35(0,92) pк 16,2
£pк < 25
4,35 pк ³ 25
(СО) = 100 pк < 16,5
26300/pк 2 16,5
£pк < 25
42 pк ³ 25
(NОх) = 32 + 0,8 pк pк < 40
64 pк > 40
турбореактивные
двигатели с тягой менее 26,7 кН, турбовинтовые и турбовальные двигатели и
вспомогательные газотурбинные двигатели в составе вспомогательной силовой
установки воздушного судна
Индексы эмиссии несгоревших углеводородов (СxНy)
и оксида углерода (СО), определенные на режиме земного малого газа (холостого
хода) в соответствии с [2.1] или [2,2], не должны превышать следующих значений
в зависимости от степени повышения давления в двигателе на указанном режиме (pк мг), г / кг:
несгоревшие углеводороды (СxНy) 0,7 + 6,8 *
(0,75) pк мг 4
оксид углерода (СО) 55 *
(0,75) pк мг 4 , где
pк - степень повышения давления в двигателе
на взлетном режиме.
Индекс эмиссии оксидов
азота (NОx), г/кг, определенный на режиме земного малого газа в, не должны
превышать следующих значений в зависимости от степени повышения давления в
двигателе на указанном режиме (pк мг):
оксиды азота (NOx) 2 +
0,55 * (pк max4) 1/2 ;
Нормативное число дымности (SN) не
должно превышать следующие значения в зависимости от величины максимальной
мощности (тяги) двигателя:
SN = 83,6 * (Ro)-0,274
, но не более 50,
SN = 277 * (No)-0,28
, но не более 50, где Ro в кН и No
в кВт.
Помимо нормируемых выбросов в отработавших
газах содержится много других токсичных компонентов, требующих отдельного рассмотрения.
Приложение
эмиссионные
характеристики двигателей
Тип Тип
воздуш- Эмиссионные характеристики, г / кг топлива
двигателя ного судна
НК-8-У
Ту-154 EIСО = 6,916 * W
+0,09248 * W3
EIСН = 0,4635 * W 1,935
EI`NOx = 16,88 - 0,136 * ТK + 3,167*10-4 * ТK2 - 1,616*10-7 * ТK3
EINOx
= - 4,138 + 9,216*104 * К - 1,426*108 * К2 +
9,81*1010 * К3
НК-86
Ил-86 EI CO = 1,51 + 482 * W
EIСН
= 0,0492 * W4,563
EI`NOx = 4,44 + 4,233*10-7 * (ТK-350)3
EINOx = 1,72 +
2,362*104 * К
Д-30 Ту-134
EIСО
= - 8,83 + 8,231 * exp(W
/3,5)
EIСН
= - 0,847 + 0,829 * exp(W
/2,2)
EI`NOx
= 0,43 + 0,127 * exp(ТK/140)
EINOx = - 0,19 + 3,337*104 * К
Д-30КУ
Ил-62М EIСО
= 2,331 * W1,55 7
Д-30КП Ил-76 EIСН
= - 8,868 + 8,6 * exp( W/ 10)
Д-30КУ-154 ТУ-154М EI`NOx
= 3,157 + 1,77*10-7 * (ТK-300)3
EINOx = 103,2 + 36,06 * lg(К) + 16643
* lg2(К) - 0,297 * lg3(К)
Д-36 Як-42 EIСО = - 0,039 * ( W - 0,13) + 2,57 * (W - 0,13)2
EIСН
= - 0,31 + 0,04123 * exp(W
* 1,63)
EI`NOx = 0,557 + 1,005ТK
EINOx = 4,236 * 103*К0,765
ПС-90А
Ил-96 EIСО
= - 4,146 + 4,72 * exp(W /4)
Ту-204 EIСН =
0,09828 * 1,384 exp( W/2,5)
EI`NOx
= 1,144 + 0,147 * exp(ТK/150)
EINOx = 9097 * KО.8535
АИ-25 Як-40
EIСО
= 3,65 * W
+ 16155 * W2
EIСН
= - 1,54 + 06947 * exp(W
/2,8)
EI`NOx = - 8,5 + 0,0294 * ТK
EINOx = 54,65 + 5,5 * ln(К)
АИ-24 Ан-24В EIСО = 1,84 * W 1,2063
2
серии Ан-24В EIСН = 3,47*10-3 *
W 3,89
АИ-24Т
Ан-24В EI`NOx = 3,1614 + 6,35*10-3
* exp(ТK/80)
АИ-24ВТ Аи-26, EINOx = 5076,823 * К0,73
размерности
EIСО
, EIСН = [г/кг топлива]
W = [кг * с-1 * H-8 *
М0,6 * 109]
ТK
= [оК]
К
- комплексный параметр
дроссельные
характеристики двигателей
Тип Тип
воздуш- Дроссельные характеристики,
г / кг топлива
двигателя ного судна
НК-8-У
Ту-154 ТКпр = 317,9 + 3,64 * 10-4
* NВДпр3
РКпр
= 1689 + 4,3*10-3* (NВДпр - 50)2
GBпр = 17,95 +
1,88*10-4 * (NВДпр-20)3
GTпр = 912,6 + 0,05526 * (NВДпр-50)3
Rпр
= 487,85 * 1,071(NВДпр-50)
НК-86 Ил-86 ТКпр = 304,2 + 4,43*10-4 * NВДпр3
РКпр = 2,15 + 6,47*10-3
* (NВДпр - 50)2
GBпр = 4,675 + 1,51*10-4
* NВДпр3
GTпр = 906,6 + 0,0766 * (NВДпр
- 50)3
Rпр = 615,23 * 1,073(NВДпр
- 50)
Д-30 Ту-134 ТКпр = 359,4 + 0,0877 *
(NВДпр - 35)2
РКпр = 2,455 + 6,1-5 *
(NВДпр - 35)3
GBпр = 8,668 + 0,01688 *
(NВДпр - 45)2
GTпр = 481,69 + 0,03808 * (NВДпр
- 53)3
Rпр = 60,13 + 0,0329 * (NВДпр
- 40)3
Д-30КУ
Ил-62М ТКпр = 340,42 + 4,33*10-4
* NВДпр3
Д-30КП Ил-76 РКпр
= 2,87 + 1,22*10-4 * (NВДпр - 45)3
Д-30КУ-154
ТУ-154М GBпр = 4,65 + 1,514 * exp(NВДпр/25)
GTпр = 9606,72 + 584,996 * NВДпр
- 10,84NВДпр2 + 0,0664NВДпр3
Rпр = 12,18 *1,0745NВДпр
Д-36 Як-42 ТКпр = 451,94 +
1,61*10-3 * (NВДпр - 40)3
РКпр = 2,8084 + 1,212*10-4
* (NВДпр - 45)3
GBпр = 4,11 + 1,14*10-4
* (NВДпр - 35)3
GTпр = 141,1 + 1,15 * exp(NВДпр/13)
Rпр = 401,68 + 0,078 * (NВДпр - 55)3
ПС-90А
Ил-96 ТКпр = 423,46 + 1,18*10-3
* (NВДпр-24)3
Ту-204 РКпр
= 2,68 + 8,17*10-3 * exp(NВДпр/11,5)
GBпр = 13,63 + 8,3*10-4
* (NВДпр-53)3
GTпр = 425,6 + 0,091 * exp(NВДпр/8,5)
Rпр = 660,61 + 0,449 * exp(NВДпр/9)
АИ-24 Ан-24В ТКпр = 526,14 + 25,144 * ln(`Nо)
2 серии Ан-24В РКпр = 6,09 + 0,56 * ln(`No - 0,06)
GTпр
= 221,52+453,17*(`Nо)
АИ-24Т Ан-24В ТКпр= 538,53+20,17*ln(`Nо - 0,02)
АИ-24ВТ Аи-26 РКпр
= 6,5567 + 0,746 * ln(`Nо - 0,01)
Аи-30 GTпр
= 238 + 493,387 * `Nо
АИ-25 Як-40 ТКпр = 253,5 + 3*10-2 * NВДпр2
РКпр = 1,6 + 78*10-5
* (NВДпр - 28)3
GBпр = 2,55 + 2,49*10-3
* (NВДпр - 35)2
GTпр
= 173,47 + 0,297 * exp(NВДпр/13)
Rпр = 67,7 + 5,4*10-3
* (NВДпр - 37)3
TКпр
= [oK] PKпр
= [кг / см2] GВ
кс пр = [кг . с]
GТпр
= [кг / ч] Rпр =
[кгс] `No - относит. мощн. NВДпр = [ % ]
Измерения
проводятся с помощью
газоаналитических измерительных систем типа ”BECMAN", отвечающей
требованиям международного стандарта.
В состав измерительных систем входят:
анализатор углеводородов пламенно-ионизационного
модели типа 4О2, предназначенный для
измерения суммарных углеводородов (НС) в выхлопной струе
газотурбинных двигателей,
инфракрасный анализатор модели 864 и 865
для измерения содержания оксида углерода
анализатор оксидов азота NO/NOх
модели 955 хемилюминисцентного типа, применяемый для анализа проб газа с
высоким содержанием водяного пара и предназначенный для измерения эмиссии
двигателей.
Калибровка измерительных газов проводится
изготовленными фирмой эталонными газами
в диапазоне ожидаемых концентраций.
Измерения
проводятся на различных
режимах работы двигателя вплоть до взлетного режима, около
3О точек в каждом испытании
при прямом и обратном ходе
изменения оборотов двигателя через 2% на режимах малого газа и 5% на остальных
режимах работы двигателя. Тяга двигателя и расход топлива в ходе испытаний уточнялись по дроссельным
характеристикам по данным приемо-сдаточных
испытаний двигателя
(формулярные данные). Расход воздуха через
двигатель определялся по данным стендовых испытаний двигателя.
Углеводородный состав топлива определен по спецификации топлива. В расчетах принято n/m 2,0 и m = 12. Влияние синергического эффекта,
учитывающего дифференциальную
реакцию анализатора на углеводороды, по данным испытаний находится в пределах,
установленных стандартом. В испытаниях проверялась также эффективность
конвертера NO2/NO анализатора модели 955. Определение к.п.д.
конвертера проведено с помощью
специального устройства и по методике фирмы-изготовителя измерительной
аппаратуры. Эффективность конвертера по
данным испытаний составляла = 0,98, что отвечает стандарту.
Измерения проводятся на
специально стенде, оборудованном аппаратурой для
измерения дымления и концентрации загрязняющих веществ. Число дымности
(SN) определяется путем обработки загрязненных фильтров
после пропускания через
них выхлопных газов. Концентрация несгоревших углеводородов
измеряется с помощью
пламенно-ионизационного детектора. Содержание кислорода определяется м по
магнитной восприимчивости пробы. Одновременно измеряется влажность пробы. Измерения могут проводится для различных видов топлива с целью
определения влияния ароматических соединений в топливе на индексы эмиссии
загрязняющих веществ.
Полученные данные о
выбросах оксида углерода
подтверждают зависимость между
выбросами СО и отношением топлива и воздуха в камере. Индекс эмиссии СО2 пропорционален отношению топливо / воздух.
Несгоревшие углеводороды
представляют собой продукты
неполного сгорания. Индекс эмиссии СхНу пропорционален содержанию ароматических углеводородов в топливе.
Расчетная модель описывает влияние отношения
топливо/воздух и давления перед
камерой а индекс эмиссии СхНу. При возрастании этого отношения
и давления индекс
эмиссии углеводородов уменьшается
ввиду повышения эффективности процесса горения в этих условиях.
Оксиды азота в основном образуются в
первичной камере сгорания в областях,
имеющих стехиометрическую температуру горения. Стехиометрическая температура пламени повышается
при уменьшении содержания водорода
в топливе. Содержание ароматических соединений
в топливе обратно
пропорционально содержанию водорода.
Анализ экспериментальных данных, полученных для различных топлив,
показывает, что при
увеличении ароматических
соединений в топливе
происходит небольшое увеличение
выбросов NOx и значительное
повышение интенсивности теплового излучения
от пламени. Блокировка излучения
продуктов сгорания частицами углерода
способствует повышению
стехиометрической температуры пламени внутри камеры и, тем самым, увеличению
индекса эмиссии NOx.
Слабое влияние ароматических соединений на
индекс эмиссии NOx обусловлен ростом теплотворной способности топлив с повышенным
содержанием водорода, что ведет к снижению
суммарного эффекта. Полученные данные подтверждают, что
величина индекса эмиссии NOx пропорциональна температуре пламени.
Стехиометрическая температура
пламени возрастает при увеличении отношения топлива/воздух.
Применительно к загрязнению верхних слоев
атмосферы от двигателей воздушных судов рассматривается выброс двигателями
рейсовых воздушных судов гражданской авиации, выполняющими полет в верхней тропопаузе, и сверхзвуковыми
транспортными самолетами в стратосфере,
введение которых предполагается в ближайшем будущем.
снижение эмиссии двигателей,
находящихся в эксплуатации
Двигатель НК-8-2У,
прототип которого был разработан до 1 января 1965 года, подпадает под соответствующее
исключение международного стандарта (Приложение 16 ИКАО, том II).
Однако, учитывая, что этот двигатель продолжает выпускаться в настоящее время и
является наиболее массовым двигателем, используемым гражданской авиацией, были
проведены ряд работ по доводке этого
двигателя по снижению уровней шума и эмиссии этого двигателя.
С целью повышения
безопасности разработана компоновка двигателя НК-8-2У с заменой титанового статора на стальной, был внесен ряд
конструктивно-технологических изменений, позволивших компенсировать ухудшение
экономичности двигателя из-за увеличения радиальных зазоров в каскаде высокого
давления, вследствие различных коэффициентов расширения титана и стали, и
повысить эксплуатационную надежность двигателя.
В результате выполненных
предприятием-изготовителем исследований и доработок, внедренных на двигателе
НК-8-2У II серии, одновременно с
доработками по титановому статору удалось снизить выбросы углеводородов СnHm и оксида углерода (СО) на
30-40%.
Возможности дополнительного
снижения эмиссии на этом двигателе связаны с перераспределением подачи топлива
в I и
II
контуре форсунок камеры сгорания двигателя на режиме малого газа, где
присутствует наибольшее количество СО и СnHm в отработавших газах, подобно тому, как это
выполнено на модифицированной камере сгорания двигателя НК-86, на которой также
было получено снижение эмиссии.
Это было подтверждено
испытаниями, описанными выше (тема девятая). Здесь мы приводим только результирующие
зависимости, характеризующие выброс загрязняющих веществ на двигателе различных
модификаций.
индексы эмиссии двигателей НК-8-2У и
НК-8-2У II
серии с модифицированным регулятором топлива
Международный
стандарт по выбросам (эмиссия) вредных веществ от авиационных двигателей гражданской
авиации существует в виде тома II «Эмиссия авиационных двигателей» Приложения
16 к Конвенции о международной гражданской авиации. В рамках СНГ эмиссия
вредных веществ регулируется Авиационными правилами АП-34 «Охрана окружающей
среды. Нормы эмиссии для авиационных двигателей», в которых нормы на эмиссию
практически соответствуют международным требованиям.
В соответствии
с международным и отечественным стандартами в настоящее время нормируется
эмиссия несгоревших углеводородов (НС), оксида углерода (СО), оксидов азота
(NOх), дыма (SN) и запрещается преднамеренный выброс топлива в атмосферу от
двигателей гражданской авиации в зоне аэропортов.
Впервые
международный стандарт по эмиссии принят в 1981 году. С 1996 года по настоящее
время действуют более жесткие (на 20 %) международные нормы на эмиссию оксидов
азота. С 2004 года будут действовать еще более жесткие нормы на эмиссию NOх
(приблизительно на 16%) для новых двигателей и модификаций существующих
двигателей, созданных после 31 декабря 2003 года. С 2006 г. или 2008 г. ИКАО
предполагает ввести запрет на производство двигателей, не соответствующих
нормам на эмиссию вредных веществ.
Страны
Европейского союза (ЕС) проводят еще более жесткую, чем ИКАО, политику по
охране окружающей среды от воздействия авиации. Ряд стран, (например, Швеция,
Швейцария, Норвегия) не дожидаясь окончательных решений ИКАО на
эксплуатационные ограничения по эмиссии, ввели штрафные санкции за превышение
норм эмиссии авиадвигателей.
Более 80%
отечественного парка авиационных двигателей гражданской авиации (Д-30,
Д-30КУ-154, Д-30КУ, Д-30КП, НК-8-2У) не соответствуют нормам по эмиссии вредных
веществ (НС и СО).
Двигатели
ПС-90А и Д-36 соответствует действующим нормам ИКАО по эмиссии, но не
соответствует нормам ИКАО 2004 года на выбросы оксида азота NОх.
Двигатель
Д-436Т1/ТП соответствуют нормам ИКАО 2004 года.
13 ноября с.г. в Санкт-Петербурге, в
аэропорту Пулково, проведена очередная встреча представителей Государственной
службы гражданской авиации (ГСГА) Минтранса России и Европейской конференции
гражданской авиации (ЕКГА). Данное совещание организовано и проведено в рамках
двухстороннего ГСГА-ЕКГА соглашения, подписанного 1 февраля 2002г. в Париже и
предусматривающего сотрудничество сторон в соответствии со своими полномочиями
во всех сферах деятельности гражданской авиации.
В составе российской делегации в совещании
приняли участие руководители ключевых структурных подразделений ГСГА. От ЕКГА
на совещание прибыли главы ведомств гражданской авиации Бельгии, Италии, Ирландии,
Финляндии.
В качестве главных тем совещание
рассмотрело текущие проблемы осуществления полетов воздушных судов российских
авиакомпаний в страны-члены ЕКГА и полетов европейских авиакомпаний в воздушном
пространстве России. Особое внимание уделено обсуждению актуальных вопросов
обеспечения безопасности полетов воздушных судов, авиационной безопасности при
производстве полетов и охраны окружающей среды от воздействия авиации (авиашум
и эмиссия авиадвигателей). Принято решение о детальном исследовании
поставленных сторонами вопросов в рамках совместных рабочих групп технических
экспертов.
На совещании затронута тема модернизации
действующей системы компенсационных выплат при полетах воздушных судов
иностранных перевозчиков по транссибирским воздушным трассам России. Стороны
договорились о проведении совместных работ по поиску взаимоприемлемых решений
как на политическом, так и на чисто техническом уровне.
измерения эмиссии двигателя в полете
Измерения
выполнены на двигателе
НК-8-2У самолета Ту-154 на различных режимах на земле и в условиях
полета по трассе.
Проба газа в испытаниях отбиралась во
время полета из затурбинного
пространства двигателя через технологический штуцер. Такой метод
использован и в ряде стендовых испытаний
двигателя. Сопоставимость данных измерений на срезе и за турбиной
показана [11]. Сопоставимость измерительных систем Beckman и Bruel & Kjaer
в испытаниях подтверждена сравнительными
измерениями на земле.
Измерения содержания загрязняющих веществ
в пробе газа, отбираемой от двигателя в течение полета, выполнены с помощью:
- универсального газового
монитора фирмы 13О2 фмрмы "Bruel & Kjaer" (Дания) (содержание
СО, СО2, и НС) и
-
газового анализатора NO/NOx, модель 951 фирмы "Beckman"
(США) (содержание NO, NO2 и NOx).
Проба отбиралась с помощью двух
параллельно включенных насосов (основного и дополнительного) для увеличения скорости
подачи пробы. Система перепуска за насосом 2 обеспечивает выравнивание давления
на входе в прибор 13О2 с давлением в кабине.
Приемные отверстия проботборника подобраны
таким образом, чтобы обеспечить торможение потока газа за турбиной до 8О%, обеспечивающее
независимость давления в проботборной магистрали независимо от режима работы двигателя. через бумажный фильтр и
защитное устройство от попадания конденсированной воды в тракте подачи пробы. В
процессе измерений давление и скорость потока в пробе газа контролировались
с помощью манометров и ротаметров. Длина пробоотборной линии не превышала 1О м.
Данные измерения приводились по Т, Ратм и Н2О.
Универсальный газовый монитор 13О2
представляет собой количественный газовый анализатор с управлением от
микропроцессора, позволяющий проводить с высокой точностью, надежностью и
стабильностью определение содержания газов. Принцип работы прибора 13О2 основывается
на методе фотоакустического инфракрасного анализатора, позволяющего
обнаруживать и определять содержание газов, поглощающих инфракрасный свет.
Надежность измерений обеспечивается
проводимыми прибором 13О2 регулярными
автопроверками. Высокая точность этих результатов обеспечена способностью прибора 13О2
проводить автокомпенсацию изменений температуры и интерференции,
обуславливаемой водяным паром и другими газами, о которых известно, что они
присутствуют в воздухе.
Калибровка нуля прибора произведена с
помощью чистого сухого и влажного воздуха, а калибровка диапазона -эталонным
газом известной концентрации, предоставленными фирмой
Сравнение параметров двигателя в
наземных и полетных условиях на
эксплуатационных режимах, табл. *
табл.
*
параметры двигателя в наземных и полетных условиях на эксплуатационных режимах
|
параметр
|
режим работы двигателя
|
|
ном
|
мах.кр
|
0.7 ном
|
0,6 ном
|
0,4 ном
|
|
М = 0;
Н = 0
|
|
Т
к*, град К
|
716,1
|
688,3
|
649,3
|
613,3
|
576,6
|
|
p к*
|
16,4
|
14,4
|
11,8
|
9,64
|
7,81
|
|
Gт,
кг/ч
|
1780
|
1480
|
1260
|
1100
|
780
|
|
EI
NOx, г/кг
|
18,2*
|
16,0
|
14,5*
|
13,0
|
11,5
|
|
EI CO , г/кг
|
0,62*
|
0,7
|
0,88*
|
1,1
|
2,6
|
|
Q NOx, г/с
|
9,0
|
6,8
|
5,08
|
4,0
|
2,36
|
|
Q
CO, г/с
|
0,31
|
0,29
|
0,31
|
0,34
|
0,53
|
|
М = 0,75; Н = 8000 м
|
|
Т
к*, град К
|
735,0
|
711,8
|
690,2
|
645,3
|
561,6
|
|
p к*
|
24,95
|
21,56
|
19,81
|
16,0
|
9,9
|
|
Gт,
кг/ч
|
1160
|
1040
|
935
|
793
|
555
|
|
EI
NOx, г/кг
|
20
|
18,44
|
15,7
|
12,9
|
10,12
|
|
EI CO , г/кг
|
0,7
|
0,75
|
0,83
|
1,08
|
5,63
|
|
Q NOx, г/с
|
6,44
|
5,33
|
4,08
|
2,84
|
1,56
|
|
Q
CO, г/с
|
0,225
|
0,22
|
0,213
|
0,24
|
0,87
|
табл.
*
выброс загрязняющих
веществ в нижние слои стратосферы
|
составляющая загрязнения
|
EI г/кг топл.
|
молекулярный вес
|
фоновое загрязнение
|
возмущение
|
|
СО2
|
3100
|
44
|
350 ppmv
|
0,7-1,2 ppmv
|
|
СО
|
5
|
28
|
10-50 ppbv
|
1,7-1,8 ppbv
|
|
Н2О
|
1200
|
18
|
2-6 ppmv
|
0,6-1,1 ppmv
|
|
NОx
|
15
|
46
|
2-16 ppbv
|
3,0-5,2 ppbv
|
Сертификация по эмиссии
авиационных двигателей проводится в соответствии с международными стандартами и
рекомендуемой практикой ИКАО (Международная организация гражданской авиации).
Допустимые уровни выброса (эмиссии) загрязняющих веществ авиационными двигателями
и процедуры проведения испытаний установлены Приложением 16 ИКАО, т.II, эмиссия
авиационных двигателей, ГОСТ 17.2.2.04-86 «Двигатели газотурбинные самолетов
гражданской авиации. Нормы и методы определения выбросов загрязняющих веществ»,
другими нормативными актами в соответствии с положением о сертификации,
утвержденным авиационным регистром.
В объеме сертификационных
испытаний по эмиссии авиационных двигателей ЦИАМ и предприятиями-изготовителями
в разное время были проведены сертификационные испытания двигателей ПС-90А,
Д-36, Д-436 на соответствие параметров двигателя международному стандарту по
эмиссии. Выполнены доработка и сертификационные испытания по эмиссии двигателя
НК-86МК (Ил-86), по результатам которых выдано положительное заключение. На
других двигателях испытания проведены в условиях эксплуатации, описанных выше.
По результатам испытаний сформирован банк данных выбросов загрязняющих веществ
двигателями воздушных судов отечественного производства, который официальным
образом был представлен в ИКАО. Эти данные включали и данные, полученные
при измерениях на самолете.
Авиационные двигатели
должны иметь сертификат соответствия типа действующим стандартам по выбросу
загрязняющих веществ, выданный уполномоченным сертифицирующим органом. В
отношении сертификатов, выданных в разных странах, действует процедура
взаимного признания в соответствии с международной практикой. Авиационные
двигатели, не подпадающие под действие указанных стандартов, должны иметь разрешение
на выброс, выданный соответствующим уполномоченным представительным органом на
основании имеющейся базы данных.
снижение эмиссии (вредных выбросов)
авиационных двигателей в обеспечение требований норм ИКАО и ЕС
Международный
стандарт по выбросам (эмиссия) вредных веществ от авиационных двигателей гражданской
авиации существует в виде тома II «Эмиссия авиационных двигателей» Приложения
16 к Конвенции о международной гражданской авиации. В рамках СНГ эмиссия вредных
веществ регулируется Авиационными правилами АП-34 «Охрана окружающей среды.
Нормы эмиссии для авиационных двигателей», в которых нормы на эмиссию
практически соответствуют международным требованиям.
В
соответствии с международным и отечественным стандартами в настоящее время
нормируется эмиссия несгоревших углеводородов (НС), оксида углерода (СО),
оксидов азота (NOх), дыма (SN) и запрещается преднамеренный выброс топлива в
атмосферу от двигателей гражданской авиации в зоне аэропортов.
Впервые
международный стандарт по эмиссии принят в 1981 году. С 1996 года по настоящее
время действуют более жесткие (на 20 %) международные нормы на эмиссию оксидов
азота. С 2004 года будут действовать еще более жесткие нормы на эмиссию NOх
(приблизительно на 16%) для новых двигателей и модификаций существующих
двигателей, созданных после 31 декабря 2003 года. С 2006 г. или 2008 г. ИКАО
предполагает ввести запрет на производство двигателей, не соответствующих
нормам на эмиссию вредных веществ.
Страны
Европейского союза (ЕС) проводят еще более жесткую, чем ИКАО, политику по
охране окружающей среды от воздействия авиации. Ряд стран, (например, Швеция,
Швейцария, Норвегия) не дожидаясь окончательных решений ИКАО на
эксплуатационные ограничения по эмиссии, ввели штрафные санкции за превышение
норм эмиссии авиадвигателей.
Более
80% отечественного парка авиационных двигателей гражданской авиации (Д-30,
Д-30КУ-154, Д-30КУ, Д-30КП, НК-8-2У) не соответствуют нормам по эмиссии вредных
веществ (НС и СО).
Двигатели
ПС-90А и Д-36 соответствует действующим нормам ИКАО по эмиссии, но не
соответствует нормам ИКАО 2004 года на выбросы оксида азота NОх.
Двигатель
Д-436Т1/ТП соответствуют нормам ИКАО 2004 года.
о встрече
ГСГА-ЕКГА в Санкт-Петербурге 13 ноября 2002 года
13
ноября с.г. в Санкт-Петербурге, в аэропорту Пулково, проведена очередная
встреча представителей Государственной службы гражданской авиации (ГСГА)
Минтранса России и Европейской конференции гражданской авиации (ЕКГА). Данное
совещание организовано и проведено в рамках двухстороннего ГСГА-ЕКГА
соглашения, подписанного 1 февраля 2002г. в Париже и предусматривающего
сотрудничество сторон в соответствии со своими полномочиями во всех сферах
деятельности гражданской авиации.
В
составе российской делегации в совещании приняли участие руководители ключевых
структурных подразделений ГСГА. От ЕКГА на совещание прибыли главы ведомств
гражданской авиации Бельгии, Италии, Ирландии, Финляндии.
В
качестве главных тем совещание рассмотрело текущие проблемы осуществления
полетов воздушных судов российских авиакомпаний в страны-члены ЕКГА и полетов
европейских авиакомпаний в воздушном пространстве России. Особое внимание
уделено обсуждению актуальных вопросов обеспечения безопасности полетов
воздушных судов, авиационной безопасности при производстве полетов и охраны
окружающей среды от воздействия авиации (авиашум и эмиссия авиадвигателей).
Принято решение о детальном исследовании поставленных сторонами вопросов в
рамках совместных рабочих групп технических экспертов.
На
совещании затронута тема модернизации действующей системы компенсационных
выплат при полетах воздушных судов иностранных перевозчиков по транссибирским
воздушным трассам России. Стороны договорились о проведении совместных работ по
поиску взаимоприемлемых решений как на политическом, так и на чисто техническом
уровне.
Международные
стандарты по воздействию гражданской авиации на окружающую среду и
человека регламентируются Приложением
16 к Конвенции о международной гражданской авиации (том I "Авиационный
шум" и том II "Эмиссия авиационных двигателей"). В рамках СНГ
уровни шума самолетов нормируются Авиационными правилами АП-36, а уровни
эмиссии авиадвигателей (до разработки Авиационных правил АП-34 в соответствии с
Директивным письмом Авиарегистра МАК от 15.03.95 №5-93) нормируются в соответствии
с томом II Приложения 16.
В последние годы
предложено большое число моделей загрязнения от движущегося источника применительно
к гражданским и военным самолетам. К наиболее распространенным моделям такого
рода относятся модели AVAP, AQDM, AGAM. На основе этих моделей разработана
модель расчета полей концентрации загрязняющих веществ в окрестности
аэропортов, широко используемая в настоящее время для оценки загрязнения в зоне
гражданских аэропортов.
Модели загрязнения,
рассматривающие загрязнение от стационарного источника, не позволяют распространить
ограничения, накладываемые при их решении, на условия образования и
распространения примеси загрязнения в зоне аэропорта или по маршруту полета
самолета и в общем случае не приемлемы для данного класса задач.
Применение
модели движущегося источника позволяет проследить параметры движения воздушного
судна и изменения режима работы его двигателей с учетом особенностей, связанных с переносом примеси загрязнения
струей двигателя, всплывания струи и т.п.; и, помимо этого, позволяет решать
задачи, связанные с выбором оптимальных по загрязнению режимов выполнения
операций воздушных судов в зоне аэропорта и регулированию загрязнения.
Была показана возможность
применения подобных моделей и для расчета загрязнения от военных самолетов, и
на их основе можно предложить модели расчета загрязнения для военных аэродромов
и аэродромов совместного базирования.
Воздействие авиации и
особенно сверхзвуковой авиации на
верхние слои тропосферы и нижнюю стратосферу является предметом интенсивного изучения с начала 7О-х годов
(CIAP, HSRP, AESP). Выброс оксидов азота (NO + NO2 = NOx)
и водяных паров, их накопление в атмосфере ведет к снижению количества
стратосферного озона.
Программа AESA позволила
продвинуться в создании модели загрязнения. Эта программа рассматривает области
загрязнения от двигателей ВС с учетом колебания природных циклов загрязнения
стратосферы, возможные сценарии использования дозвукового и сверхзвукового
воздушного транспорта, глобальные изменения в атмосфере и климата, влияние на
стратосферный озон, влияние выброса на изменения баланса химических процессов в
верхней атмосфере. Важным шагом таких исследований при определении механизма и
интенсивности химических изменений в атмосфере является необходимость
идентифицирования загрязнения от двигателей ВС и их участия в таких изменениях.
Наибольшее внимание
уделяется выбросу оксидов азота NOx с отработавшими газами
двигателя. На опасность каталитического разрушения озона в стратосфере под
воздействием оксидов азота было обращено внимание в связи с появлением
сверхзвукового транспорта.
Развитие авиационной
технологии в последние годы, позволившее практически исчерпать возможности
снижения эмиссии авиадвигателей, затрудняют дальнейшее снижение эмиссии NOx,
поскольку давление и температура в камере сгорания была подняты, чтобы
уменьшить топливную эффективность двигателя.
Основные компоненты
загрязнения в отработавших газах составляют продукты горения CO2 и Н2О,
оксиды азота и продукты неполного сгорания СО и суммарные несгоревшие
углеводороды НС. Распределение этих компонентов определяется балансом
фотохимических процессов и процессов переноса.
Существующие модели
загрязнения атмосферного воздуха, учитывающие появление на трассах гражданской
авиации сверхзвуковых транспортных самолетов, позволяют получить оценки
воздействия авиации на верхние слои тропосферы и нижнюю стратосферу, и, в
первую очередь, на содержание озона.
Считается одинаково опасным
не только уменьшение количества озона в защитном слое, но и в не меньшей мере
перераспределение его в атмосфере, что может привести к нарушению устойчивого
равновесия происходящих в атмосфере процессов, и возможно глобальным изменениям
биосферы.
Ниже приводятся оценки
такого рода, связанные с изменениями распределения озона в результате выброса
двигателями самолетов NO в верхних слоях тропосферы и нижней стратосфере при
введении сверхзвуковой авиации.
Обращает на себя внимание
то обстоятельство, что по данным исследований взаимное влияние сверхзвуковой и
дозвуковой авиации на озон взаимно компенсируется, вызывая изменения в составе
озона разного знака, из-за особенностей происходящих на различных высотах атмосферных
процессов, что требует совместного рассмотрения механизмов воздействия
дозвуковой и сверхзвуковой авиации на верхние слои тропосферы и нижнюю
стратосферу.
При этом рассматривается зональный и временной
перенос для объяснения наблюдаемого
уменьшения водяных паров
в средних широтах тропопаузы.
В соответствии с
этой моделью атмосферный воздух поднимается в тропиках и
переносится к полюсам в средних и высоких широтах. Перенос от тропосферы к стратосфере ограничен тропиками, где
температуры тропопаузы ниже.
Температуры достаточно низки,
чтобы образовались лед, и частицы льда
выпали.
Вертикальный перенос загрязнения между стратосферой и тропопаузой рассчитывается согласно:
,
где
-земной радиус, cм;
–плотность, гсм - 3;
*
-вертикальная скорость переноса через
тропопаузу или 5О-мб
поверхность.
Величина 
в соответствии с имеющимися оценками составляет около 9*1О16 кг год -1.
Загрязнение
нижней стратосферы в результате
выброса от двигателя в
соответствии с этими
представлениями составляет:
,
где
и 
- масса переноса ;
-
связанное с компонентами загрязнения отношение вносимой массы;
Р - производительность в результате
фотосинтеза;
L -частота.
В присутствии
самолета учитывается
дополнительный источник (Рсам). Для устойчивого состояния ¶c/¶t = 0 и
дополнительно c
в присутствии самолетного источника равно:
.
Верхний предел величины 
может быть получен
при опускании 
величины 
. При использовании 
кг топлива в год
и выполненных выше оценках
,
где
-индекс эмиссии, г/кг
топлива.
В соответствии с
существующими моделями загрязнения верхней атмосферы, воздействие авиации на
озон связано в основном с выбросом с отработавшими газами двигателей оксидов
азота NOx.
Индекс эмиссии NOx для
современного турбореактивного двигателя составляет:
,
где 
-давление на входе в
камеру;
-температура на выходе из камеры;
-влажность;
-относительная скорость потока.
или
где
-время пребывания;
- адиабатическая температура пламени.
При заданных параметрах
воздуха выброс NOx определяется временем пребывания топливной смеси
в камере сгорания (
). Для камеры сгорания обычной схемы возможность уменьшения 
ограничена, так как
при этом ухудшаются высотный запуск двигателя и устойчивость горения - одни из
основных характеристик безопасности полета. Эта проблема может быть решена при
создании регулируемой камеры. В которой на режимах с низкими давлением (Р) и
температурой (Т) в камере, когда выброс NOx не может быть большим,
подача воздуха в зону горения уменьшена, и время пребывания здесь становится
достаточно большим. При повышении Р и Т, на режимах устойчивого горения: подача
воздуха увеличивается и t пр уменьшается, это предотвращает
увеличение выброса NОx. моделирование дисперсии загрязнения от
движущегося источника загрязнение в зоне/окрестности аэропорта.
качество воздуха в зоне/ окрестности
аэропорта
В соответствии со
стандартами на качество воздуха и разработанными на их основе стандартами по выбросу
загрязняющих веществ авиационными двигателями контролю в зоне аэродрома подлежат
оксид углерода (СО), суммарные углеводороды (СхНу),
оксиды азота (NОх) и сажа или твердые частицы.
Из них наибольшее воздействие на природную
среду и человека оказывают:
оксиды азота (NO, NO2, N2О
и др.),
оксид углерода (СО),
несгоревшие и образовавшиеся углеводороды
СхНу (СН4,С2Н6)
При сжигании топлива образуются также
оксид серы (IV) и твердые частицы - сажа (С) и др.
состав
загрязнения
Загрязнение воздушной
среды в окрестности аэропорта в основном определяется выбросом загрязняющих
веществ двигателями самолетов. К числу неблагоприятных факторов воздействия
загрязняющих веществ, выбрасываемых двигателями воздушных судов в зоне
аэропорта, относятся токсичность оксида углерода (CO) и оксидов азота (NOx),
образование «смога» в результате фотохимических реакций в присутствии углеводородов
и оксидов азота (NOx).
Диоксид углерода является
продуктом горения и одной из основных составляющих в отработавших газах
двигателя. Диоксид углерода химически инертен в нижней стратосфере и
практически не участвует в фотохимических реакциях. Для рассматриваемых
сценариев увеличение содержания СО2 составляет менее 1% от фонового
загрязнения.
Оксид углерода вступает в
реакцию в нижней стратосфере с гидрооксидами. Продолжительность существования
СО в нижней стратосфере (1-4 года) сопоставима со временем обмена (1-3 года).
Оксид углерода является мерой полноты сгорания. При сравнимых
производительности выброса от двигателей и образования загрязнения от
естественных источников для границы перехода (в основном в результате окисления
СН4) большая продолжительность существования этого загрязнения
позволяет считать, что возмущение может контролироваться обменом через эту
область. Ожидаемое возмущение составляет менее 2 ppbv в сравнении с естественным
уровнем в нижней стратосфере 1О-5О ppbv.
Пары воды (Н2О)
являются продуктами горения и важной составляющей выброса. Нормальная
концентрация в нижней стратосфере достаточно низка (3-5 ppmv), а возмущение
оценивается О,6-1 ppmv, что является значительным по сравнению с фоновым
загрязнением. Водяные пары являются основным источником образования гидратов.
Эти реакции ведут к потере озона в нижней атмосфере. Они также связаны с
потерей озона в нижней стратосфере и влияют на скорость разрушения озона.
Водяные пары в составе аэрозолей
в критической степени определяют эффективность большого числа взаимодействий,
которые ведут к нарушению баланса азотных и хлоридных соединений в нижней
стратосфере. Образование полярных облаков в стратосфере, как гидратных, так и
ледовых, зависит от температуры стратосферы и от количества находящегося там
водяного пара. Наиболее существенным фотохимическим процессом, связанным с
водяным паром, является окисление метана(СH4), в результате которого
образуется около половины водяных паров в верхней стратосфере.
Оксиды азота (NO и NO2)
представляют собой наиболее значительный компонент загрязнения по трассе полета
и чрезвычайно важны для баланса озона, с ними связано около 5О% потерь озона
ниже 4О км и 6О - 9О% потерь озона в нижней стратосфере.
Наибольшее внимание в
связи с этим уделяется выбросу оксидов азота (NOx), потенциально
влияющих на каталитическое разрушение озона в стратосфере.
Образующиеся при сжигании
органического топлива в авиадвигателях продукты сгорания, кроме продуктов
полного сгорания, углекислого газа (СО2) и паров воды (Н2О),
содержат большое число различных химических соединений, в том числе NOx,
CO, несгоревшие углеводороды СxHy (CH4,C2H6
и др.), полициклические ароматические углеводороды, обычно характеризуемые
эквиваленто-бензпиреном C20H12.
При сжигании топлива
выбрасывается также сернистый ангидрид (SO2) и твердые частицы
(сажа).
Уровни выброса загрязняющих веществ двигателями
воздушных судов определяются стендовыми испытаниями и характеризуются индексом
эмиссии (EIх), представляющим количество загрязняющих веществ (г), образующихся
при сжигании 1 кг топлива
Соответственно масса загрязняющих веществ
(М), выбрасываемых двигателем ВС составляет:
,
где 
- величина индекса
эмиссии, определяемая в стендовых испытаниях двигателя, кг/кг топлива;
i - режим работы
двигателя;
j - составляющая
загрязнения;
q тi -расход
топлива на данном режиме, кг / ч;
ti - продолжительность работы
двигателя на данном режиме, час;
При выполнении взлетно-посадочного
цикла ВС около 8О% от объема загрязняющих веществ выбрасывается на этапе
запуска и прогрева двигателей, руления самолета, ожидании взлета. Вклад этапа
руления самолета в общий уровень загрязнения составляет около 5О%, при этом более
9О% загрязнения составляют продукты неполного сгорания.
По числу операций
(взлёт-посадок) в данном аэропорту в соответствии с расписанием движения и
массе загрязняющих веществ, выбрасываемых двигателями ВС, занятыми в этих
операциях, рассчитывается суммарная масса загрязняющих веществ, выбрасываемых
двигателями ВС в окрестности аэропорта.
Масса
загрязняющих веществ, выбрасываемых двигателями ВС в окрестности аэропортов,
рассчитывается для условного стандартного взлетно-посадочного цикла. Параметры
стандартного взлетно-посадочного цикла выбраны по данным статистической
обработки для аэропортов с высокой интенсивно
Загрязнение вблизи
поверхности земли оказывает наиболее неблагоприятное воздействие на окружающую
среду, создавая повышенные концентрации загрязняющих веществ в зоне аэропорта.
В расчете учитывается выброс загрязняющих веществ двигателями ВС, вплоть до
высоты 9ООм. Предполагается, что загрязняющие вещества, выбрасываемые на
больших высотах, не достигают земной поверхности при нормальных процессах
диффузии, происходящих в атмосфере, и практически не влияют на
предельно-допустимые концентрации загрязняющих веществ в окрестности аэропорта.
Считается, что загрязняющие вещества, выбрасываемые на большой высоте, не
достигают земной поверхности при нормальных процессах диффузии, происходящих в
атмосфере, и практически не влияют на предельно-допустимые концентрации
загрязняющих веществ в окрестности аэропорта.
Валовой выброс
загрязняющих веществ в зоне аэропорта характеризует загрязнение атмосферного
воздуха в зоне аэропорта при существующей интенсивности движения и составе
парка самолетов.
Интенсивность движения
воздушных судов в аэропорту определяется расписанием или другими данными,
характеризующими количество взлетов и посадок ВС, производимых в аэропорту.
Расчет максимальных
разовых концентраций загрязняющих веществ от двигателей ВС в зоне аэропорта выполняется
для получасового периода времени с наибольшей интенсивностью движения при
наиболее неблагоприятных условиях распространения примеси загрязняющих веществ.
Отдельно рассматривается выброс загрязняющих веществ на каждом этапе
взлетно-посадочного цикла, выполняемого самолетами в указанном промежутке
времени Исходными данными для такого расчета являются:
распределение количества взлетов и посадок
воздушных судов в данном аэропорту по расписанию или фактическим данным в
течение суток и для наиболее напряженного получасового периода времени;
условия распространения примеси загрязняющих
веществ в зоне аэропорта по данным многолетних наблюдений для неблагоприятных
условий загрязнения аэропорта по данным природно-климатических характеристик
района аэропорта, в которые входят характеристики и коэффициенты, определяющие
условия рассеивания загрязняющих веществ в зоне аэропорта, повторяемость
направления ветра (%) по данным метеорологических наблюдений для данного
региона.
Расчет мгновенно-разовых
концентраций загрязняющих веществ от двигателей ВС в зоне аэропорта выполняется
для неблагоприятных метеорологических условий рассеивания (НМУ) примеси
загрязнения по данным многолетник наблюдений. При этом худшими условиями
загрязнения являются условия, соответствующие наименьшей скорости ветра.
предельно допустимые концентрации
загрязняющих веществ
Действующие ограничения
по выбросу загрязняющих веществ применительно к зоне аэродрома связаны с возможным
превышением предельно - допустимой концентрации загрязняющих веществ для
населенной местности, прилегающей к этой зоне.
Наиболее
актуальным является контроль эмиссии авиационных двигателей в зоне и
окрестности аэропортов, где наблюдаются наибольшие концентрации загрязнения.
Основная часть операций воздушных судов в этой зоне выполняется на режимах
малой тяги, дающих значительный выброс СО и НС. На режимах малой тяги выброс
NОx незначителен. По мере увеличения режима работы двигателей при выполнении взлета и на режиме реверса на
некоторых типах воздушных судов при торможении на взлетно-посадочной полосе, возрастает выброс NОx.
Исходя из этого, наиболее эффективным для
снижения загрязнения от воздушных судов в зоне/окрестности аэропортов является
выбор оптимальных схемы и режима движения воздушных судов при выполнении операций
в зоне аэропорта.
К
последним следует отнести сокращение времени от запуска двигателей до
выполнения взлета воздушного судна, уменьшение продолжительности руления
воздушного судна, сокращение времени ожидания разрешения на взлет,
использование буксировки до места старта и после посадки, относящихся к числу
эксплуатационных методов снижения эмиссии двигателей воздушных судов.
Существенную
помощь при выборе оптимальной схемы режима движения воздушного судна в зоне аэропорта
при определенных состояниях внешней среды, позволяющего уменьшить загрязнение
воздушной среды, дают исследования с использованием моделей загрязнения,
описывающих процессы образования и распространения примеси загрязняющих веществ
в зоне аэропорта.
С
помощью таких моделей можно рассчитать уровни загрязнения в зоне аэропорта,
выбрать режимы и схемы движения воздушных судов, позволяющих снизить массу
выброса и их концентрации в окрестности аэропорта. В общем случае это может
касаться, например, выполнения руления воздушного судна на режимах, отличных от
режима малого газа, или выполнения
руления воздушного судна с
частью выключенных двигателей, особенно после посадки, позволяющих значительно
снизить загрязнение воздушной среды. Или выборе схемы руления, позволяющей снизить
распространение примеси загрязняющих веществ в сторону защищаемого объекта
(аэровокзальный комплекс, населенная местность), в тех случаях, когда это
необходимо.
Применение
таких моделей позволяет ввести в рассмотрение реальные схемы и режимы движения
воздушных судов при выполнении руления, на воздушном участке при выполнении
взлета и посадке воздушного судна, автоматизировать ввод исходных данных и
расчет самого загрязнения.
Использование
модели загрязнения позволяет также прогнозировать загрязнение воздушной среды в
зоне аэропорта при увеличении числа операций воздушных судов. Решать задачи,
связанные с выбором оптимальных режимов и схем движения воздушных судов при
многофакторном анализе воздействия воздушных судов на окружающую среду, включая
воздействие авиационного шума, эмиссии авиационных и двигателей и влияния различных эксплуатационных факторов.
С
помощью модели получены оценки загрязнения воздушной среды в различных
аэропортах гражданской авиации. Полученные оценки хорошо согласуются с данными
измерений получасовых концентраций загрязняющих веществ, зарегистрированных в
различных точках аэропорта.
измерения
уровней загрязнения воздуха в аэропортах
Такие
измерения выполнены вблизи торцов взлетно-посадочной полосы, вблизи
магистральных рулежных дорожек, в различных точках в зоне аэропорта, в районе
ближнего привода. В этих точках отбирались пробы воздуха для определения
получасовой и часовых концентраций загрязнения. Вблизи рулежной дорожки определялись
уровни выброса от отдельного, выполняющего руление воздушного судна, а
изменение концентрации загрязнения в результате переноса примеси загрязнения от
двигателей воздушных судов определялись по данным измерений по периферии аэродрома.
Высокая
чувствительность измерительных систем, применяемых при контроле загрязнения в
зоне аэропорта, позволяет фиксировать концентрации загрязняющих веществ, равные
0.5 млн-1 СО и 0,04 млн-1 NOx, близкие к фоновым
концентрациям. Что дает возможность регистрировать в контрольной точке
появление примеси загрязняющих веществ от двигателей воздушных судов, выполняющих
операции в других частях аэродрома, в том числе на значительном удалении от
точки контроля.
Данные
измерений позволяют получить количественные оценки переноса загрязнения при размывании облака
загрязнения по мере распространения от источника. Полученные данные измерений в
привязке к разрезу аэродрома в направлении ветра позволяют отметить появление источника
на значительных удалениях. Это обеспечивается высокой чувствительностью
измерительных систем, применяемых при контроле загрязнения.
Состояние внешней среды, скорость и направление ветра,
температура, давление и влажность воздуха фиксировались в измерениях в реальном
масштабе времени по данным наблюдений метеослужбы аэропорта.
Максимально-разовые
концентрации загрязняющих веществ в зоне аэропорта по данным наблюдений обычно
не превышают: 1,5-2,3 ррm СО и 0,01-0,05 ррm NОx при интенсивности операций
(взлет или посадка) до 16 в течение часа и времени выполнения операций 7-13
мин. (время от запуска двигателей до взлета воздушного судна).
распределение СО в зависимости от направления ветра
распределение СО в
течение суток
распределение
NOx в зависимости от направления ветра
распределение
NOx в
течение суток
Исключение
составляют концентрации загрязняющих веществ, отмеченные в аэропорту Ташкент,
где наблюдаются сильные временные загрязнения от источников вне аэропорта. Для
аэропорта Ташкент отмечена повторяемость уровней загрязнения с периодом в
течение суток по мере смещения розы ветров. Эта картина достаточно устойчива, и
по характеру загрязнения можно судить о влиянии того или иного промышленного загрязнения
от предприятий опоясывающих город.
Часовые
концентрации загрязняющих веществ в воздушной среде в зоне аэропорта по данным
мониторинга загрязнения в аэропорту Ташкента не превышали для окиси углерода
(СО) -5 млн-1, окислов азота (NОх) – 0,5 млн-1 и
углеводородов (НС) - 0.25 млн-1.
По данным измерений
максимально-разовые концентрации составляют 12-13 млн-1 СО и
0,01 млн-1 NOx . Полученные
данные позволяют судить об относительном вкладе отдельных типов воздушных
судов в загрязнение.
Ниже приведена запись
концентрации загрязняющих веществ вблизи рулежной дорожки при выполнении
руления по этой дорожке самолетов DC-10, Ту-134 и В-727.
Выполненные
в рамках описываемых ниже исследований измерения эмиссии двигателя в полете,
позволили уточнить характеристики загрязнения по маршруту полета ВС, и
соответственно нормативы выброса по трассе полета.
В примеси загрязняющих веществ, оставленных
двигателями воздушных судов, преобладают СО и в меньшей степени присутствуют NОx
-характерное распределение для режима малого газа, на котором выполняется
руление.
Рассматриваемые
в этом примере воздушные суда относятся к разным классам и оснащены разным числом
двигателей. Уровни загрязнения от Ту-134 и В-727, имеющих двигатели одной
схемы, сравнимы по уровню выброса NOx. Двигатели DC-10 дают меньшие уровни
загрязнения, что характерно для двигателей большей степени двухконтурности,
дающих большее разбавление примеси загрязняющих веществ.
Здесь
же можно проследить взаимное влияние направления истечения струи двигателя и ветра на величину
концентрации загрязняющих веществ. С помощью полученных подобным образом
эмпирических зависимостей можно получить характеристики загрязнения от данного
типа воздушного судна.
Полученные
в ходе испытаний оценки влияния на загрязнение воздушной среды автотранспорта и
спец автотранспорта показывают, что их влияние сравнимо с влиянием двигателей
воздушных судов.
Отмеченные
максимально-разовые концентрации загрязняющих веществ при прохождении вблизи
точки измерения транспортного средства типа ЗИЛ-130 или колесного трактора
К-701 по данным измерений составляют 0,07 ррm
NOx и до 2 ppm СО. Влияние воздушных судов в точке измерения при этом
было практически исключено.
Отработанные методы
контроля в аэропортах дают возможность
проведения эффективного контроля загрязнения воздушной среды. Можно ожидать,
что развитие этих методов позволит в значительной мере решить проблемы,
связанные с предупреждением загрязнения воздушной среды при авиатранспортных
процессах.
время, сек измерения эмиссии двигателей воздушных
судов в зоне аэропорта (Шереметьево)
система контроля качества воздуха в зоне аэропорта
нажать
Настоящие
исследования проведены в соответствии со стандартами и рекомендуемой практикой
ИКАО, разработанными Комитетом по охране окружающей среды от воздействия
гражданской авиации (CAEP) ИКАО.
Рекомендациями
CAEP предложено продолжить исследования по отработке и совершенствованию
методов моделирования и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха выбросами
загрязняющих веществ от двигателей воздушных судов с целью накопления данных,
подтверждающих необходимость установления контроля загрязнения воздуха в
окрестности аэропортов.
К настоящему времени накоплен значительный опыт в области
моделирования и мониторинга загрязнения воздушной среды в зоне/окрестности
аэропорта. Однако внедрению в практику этих методов мешало отсутствие до
последнего времени измерительных систем, имеющих достаточную эксплуатационную
надежность и простоту управления. Применяемые ранее системы на основе
инфракрасных методов анализа и фотометрического обнаружения хемилюминисценции
не получили широкого применения в эксплуатации из-за относительной сложности их
обслуживания, надежности (стабильности) их работы, достаточно больших размеров
самих систем, затрудняющих их использование в условиях аэродрома. Вместе с тем, применение этих систем
оказалось полезным для отработки методов мониторинга качества воздуха в зоне
аэропортов.
Фирмой
«Bruel & Kjaer»
были предложены принципиально новые газовые мониторы на основе фотоакустического
метода, отличающиеся достаточной точностью и надежностью измерений, низкой
эксплуатационной стоимостью, малыми размерами (400х200х102 (мм), масса прибора
5,5 кг), что делает их незаменимыми при
проведении мониторинга качества воздуха в аэропортах. Газовые мониторы
совмещены с управляющей ЭВМ, выполняющей сбор и анализ данных измерений,
калибровку и проверку работоспособности систем в автоматическом режиме.
Приборы
могут работать при экстремальных условиях в течение длительного времени без
проведения технического обслуживания и при минимальном наблюдении.
Фирма
«Bruel & Kjaer»
передала такие системы ГосНИИ ГА для опробования в условиях аэропорта.
Одной из целей испытаний было определение возможности использования стандартных
телефонных коммуникаций аэропорта для подключения систем. Эксплуатационные
испытания систем при участии фирмы проведены ГосНИИ ГА в международном
аэропорту Шереметьево в течение зимы 1990-91гг. Испытания подтвердили эффективность
предложенных систем и возможность широкого их использования для контроля
качества воздуха в аэропортах.
Следует
от имени ГосНИИ ГА выразить признательность за поддержку и помощь в проведении
работ представителям фирмы «Bruel & Kjaer»
г-дам Иенсену, Ричесу и Колеженкову.
По
данным испытаний эти системы рекомендованы для использования в аэропортах
гражданской авиации.
Ниже
приводятся некоторые результаты испытаний и показаны возможности использования
указанных систем для контроля качества воздуха в аэропортах.
мониторинг загрязнения воздуха в
аэропорту
Газовые мониторы типа
1306 B&K позволяют проводить одновременно измерение одного из компонентов
загрязнения. В зоне аэропорта это обычно оксид углерода (СО) или суммарные
углеводороды (СхНу), образование и распространение примеси которых от
двигателей воздушного судна описывается одной и той же моделью и в общем случае
достаточно вести контроль по одному из этих компонентов. В ряде аэропортов контроль
загрязнения ведется по СО (аэропорт Дюссельдорфа, где также используются
мониторы 1306 B&K), в других аэропортах предпочтение отдается
контролю выброса СхНу (аэропорты США).
При необходимости система 1306 B&K
может быть дополнена переносной системой 1302 B&K, позволяющей
проводить измерения пяти газов одновременно. Это значительно расширяет
возможности проведения мониторинга загрязнения воздуха в аэропорту и на
прилегающей местности.
Универсальный газовый
монитор 1302 B&K представляет собой количественный газовый
анализатор с управлением от микропроцессора. Результаты автоматически
помещаются в запоминающее устройство большой емкости, предусмотрена возможность
последующей дополнительной обработки или представления с помощью внешней
аппаратуры. Являясь портативным и не требующим прогрева и повторной калибровки
после перемещения, прибор идеально подходит для кратковременного мониторинга
воздуха (порядка 300 компонентов загрязнения, поглощающие инфракрасный свет
газы).
Высокая надежность
прибора 1302 B&K обеспечивается серией авто проверок, включая
проверку программного обеспечения, проверку целостности информации и проверку
электрических, механических и электронных блоков прибора. Уход за прибором
заключается лишь в проведении калибровки и замене бумажного фильтра тонкой
очистки внутреннего и внешнего блока фильтрации прибора 1302 B&K.
Поскольку данные
мониторинга загрязнения ограничены измерениями в точках размещения мониторов,
важным элементом контроля является
моделирование загрязнения в зоне аэропорта и его окрестности. Совмещение
мониторинга и моделирования загрязнения в окрестности аэропорта позволяет
ограничить необходимое число используемых мониторов, что значительно упрощает
организацию и проведение мониторинга загрязнения воздуха в окрестности
аэропорта.
Размещение газовых
мониторов в аэропорту выбирается с учетом перемещения источников, распространения
примеси загрязнения и расположения защищаемых от загрязнения зон. Наиболее
полная информация о распределении загрязнения в зоне аэропорта может быть получена
с помощью мониторов, размещенных в зоне исполнительного старта, запуска
двигателей и руления самолетов. Важно также, чтобы расположение мониторов
позволяло проследить поле загрязнения в целом.
технические данные
Газовый
монитор типа 1306 B&K представляет собой высокочувствительный,
надежный прибор, предназначенный для автоматического мониторинга токсичных газов
и паров в тяжелых условиях среды. В основу схемы прибора положен метод фото
акустической инфракрасной спектроскопии и может быть использован для измерения
содержания в воздухе практически всех газов, поглощающих инфракрасный свет.
Путем выбора соответствующего фильтра из широкого диапазона узкополосных
оптических фильтров, которыми оснащен прибор, можно выборочно измерить
концентрацию отдельного газа. Порог чувствительности прибора 1306 B&K
зависит контролируемого газа и находится в пределах от нескольких частей на
миллиард до нескольких частей на миллион.
В
защищенном от влияния погодных условий корпусе прибора 1306 находится
устройство измерения концентрации газа
и электронная система обработки сигналов и данных измерений. При длительном
мониторинге прибор 1306 и источник питания устанавливаются на стойке в точке
измерения. Прибор 1306 соединен с управляющей ЭВМ. Поставляемый гибкий диск с
прикладной программой BZ5003 дает возможность обмена информацией с одним
прибором 1306, дистанционного управления, сбора данных измерения и результатов
авто проверок и его калибровки на месте установки прибора.
Для
обмена информацией и управления системами, содержащими несколько мониторов 1306
B&K, предусмотрено прикладное программное обеспечение 7619 (до 31
монитора) и 7621 (до 3 мониторов). С помощью программного обеспечения
осуществляется автоматический сбор поступающих от всех работающих в сети
приборов 1306 результатов измерений и авто проверок, их анализ и представление,
а также проводится калибровка на месте установки каждого прибора.
Последовательности
проведения измерений и авто проверок приборов 1306 выполняются автоматически.
Обширная процедура авто проверок прибора 1306 B&K позволяет выявить
и идентифицировать любые неисправности прибора и сообщать о них управляющей
ЭВМ. Если вследствие неполадок прибор 1306 B&K не может осуществлять
в данный момент надежные измерения, процесс измерения прекращается. После
устранения неполадки прибор 1306 B&K автоматически возвращается в
режим измерений. Прибором 1306 предусмотрена система авто компенсации влияния
водяных паров.
принцип работы
Через
определенные интервалы времени с помощью размещенного в мониторе насоса, через
два воздушных фильтра подается проба воздуха и подается в измерительную камеру.
После этого камера герметически уплотняется. Свет, излучаемый инфракрасным
источником, отражается от зеркала и проходит сначала через прерыватель,
создающий пульсацию света, а затем через оптический фильтр, пропускающий световой
поток определенной длины волны. После фильтра пульсирующий поток света
поступает через окно в измерительную камеру. Этот свет селективно поглощается
пробой газа, в результате чего повышается температура и давление газа в камере.
Так как свет пульсирует с частотой прерывателя, давление в камере изменяется с
той же частотой, вследствие чего в измерительной камере создается акустическая
волна, амплитуда которой прямо пропорциональна концентрации газа в камере, Это
явление носит название фото акустического эффекта.
Два
чувствительных микрофона, установленных в измерительной камере, воспринимают
акустический сигнал, который затем обрабатывается электронными блоками прибора
1306 B&K. Данные измерений после этого по запросу пересылаются на
управляющую ЭВМ.
Полный рабочий цикл прибора 1306 B&K, включая
продувку измерительной камеры, занимает 45-55с. Интервал между отдельными
рабочими циклами определяется отдельно в процессе управления.
эксплуатационные испытания системы
7621-1306
Основная трудность для осуществления мониторинга в зоне
аэропорта была связана с необходимостью обеспечения надежного обмена
информацией по стандартным телефонным линиям большой протяженности, поскольку
прокладка специального кабеля в зоне аэродрома часто затруднена.
В испытаниях проверялась возможность подключения систем с
помощью штатных телефонных линий аэропорта заведомо большей длины, около 23 км.
(активное сопротивление 2400 ом.).
Были исследованы критические режимы работы системы по
скорости обмена информацией, затуханию сигнала, а также возможности использования
модемов.
проверка работоспособности систем
Мониторинг загрязнения воздуха аэропорта проводился
круглосуточно, непрерывно в течение двух месяцев при температурах наружного
воздуха порядка до –20оС.
Схема размещения газовых мониторов 1306 B&K в зоне
аэропорта была выбрана с учетом особенностей образования и распространения
загрязнения от двигателей воздушных судов, выполняющих операции в аэропорту, влияния
различных факторов внешнего воздействия на приборы. В том числе вблизи
исполнительного старта, на расстоянии порядка 100 м. от взлетно-посадочной
полосы – в зоне повышенных акустических нагрузок от взлетающих самолетов и
электромагнитного излучения от аэродромной радиолокационной станции.
Эти точки были выбраны также из условий привязки к
математической модели, используемой для расчета поля загрязнения воздуха в зоне
аэропорта.
Достоверность измерений определялась тестированием приборов
эталонными газами известных концентраций.
В процессе испытаний влияние атмосферных условий,
акустических нагрузок и электромагнитных излучений в зоне аэропорта на достоверность
измерений не отмечено.
В испытаниях было оценено удобство пользования программным
обеспечением 7621. Программное обеспечение 7621 позволяет представить данные
измерений в удобной для пользователя форме в виде таблиц и графиков. Эта
информация выводится на печать в виде законченных протоколов.
Для применения программного обеспечения в странах Содружества
желательно русифицировать программы, и ввести период осреднения данных
измерений, равный 30 мин. в соответствии с действующими в этих странах
стандартами.
калибровка систем
Калибровка нуля прибора производится с помощью чистого сухого
и влажного воздуха.
Предусмотрена электронная калибровка прибора. Сопоставление
точности калибровок эталонными газами и электронной калибровки по данным
испытаний дает хорошее совпадение результатов, в пределах 30-40%, что
достаточно для практических целей.
Высокая стабильность приборов (малый дрейф нуля) исключает
необходимость проведения повторных калибровок приборов в течение длительного
времени (не чаще 4 раз в год).
Система авто проверок приборов, авто компенсации внешнего
влияния среды и водяных паров и использование эталонных газов высокой чистоты
при калибровке приборов отвечают самым высоким требованиям к надежности
измерений, предъявляемым при мониторинге загрязнения.
И что не менее важно, системы отвечают европейскому стандарту
и их использование обеспечивает сопоставимость региональных измерений по
международным программа контроля.
программа
расчета уровней загрязнения, совмещенная с
системой мониторинга
Существующие
модели загрязнения воздушной среды в зоне аэродрома позволяют рассчитать
максимально разовые концентрации загрязняющих веществ для различных условий
образования и распространения загрязняющих веществ в зоне аэропорта, в том числе
для наиболее неблагоприятных условий, характеризующих в соответствии со
стандартом на качество воздуха уровни загрязнения данного региона.
Модель
загрязнения описывает положение ВС на аэродроме в каждый отдельный момент
времени, режим работы его двигателей, выброс загрязнения двигателями
движущегося воздушного судна, образование
и перенос примеси загрязняющих веществ струей двигателя и дисперсию
загрязнения под влиянием приземной турбулентности.
Совмещение
такой модели с системой измерений в контрольных точках, размещенных
определенным образом в зоне загрязнения, позволяет получить более полные данные
о распределении загрязнения в окрестности аэропорта при сокращении числа
необходимых измерений и дает дополнительные возможности управления
загрязнением, например за счет оптимизации режимов и схем руления ВС в зоне
аэропорта. По которым можно судить об эффективности тех или иных мер по
уменьшению загрязнения в зоне аэропорта при различном состоянии среды или прогнозировать
загрязнение при различных условиях. Что значительно упрощает организацию и
проведение мониторинга загрязнения.
К настоящему времени накоплен значительный опыт в области
моделирования и мониторинга загрязнения воздушной среды. Однако внедрению в
практику этих методов мешало отсутствие до последнего времени измерительных
систем, имеющих достаточную эксплуатационную надежность и простоту управления.
Применяемые ранее системы на основе инфракрасных методов и фотометрического
обнаружения хемилюминисценции не получили широкого использования из-за
относительной сложности и ненадежности этих систем.
Предложенные
фирмой B&K принципиально новые системы газового мониторинга на основе фото
акустического метода, отличаются высокой точностью и надежностью и низкой эксплуатационной
стоимостью, мобильностью, что не могло нас не заинтересовать.
Фирма «Bruel & Kjaer» первой разработала и выпустила фото
акустические приборы для газового мониторинга, где вместо прохождения потока
света регистрируются поглощение света, что обеспечивает большую
чувствительность таких приборов и
позволяет измерять более низкие концентрации газа.
Фотоакустический эффект представляет собой
излучение звуковых колебаний газом при поглощении модулированного света. Хотя
он был открыт в прошлом столетии, до последнего времени его применение было
ограничено лабораторными исследованиями.
Фирма приспособила свои микрофоны как детекторы измерительных
систем.
Используемые в качестве чувствительного элемента микрофоны
обеспечивают высокую стабильность и точность измерений. Калибровка рекомендуется только 4 раза в год. Дрейф нуля не превышает
удвоенного порога чувствительности, и дрейф диапазона составляет 2,5% в течение
3-х месяцев.
В ходе работы над прибором фирме удалось преодолеть некоторые
недостатки, свойственные традиционным инфракрасным приборам.
В частности были осуществлены такие усовершенствования:
введена автоматизированная компенсация
влияния водяных паров и изменений температуры;
осуществлено всестороннее
самотестирование, позволяющее контролировать все важнейшие для работ детали;
было предложено запоминающее устройство
большой емкости для хранения данных измерений, позволяющее вести удобное
документирование.
Предложенные фирмой
мониторы – новый тип приборов, работающих в инфракрасной световой области, при этом могут быть
использованы все известные инфракрасные спектры и любые виды данных.
Первое
же общение с фирмой привело к взаимному признанию. Мы увидели в разработках
фирмы ноу-хау, нужные нам приборы, В&K получил в нашем лице
надежного партнера.
В
этой системе используется газовый монитор типа
1306 B&K, который с помощью фильтра настроен на измерение
одного какого-либо компонента загрязнения. Для мониторинга загрязнения в зоне
аэропорта это может быть СО или НС, образование и распространение которых от двигателя
ВС описывается одной и той же моделью и в общем случае достаточно вести
контроль по одному из этих компонентов.
измерения загрязнения воздуха в зоне терминала аэропорта
(монитор типа 1306 B&K)
При
необходимости система 1306 B&K может быть дополнена системой 1302 B&K,
позволяющей проводить измерения пяти газов одновременно. Это значительно расширяет возможности проведения
мониторинга загрязнения воздуха в аэропорту и прилегающей к нему местности и совместное
использование мониторов 1306 B&K и 1302 B&K в этом случае
является более эффективным. В случае необходимости система может быть дополнена
измерениями NOx.
автономный 5-канальный блок измерения, анализа и хранения
данных измерения
(типа 1302 B&K)
Размещение
газовых мониторов в аэропорту зависит от особенностей образования и распространения
примеси загрязнения и расположения защищаемых от загрязнения зон. Наиболее
полная информация о загрязнении и его переносе во времени может быть получена с
помощью мониторов, установленных в зоне исполнительного старта, запуска
двигателей и вблизи полос, по которым выполняется руление самолетов. Важно
также, чтобы выбранное размещение
мониторов позволяло проследить поле загрязнения в целом.
измерения вблизи самолета, выполняющего руление
Газовые
мониторы совмещены с управляющей ЭВМ,
выполняющей сбор и анализ данных измерений, калибровку и проверку работоспособности
систем в автоматическом режиме. Для обмена информацией и управления системами
нескольких мониторов 1306 B&K предусмотрено прикладное программное
обеспечение 7619 (до 31 монитора) и 7621 (до 3 мониторов). С помощью
программного обеспечения осуществляется автоматический сбор поступающих от всех
работающих в сети приборов 1306 результатов измерений и авто проверок, их
анализ и представление, а также калибровка на месте установки каждого прибора.
Последовательности
проведения измерений и авто проверок приборов 1306 B&K выполняются автоматически.
Обширная процедура авто проверок приборов 1306 позволяет выявить и
идентифицировать любую неисправность прибора и сообщить о них управляющей ЭВМ.
Если вследствие неполадок прибор 1306 не может осуществлять в данный момент
надежные измерения, процесс измерения прерывается. После устранения неполадки
прибор 1306 автоматически возвращается
в режим измерений. В приборе 1306 предусмотрена система авто компенсации
влияния водяных паров, в отличие, от других известных систем, что повышает
достоверность измерений.
Прибор
защищен от неблагоприятного влияния погодных условий и может в течение
длительного времени без проведения дополнительного технического обслуживания и при
минимальном наблюдении. Система мобильна, что делает их незаменимыми при
проведении мониторинга загрязнения в аэропортах.
Расстояние
между ЭВМ и приборами 1306 при использовании специального кабеля может составлять
до 12 км, а при использовании телефонной
сети практически не ограничено.
Эксплуатационные
испытания автоматизированной системы контроля качества воздуха в окрестности
аэропортов на базе газовых мониторов типа 1306 и 1302 B&K подтвердили надежность и высокую
эффективность систем при использовании их в условиях аэропорта. В ходе
испытаний были отработаны состав измерительных средств, их подключение и
управление режимами мониторинга.
управляющая ЭВМ в центре управления контролем загрязнения
воздуха в аэропорту
В
испытаниях была подтверждена возможность использования для подключения и
управления системами автоматизированного контроля загрязнения штатных
телефонных коммуникаций аэропорта вместо кабельных сетей, предлагаемых фирмой.
Было
показано, что совмещение систем мониторинга качества воздуха в зоне аэропорта с
моделью загрязнения, предложенной ГосНИИ ГА, дает определенные
преимущества применения этих систем, существенно расширяя возможности
мониторинга загрязнения и что не менее важно, позволяет сократить необходимое для измерений число
мониторов, а соответственно и стоимость проведения таких работ.
измерения загрязнения воздуха в аэропорту (монитор типа
1306 B&K)
Поэтому
логически оправданным на следующем этапе работ явилось исследование возможности
совмещения моделирования и мониторинга загрязнения на общей программной основе.
Объединение существующих программ на уровне выполняемого кода
программы практически невозможно без исходного текста программы управления
мониторингом. Возможность передачи такого текста фирмой не предусматривалась.
Поэтому была выбрана форма общения программ на уровне файлов данных с помощью
программы-оболочки. Это позволило структурировать задачу и намного расширить ее
возможности.
Идея совмещения этих двух программ заключалась в том, что
данные измерений с помощью мониторов, собранные и обработанные программой
управления мониторинга воспринимаются программой-оболочкой и при
соответствующих условиях сравниваются с данными программы расчета концентраций.
Затем вычисляются поправки для данных программы расчета концентраций и
рассчитываются концентрации уже с учетом данных мониторинга.
С помощью специальных алгоритмов вычисляются уточненные
поправки, учитывающие направление ветра и его скорость. Существуют граничные
условия по направлению и скорости ветра, при которых возможно внесение поправок
в данные расчета. Эти условия зависят от размещения аэропорта, расположения
защищаемых от загрязнения зон вблизи аэропорта и размещения мониторов. Такие
ограничения формализуются и закладываются в программу. Предусматривается
возможность управления этим процессом,
предусмотрена возможность общения с файлом данных расписания полетов и файлом
погодных условий.
модель
загрязнения воздушной среды в зоне аэропорта
В качестве модели загрязнения воздушной
среды в зоне аэропорта от двигателей воздушных судов была выбрана модель,
предложенная А.И.Запорожцем (КИИ
ГА), основные положения которой
отрабатывались совместно на базе лаборатории эмиссии авиационных
двигателей ГосНИИ ГА и подтверждены большим числом измерений в рамках
проведения контроля загрязнения воздуха в аэропортах. Ниже приводятся основные
положения этой модели.
Исходными данными для расчета являются:
интенсивность полетов, определяемая числом
взлет-посадок ВС в аэропорту, распределение количества взлетов и посадок,
выполняемых самолетами различного типа на данном аэродроме/ аэропорту в течение
суток и для наиболее напряженного получасового периода времени;
масса загрязняющих веществ, выбрасываемая
двигателями отдельных типов ВС при операциях в зоне аэропорта на отдельных
этапах взлетно-посадочного цикла, индексы эмиссии двигателей, установленных на
самолетах;
условия распространения примеси загрязняющих
веществ в зоне аэродрома/аэропорта по данным многолетних наблюдений и для
неблагоприятных условиях загрязнения аэропорта, по данным
природно-климатических характеристик района аэропорта. В которые входят
характеристики и коэффициенты, определяющие условия рассеивания загрязняющих
веществ в атмосферном воздухе в зоне аэропорта, повторяемость направления ветра
(%) по данным многолетних метеорологических наблюдений для данного региона.
Дисперсия
примеси загрязнения от двигателей воздушных судов в зоне аэродрома
определяется:
·
переносом
примеси выхлопной струей двигателя,
·
всплыванием
выхлопной струи над поверхностью земли,
·
переносом
примеси ветром,
·
диффузией
примеси под воздействием атмосферной турбулентности.
Расчет характеристик
переноса примеси струей двигателя выполняется с помощью эмпирических зависимостей
по данным измерений или полуэмпирических характеристик для затопленных и
спутных струй. Всплывание выхлопной струи происходит под действием подъемных
сил в результате превышения температуры выхлопных газов в струе относительно
температуры охлаждающего воздуха.
Расчет максимальных
разовых концентраций загрязняющих веществ от двигателей ВС в зоне аэродрома
выполняется для получасового периода времени с наибольшей интенсивностью
движения для неблагоприятных метеорологических условий, наихудших условий
распространения примеси загрязняющих веществ.
При этом худшими
условиями загрязнения являются условия, соответствующие наименьшей скорости
ветра. Отдельно рассматривается выброс загрязняющих веществ на каждом этапе
взлетно-посадочного цикла, выполняемого самолетами в указанном промежутке
времени.
Расчетное определение
типовых контуров выбросов загрязняющих веществ для различных условий эксплуатации.
Результаты расчета могут
быть приведены в табличной и графической форме. Удобно представить уровни
загрязнения в относительных величинах к предельно допустимой концентрации
загрязняющих веществ применительно к населенным пунктам вблизи аэродрома.
Диффузия примеси в
используемых моделях определяется уравнением турбулентной диффузии с постоянными
или переменными коэффициентами, учитывающими состояния атмосферы. Такой подход
в отличие от обычно используемых методов, где распределение примеси вблизи
источника описывается гауссовым распределением, является более универсальным и
позволяет исследовать задачи с источниками различного типа и разными
характеристиками среды. Решение этого уравнения для точечного движущегося
источника при определенных начальных и граничных условиях позволяет рассчитать
максимальное значение концентрации ЗВ в рассматриваемой точке. Движение
воздушного судна приводит к увеличению площади поверхности, ограниченной
контуром равной концентрации по сравнению с неподвижным источником. Но максимальные
значения концентрации загрязнения в этом случае меньше, т.к. движение источника
обуславливает дополнительное разбавление примеси загрязнения в воздухе.
При этом максимальные
концентрации ЗВ образуются при совпадении направления ветра с направлением
истечения выхлопной струи двигателя, т.к. высота подъема струи примеси ЗВ и
начальное рассеивание примеси в этом случае максимальны. Максимальные значения
концентрации образуются при слабой турбулентности.
Высокоскоростная реактивная
струя двигателя самолета обуславливает предварительное разбавление, перенос и
всплывание примеси загрязняющих веществ, что можно представить в виде
приподнятого источника выброса конечных размеров. Производительность выброса
(массовая скорость) загрязняющих веществ авиадвигателей определяется режимом
его работы. При этом максимальное значение производительности выброса
продуктов, параметры истечения струи выхлопных газов определяются с помощью
полуэмпирической теории турбулентных не изометрических струй.
При совпадении
направлений истечения реактивной струи и ветра параметры продольного переноса
примеси загрязняющих веществ определяются следующим образом:
,
где uB - скорость ветра,
qТ = ТО/ТН,
uO, TO - скорость истечения и температура газов струи,
ТН - температура наружного
воздуха,
RO- радиус
выхлопного сопла двигателя. Так как для авиадвигателей Т >1, то в результате
действия архимедовых сил наблюдается всплывание выхлопных газов над земной
поверхностью. Высота всплывания D h определяется по
эмпирическим зависимостям вида:
,
где число Архимеда для
выхлопных газов на срезе сопла двигателя определяется как:
.
При моделировании
рассеивания пассивной примеси загрязняющих веществ использовано уравнение турбулентной
диффузии с постоянными коэффициентами, характеризующими параметры состояния
атмосферы. Уравнение турбулентной диффузии для фиксированной, эйлеровой
пространственной системы координат имеет вид:
,
где q -концентрация примеси загрязняющего
вещества;
uв -скорость ветра;
Kx, Ky, Kz
- коэффициенты турбулентной диффузии, направление оси Х совпадает с
направлением ветра.
Решение этого уравнения
для точечного движущегося источника при начальных и граничных условиях вида q =
Q при t = 0 в точке (0, 0, 0) и q = 0 при x, y, z ® ¥ имеет вид:
где x’, y’, z’ - текущие
координаты источника выброса загрязняющего вещества;
Т u - время работы источника;
tм - время установления максимальной концентрации
загрязняющего вещества в рассматриваемой точке (x, y, z).
текущие
координаты источника представляются в виде:
где u u v
u w u, - составляющие вектора скорости движения источника;
a n, b n,g n -
составляющие вектора ускорения движения источника;
Kx, Ky,
Kz - составляющие коэффициента диффузии;
xo, yo, zo
- начальные значения координат
движения источника.
Для расчета поля
концентрации примеси загрязняющего вещества в точке (x, y, z) c учетом всплытия
примеси на высоту Н и параметров предварительного рассеивания примеси
реактивной струей двигателя (s xо,s yо,s zо) можно
воспользоваться решением:
где
Результирующий подъем оси
выхлопной струи двигателя самолета Н вычисляется по формуле:
,
где h - высота установки двигателя над
поверхностью земли, м;
Величины дисперсии
рассеивания примеси загрязняющих веществ в момент начала воздействия атмосферной
турбулентности, обусловленные расширением выхлопной струи авиадвигателя, sx, sy, sz.
a) ось ОХ поля параллельна направлению
движения источника
;
б) ось ОХ перпендикулярна направлению
движения источника
где n - количество двигателей;
-расстояние между крайними работающими
двигателями, м;
- угол между векторами скорости истечения
струи и скорости ветра.
,
где L - расстояние от источника до
исследуемой точки поля, м;
u в - скорость ветра
Величина максимально
разовой концентрации загрязняющего вещества:
, где
K30 -
отношение мгновенной концентрации к максимальной разовой и является функцией
времени экспозиции Dtэ , определяемого по формуле:
и времени установления экспозиции.
Полином, аппроксимирующий
значения K30, (согласно Запорожцу А.И.) имеет вид;
время переноса примеси
загрязняющих веществ через точку (x, y, z) определяется соотношением:
,
где un -
скорость движения источника, м/c.
В качестве
метеопараметров (uв, Kx, Ky, Kz)
выбираются осредненные значения для диапазона высот от оси струи примеси
загрязняющего вещества до земли, которые определяются по формулам:
где 
- коэффициент обмена,
м / с ,
Hо - высота фиктивного источника.
= 6 - 1,07 * 10-4 
; для
£ 560;
K30 = 13,3 -
(4,6 - lg 
) 
9,57 
, для lg 
> 4,6,
= 1 - (
- 560 ) 
0,0004; для 560 < 
< 1800;
=0,522 для 
£ 560; для 
³ 1800
K30 = 13,3 -
(lg 
- 4,6) 
3,35 
, для lg 
£ 4,6;
Количество топлива Gт,
израсходованное наземными средствами при обслуживании воздушных судов за
рассматриваемый период, рассчитывается для всех видов топлива по формуле:
,
где q - расход горючего
при обслуживании одного самолето-вылета, л/с-в;
n - количество
самолето-вылетов в расчетный период.
Количество загрязняющих
веществ, выбрасываемых двигателями спец автотранспорта, при сгорании определенного
вида топлива рассчитывается по формуле:
,
где 
- удельные выбросы
загрязняющих веществ, г/кг;
- количество израсходованного топлива, л;
- удельный вес топлива, кг/л.
При этом удельные выбросы
загрязняющих веществ двигателями спецавтотранспорта при сжигании 1 кг топлива
cоставляют:
загрязняющие вещества,
г/кг топлива
топливо
СО СхНу NОх
бензин 229
49 30
дизельное топливо 29 12,5
16,7
авиакеросин 70 27
4
Общее уравнение продолжительности работы
автомобильных двигателей в зоне аэровокзала:
,
где tmv - продолжительность работы
автомобильного двигателя в зоне аэровокзала;
Pp - число прибывающих
пассажиров за год
Xt - пропорциональное отношение
использования такси
Xa - пропорциональное отношение
использования персонального транспорта;
ta - продолжительность работы
двигателя персонального автомобиля;
F - постоянный фактор.
Основной массив данных по выбросам
загрязняющих веществ включает также программы для расчета загрязнения воздушной
среды при операциях заправки и хранении топлив. Потери топлива при заправке ВС
и транспортных средств рассчитывается с помощью зависимости:
,
где L - потери при заправке, г/м3
S - коэффициент насыщения, S=1,45 для
налива сверху (авиационный и автомобильный бензин), S=0,6 для налива с
погружением (керосин для реактивных двигателей)
Р- давление паров топлива, кг/м2
m - молекулярный вес паров топлива
T - средняя температура
заливаемого топлива, oС
При хранении топлива загрязнение воздушной
среды происходит при выделении паров нефтепродуктов в процессе «большого» и
«малого» дыхания резервуаров, вентиляции газового пространства, определяемого
герметичностью крыши, неплотностью прилегания к стенкам резервуаров уплотняющих
затворов плавающих крыш, испарении нефтепродуктов с поверхности бассейнов
очистных сооружений, неправильной установке дыхательной и предохранительной
аппаратуры и по другим причинам.
Потери при «малых дыханиях» вызываются
температурными колебаниями окружающей среды. При повышении температуры воздуха
в дневное время поверхность резервуара нагревается, давление и температура парогазовой
смеси, а, следовательно, и испарение нефтепродуктов, особенно легколетучих
фракций, увеличивается. Возрастание давления в парогазовом пространстве ведет
за собой срабатывание дыхательного клапана и выход паро-воздушной смеси в
окружающую среду.
«Большие дыхания» происходят при
вытеснении паро-воздушной смеси в окружающую среду в процессе заполнения нефтепродуктов
резервуара, при этом объем газового пространства уменьшается, срабатывает
дыхательный клапан. Обратное явление -поступление воздуха в резервуар
отмечается при откачке продукта. Объем “большого дыхания” приблизительно
соответствует поступившему в резервуар количеству продукта.
Для оценки степени загрязнения окружающей
cреды нефтепродуктами в результате потерь при испарении, обусловленных «малыми
дыханиями» резервуаров, можно пользоваться эмпирическими зависимостями:
где G мд - потери при «малых
дыханиях», т / год
g - плотность нефтепродукта, кг /м3
p - давление паров нефтепродуктов, Па
D - диаметр резервуара, м
H - высота газового пространства, принятая
в расчете равной половине высоты резервуара
Т - изменение среднесуточной температуры
окружающей cреды, K
Fв - коэффициент отражения в
зависимости от окраски резервуара
C - поправочный коэффициент на диаметр
резервуара. С = -0,01603D + 0,2716D - 0,1597
C = 1 для D > 9м
K - поправочный коэффициент на хранимый
продукт
K= 0,1081 + 1,209P, для бензина К~1, для
нефти ~ 0,58
Наряду с «малыми дыханиями» значительные
потери нефтепродуктов составляют «большие дыхания» резервуаров, величину
которых можно определить:
,
где Ссб -потери при испарении в
результате «больших дыханий» резервуаров, т / год
g- плотность нефтепродукта, кг/м3
P- давление паров нефтепродуктов, Па
V- объем хранимого нефтепродукта, м/год
K p - коэффициент оборачиваемости
резервуаров
Ks - поправочный коэффициент,
характеризующий свойства хранимого продукта, Ks = 0,4757 + 0,7042P
для бензина Ks = 1, для нефти -
0,75
С бд = (1 + 0,16P)Kz/100
* exp (0,039T)* 22,4t, где
Р - давление насыщенных паров, Па
Kz - коэффициент, зависящий от
свойств нефтепродуктов
М - средняя молекулярная масса паров
нефтепродукта
t - температура газового пространства, K
Потери от вентиляции газового пространства
резервуара определяют по формуле:
,
где Vв - объем паров, теряемых при
вентиляции газового пространства, м3/ сутки;
Св - потери при вентиляции, кг/сутки
C - концентрация паров нефтепродукта, кг /
м3
,
l - коэффициент расхода через отверстие
F- площадь отверстия, м2
g - ускорение свободного падения, м/сек2
P - давление, при котором происходит
истечение «паро-воздушной» среды, равное разности столбов высотой Н.
Выброс углеводородов при хранении и
заливке топлива для различных типов танков, использующих вентилируемые, подземные
с фиксированной крышей. Общее уравнение расчета выброса (потерь) углеводородов
через дыхательные клапаны (LB) и заливке (LW) для танков с фиксированной
крышей. Потери через дыхательные клапаны вызваны выбросом паров и
дополнительными составляющими в результате перепада температуры и
барометрического давления.
Потери при заправке вызваны
заполнением и сливом
топлива из танков.
Количество паров увеличивается при
уменьшении уровня топлива в танке и соответственно увеличивается выброс.
,
где Lв -
потери дыхательных клапанов;
M - молекулярный вес;
Р - парциальное
давление;
D - диаметр танка*;
*количество танков, глубина
(высота) танка, тип хранимого топлива предоставляются аэропортом.
H - средняя высота
незаполненного топливом пространства **;
** средняя высота
незаполненного топливом пространства выбирается методом оценки, может быть принята
при допущении, что танки освобождаются почти полностью перед заливкой нового
топлива, т.е. в среднем считаются полупустыми
DT - изменение средней дневной температуры,
ср. дневная температуры почвы может быть принята на 1 град с больше средней
температуры воздуха;
Fp - фактор покрытия,
для танков ниже поверхности земли Fp =1.0 C - коэффициент поправки
для емкостей малого сечения;
Kc -
производительность;
Lw - потери при
заправке;
KN -
коэффициент использования танков.
Коэффициент использования танков
определяется как частное от деления количества потребляемого топлива на среднюю
емкость танка
После подстановки всех переменных формула
для расчета может быть упрощена в общем случае следующим образом:
Парк воздушных судов постоянно
обновляется. На смену самолетам Ту-154 и Ту-134 придут Ту-204 и Л-114, другая,
более современная техника. Эти самолеты оснащены двигателями, имеющими значительно
более низкие по сравнению с эксплуатируемыми в настоящее время уровни эмиссии.
Уровни эмиссии двигателей нового поколения
почти вдвое ниже для СО и СхНу по сравнению с эксплуатируемыми в настоящее
время, при некотором, порядка 20 - 30% увеличении уровня NОх. Что позволяет
считать, что существующие уровни загрязнения аэропортов для СО и СхНу еще не
скоро будут превышены, даже при предполагаемом увеличении авиаперевозок. В то
время как увеличение выброса NОх представляет определенную проблему. По мере перехода на современную авиационную
технику проблема, связанная с выбросом NОх, должна обостриться. С этим связаны
дополнительные ограничения, предлагаемы международным стандартом в настоящее
время. На самом желе некоторое отставание отечественной авиации пока сдерживает
проявление этой проблемы.
Результаты будущих
исследований могут оказать существенное влияние на осуществление контроля эмиссии
авиационных двигателей.
Проводимые в Европе и США и других частях мира широкие
научные исследования напрямую или опосредовано способствуют накоплению научных
знаний об атмосферных изменениях, вызванных деятельностью авиации. Эти
исследования направлены на устранение все еще сохраняющихся пробелов в знаниях,
о которых упоминается в специальном докладе Межправительственной группы по
климатическим изменениям (МГКИ), в частности воздействия на климат выбросов NOx
(через озон и метан), воды, аэрозолей и других закрязнений. Однако, вероятно,
потребуется затратить значительно больше времени и усилий, чтобы осуществить
дальнейшую разработку научной базы, которая должна быть шире, чем это было
определено в специальном докладе МГКИ (IPCC, 1999), для принятия в будущем мер
политического характера.
Одним из основных элементов ранее рассматриваемых программ
было стимулирование разработки научной основы для осуществления непрерывной
оценки атмосферных изменений, вызванных эмиссией выхлопных газов двигателей. В
результате МГКИ провела соответствующую оценку, а члены ИКАО и другие
организации мира продолжают финансировать исследования, позволяющие более
глубоко понять общее воздействие авиации на атмосферу и, в частности, какие
последствия это имеет для климата и озонового слоя.
Представленные Международным координационным советом
ассоциаций аэрокосмической промышленности (ИККАИА) для рассмотрения на САЕР/5
данные подкрепляет прогнозы Межправительственной группы экспертов по изменению
климата (МГКИ) о том, что в период с 1997 по 2015гг. топливная эффективность
вновь изготовляемых воздушных судов, которые пополнят парк коммерческих
воздушных судов, выполняющих регулярные полеты, в среднем повысится на 20%.
Технологии, обеспечивающие уменьшение эмиссии NОх, которые могут
быть готовы к 2010 году, развиваются более быстрыми темпами, чем это ожидалось,
и по существующим оценкам к 2020 году эмиссия NОх уменьшится на
30–50% относительно пределов, установленных ранее.
Вместе с тем, из-за неопределенности финансирования научных
исследований, усложнения технологии уменьшения NОх, а также
сложности совершенствования существующей технологии увеличиваются связанные с
этим расходы. ЕС и НАСА определили долгосрочные задачи в области уменьшения
эмиссии СО2 и NОх вплоть до 2022 года;
проводимые в рамках этих программ научные исследования, подтверждают технологические
возможности достижения поставленных целей.
При этом считается, что уменьшение эмиссии за счет применения
разрабатываемых в настоящее время усовершенствованных авиационных технологий не
сможет компенсировать прогнозируемый рост спроса и стабилизировать или
замедлить увеличение объема авиационной эмиссии в целом.
Рассматриваются подходы к расчету эмиссии в крейсерском
полете и на этапе набора высоты, при этом приоритетным является эмиссия NОх на крейсерских
высотах. Потребность в разработке новой методики для расчета выброса СО2
отсутствует, поскольку объем этих выбросов находится в прямой зависимости от
объема сгоревшего топлива.
Определены основные технические компоненты, подлежащие учету
при сертификации по эмиссии в полете. Которые включают:
§
прогнозирование
эмиссии в полетных условиях с использованием основанных летно-технических
характеристик,
§
определение
потенциальных точек для сертификации применительно к «наихудшему случаю» в
полете, не связанных с существующими требованиями, определяемыми циклом LTO;
§
и
необходимость определения производительности. Рассматривается также возможность
увязки реальной эксплуатационной практики с «наихудшим случаем», с тем, чтобы
предоставить в распоряжение пользователям приемлемый метод оценки фактической
эмиссии.
Ключевыми вопросами долгосрочных целей в области совершенствования
технологии сокращения выбросов авиационными двигателями являются: увязка
стандартов ИКАО с развитием авиационной техники, ужесточением стандартов
качества воздуха; оценка методики определения эмиссии в рамках цикла LТO и
рассмотрение вопроса об устойчивом развитии авиации. ИКАО должна играть ведущую
роль при разработке соответствующих средств прогнозирования эмиссии,
определения технологических тенденций и той степени, в которой последние могут
определить задачи в области развития авиационной техники.
Исследования применительно к верхним слоям атмосферы ведутся
в тесном сотрудничестве между ИКАО и другими органами ООН, занимающимися вопросами
загрязнения от авиации. Изучение качества воздуха в районах аэропортов
свидетельствуют о снижении объема выбросов загрязняющих веществ от источников в зоне аэропортов, что в
значительной степени обусловлено прогнозируемым уменьшением фонового загрязнения
от других источников.
Признана необходимость улучшения прогнозов и изучения
экономически эффективных вариантов контроля. Информация, полученная в рамках проводимых исследований в аэропортах и от
эксплуатантов авиакомпаний, свидетельствует о необходимости определения
недостатков, характерных для режима сертификации по эмиссии в рамках цикла
LТO. В частности, ставится под вопрос репрезентативность времени работы в эксплуатационном
режиме и режимов тяги, а также не принятие в расчет этапа запуска двигателей.
Учитывая проявленное ИКАО желание принять активное участие в
деятельности, связанной с Рамочной конвенцией ООН об изменении климата
(UNFCCC) применительно к СО2, рассматривается возможность разработки
стандарта СО2. Высказывается мнение о нецелесообразности последнего,
поскольку в результате экономического давления, обусловленного рыночными
факторами, топливная эффективность уже значительно повышена, и эта тенденция
будет сохраняться. Имеется обеспокоенность относительно того, что сертификация
по СО2 в точках может привести к тому, что изготовители будут
обеспечивать соответствие стандартам для какой-либо конкретной точки, однако
это будет осуществляться за счет эмиссионной эффективности в целом. Тем не
менее, в настоящее время готовится ряд документов, касающихся достижений и
ограничений в области сокращения эмиссии СО2 за счет реализации
технологических мер.
Рассматриваются также научные и технические проблемы, касающихся
эмиссии авиационных двигателей в рамках реализации целей Киотского и
Монреальского протоколов, изучения атмосферных изменений на уровне земли и в
верхних слоях, вызванных эмиссией выхлопных газов существующих и проектируемых
авиационных систем, включая определение масштабов воздействия авиации по сравнению
с другими источниками.
В том числе степени, в которой новые технологии могут
повлиять на уровень эмиссии и потребление топлива, определение возможных
выгод и ограничений, а также вероятных временных рамок внедрения новых технологий,
оценки связанных с этими достижениями экономических выгод и риска для окружающей
среды.
Помимо мер технологического характера и реализации вариантов
сокращения эмиссии, связанных с рынком, уменьшению потребления авиационного топлива
также способствуют меры эксплуатационного характера и другие усовершенствованные
процедуры управления воздушным движением, в результате чего снижаются уровни
загрязнения воздушной среды.
В1998 году ФАУ (Федеральное авиационное управление
Соединенных Штатов Америки) провело анализ эмиссии воздушных судов в прилегающих
к Соединенным Штатам Америки районах. (Анализ влияния национальной системы
воздушного пространства (NAS) на эмиссию воздушных судов, сентябрь
1998 года).
Результаты проведенных исследований позволяют провести оценку
глобальной эмиссии и потребления топлива, а также последствий различных усовершенствований
систем CNS/ ATM.
ЕВРОКОНТРОЛЬ (Европейская организация
по безопасности воздушной навигации)
представила необходимые данные для оценки европейского воздушного
пространства и оказания помощи при оценке этой модели. Параллельно с ФАУ, занимающегося
разработкой параметрической модели, ЕВРОКОНТРОЛЬ разработал имитационную
модель воздушного пространства ЕКГА. Эти две задачи дополняют друг друга и обеспечивают
возможность проведения более надежного анализа.
Результат этого исследования можно рассматривать в качестве
прямого вклада ИКАО в реализацию Киотского протокола Рамочной конвенции
Организации Объединенных Наций об изменении климата (РКИК). Помимо мер
технологического характера и реализации вариантов сокращения эмиссии, связанных
с рынком, уменьшению потребления авиационного топлива также способствуют меры
эксплуатационного характера и другие усовершенствованные процедуры управления
воздушным движением, в результате чего снижаются уровни авиационной эмиссии.
Результаты этих исследований свидетельствуют о возможности
экономии топлива и уменьшении объема эмиссии СО2 примерно на 5% как
в регионе США, так и в Европейском регионе.
Первоначальная оценка выгод, обуславливаемых системами
CNS/ATM, проводилась применительно к Соединенным Штатам Америки и Европе.
Предлагается расширить масштабы этого исследования с целью включить в него
проведение оценок экологических выгод, обуславливаемых реализацией планов
внедрения систем CNS/ATM, в отдельных регионах за счет максимально возможного
сбора необходимых региональных данных для расширения этой модели.
Эта деятельность предполагает сотрудничество с группами
регионального планирования для оценки наличия некоторых данных, и будет зависеть
от определения необходимых источников для продолжения деятельности по
моделированию.
В рамках осуществления технических мер по ограничению или
снижению эмиссии воздушных судов международной авиации определены
долгосрочные перспективные цели работы САЕР, включающие:
§
подготовку
в рамках проводимых национальных и международных программ научных исследований
описание характеристик по эмиссии будущих технических систем;
§
разработку
методик оценки объемов авиационной эмиссии;
подготовку прогнозов в отношении изменения объемов эмиссии в
глобальном и локальном масштабах;
а в отношении требований к сертификации по эмиссии, содержащихся
в томе II Приложения 16 ИКАО:
§
продолжение
разработки альтернативных методик измерения эмиссии на всех этапах полета,
учитывая при этом технические характеристики воздушного судна и его производительность.
А также определение взаимосвязей между уровнем эмиссии на крейсерском режиме и
на этапах взлета и посадки, оценки атмосферных изменений, вызванных эмиссией
двигателей на крейсерском режиме, в целях возможной разработки требований
нормативного характера и заключения соглашений о принятии мер по снижению
уровня эмиссии;
§
изучение
соответствия требованиям применяемого режима сертификации уровня эмиссии на
этапах посадки и взлета в целях количественной оценки и контроля эмиссии
воздушных судов в районе аэропортов;
§
планирования
землепользования в зоне/окрестности аэропортов;
§
эффективности
и надежности схем сертификации с точки зрения технических возможностей, экономической
обоснованности и уменьшения вредного воздействия на окружающую среду;
§
поддержание
международных и национальных программ научных исследований в области
нормирования эмиссии авиационных двигателей;
§
определение
и оценка потенциальных возможностей различных сценариев, связанных с рынком,
включая сборы за производимые выбросы, налоги на топливо, режимы компенсации
по углеродистым веществам и обмена квотами на снижение эмиссии авиационных
двигателей;
§
продолжить
рассмотрение юридических аспектов использования воздушного пространства,
включая: информацию о принятых различными государствами – членами способах
регулирования авиационного шума и эмиссии вокруг аэропортов, в том числе относительно
установленной юридической ответственности за регулирование авиационного шума
и эмиссии.
эмиссия авиадвигателей
1.
Кулагин Ю.Н. Контроль загрязнения воздушной
среды в аэропортах. IX Венгерские Дни Авиационных Наук. Международная
конференция, Будапешт, 10-12 ноября 1988г.
2.
Ермилов А.С., Карпин Б.Н., Кулагин Ю.Н.,
Минаев И.В. Исследования и разработка мероприятий по уменьшению выбросов в
атмосферу авиадвигателями новых и модифицированных самолетов.
Научно-технический отчет №327-474-82, ГосНИИ ГА, 1982, 102с.
3.
Дремлюгин В.И., Кулагин Ю.Н., Леонович
В.Н. Разработка методов оценки влияния СТС на окружающую среду. Научно-технический
отчет №375-82, ГосНИИ ГА, 1982, 71с.
4.
Кулагин Ю.Н., Орлова Н.Н. Методика расчета
концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в районе аэропорта.
ГосНИИ ГА-Госгидромет СССР, 1983, 12с.
5.
Горбатко А.А., Ермилов А.С., Карпин Б.Н.,
Кулагин Ю.Н., Временные нормативы на
эмиссию загрязняющих веществ для новых типов двигателей, разрабатываемых для
самолетов ГА, МАП-МГА, 1983, 0,1л.
6.
Дремлюгин В.И., Кулагин Ю.Н., Исследование
характеристик загрязнения воздушной среды выхлопными газами двигателей ВС в
аэропортах с большой интенсивностью движения. Научно-технический отчет
№339-589-84, ГосНИИ ГА, 1984, 137с.
7.
Кулагин Ю.Н. Оценка характеристик
загрязнения воздушной среды при авиатранспортных процессах на примере
международного аэропорта Шереметьево. Материалы советско-французской отраслевой
группы по изучению влияния воздушного транспорта на окружающую среду. 1984,
49с.
8.
Свинухов В.П., Кулагин Ю.Н. Исследование
влияния качества топлива на уровень вредных видов эмиссии авиационных
газотурбинных двигателей. Научно-технический отчет №198-300-84, ГосНИИ ГА,
1984, 199с.
9.
Дремлюгин В.И., Кулагин Ю.Н., Малая А.Е.,
Минаев И.В. Проведение контроля воздушной среды в аэропортах ГА. Научно-технический
отчет №1872 (инв.70), ГосНИИ ГА, 1985,
110с.
10.
Y.N.
Coulagin. Jet-engine Emmissions at Sheremetjevo Airport Studied. Bulletin ICAO
Dec. 1985, pp.22-25.
11.
Aircraft
Engine Emission Committee Proceedings, CAEP/ , ICAO, Montreal., 1985
12.
Aviation
Environmental Protection Committee Proceedings, CAEE/1, 9-20 June, ICAO , Montreal., 1986
13.
Кулагин Ю.Н. Методы контроля (мониторинга)
и математического моделирования загрязнения воздуха в окрестности аэропорта. CAEP/1-WP/41
20/5/86, ICAO, Montreal, 1986, 4р.
14.
Кулагин Ю.Н. Методика контроля и
рекомендации по снижению эмиссии двигателей воздушных судов в эксплуатации.
Госкомприроды СССР-МГА, - М., 1988, 89с.
15.
Кулагин Ю.Н. Воздействие авиации на
окружающую среду. IX-е
Венгерские дни авиационных работ. 10-12 ноября 1988. Будапешт
16.
Кулагин Ю.Н. Снижение эмиссии двигателей
НК-8-2У, находящихся в эксплуатации Научно-исследовательская работа. Договор
80-127-1129. ГосНИИ ГА, 1989, 48с
17.
Запорожец А.И.,Кулагин Ю.Н. Разработка
модели и программы расчета на ЭВМ загрязнения авиадвигателями верхних слоев
атмосферы. Научно-исследовательский отчет 817-В91, КИИ ГА (договорная работа),
1991, 34 с.
18.
Кулагин Ю.Н. Методика контроля загрязнения
атмосферного воздуха в окрестности аэропорта, Минтранс России- Минэкологии
России, Москва 1992, 56с.
19.
Кулагин Ю.Н. Методические указания по определению
и установлению лимитов выброса загрязняющих веществ двигателями воздушных судов
при определении платы за выброс загрязняющих веществ. ГосНИИ ГА- Госкомприроды
СССР. -М, 1991.
20.
Y.N.Coulaguine
Russia Traffic Emissions Impact on the Baltic Sea Area. Strategy and Practical
Steps. Helsinki Commission Baltic Marine Environment Protection Commission
(HELCOM), Proceeding of the Group of Experts on Airborne Pollution of the
Baltic Sea Area Meeting (EC EGAP), Rostock-Warnemunde, Germany, 23-27 January,
1995, pp 26.
21.
Y.N.Coulaguine.
Measures to Limit and Control Pollution of Lead Emission to Atmosphere with Automobile Exhaust. Helsinki
Commission Baltic Marine Environment Protection Commission (HELCOM), Proceeding
of the Group of Experts on Airborne Pollution of the Baltic Sea Area (EC EGAP)
Meeting, Rostock-Warnemunde (Germany) 23 - 27 January, 1995.
22.
Helsinki
Commission Baltic Marine Environment Protection Commission (HELCOM), Proceeding
of the Group of Experts on Airborne Pollution of the Baltic Sea Area Meeting
Proceedings (EC EGAP), Gdansk, Poland, 26-28 April 1995.
23.
Helsinki
Commission - Baltic Marine Environment Protection Commission (HELCOM), Group of
Experts on Airborne Pollution of the Baltic Sea Area Meeting Proceedings (EC
EGAP), ТС-6
Meeting, Berlin, Germany, 14-15 Dec.1995.
24.
Helsinki
Commission- Baltic Marine Environment Protection Commission (HELCOM), Group of
Experts on Airborne Pollution of the Baltic Sea Area Meeting Proceedings (EC
EGAP), EGAP-EMEP Coordination Meeting,
Potsdam, Germany, 4-6 March, 1986.
25.
Y.N.Coulaguine
Traffic Emissions Reduction Strategy and Practical Steps. Proceedings of the
Conference on Sustainable Inter-Regional Transport in Europe, Kouvova, Finland,
10-12 June 1996, pp 20.
26.
Кулагин Ю.Н. Правила экологической безопасности эксплуатации автомобильного городского и автомобильного транспорта,
Proceedings of the Confererence on Sustainable Inter-Regional Transport in
Europe, Kouvova, Finland, 10-12 June 1996, pp 43.
27.
Aviation
Environmental Protection Committee Proceedings, CAEP/5, ICAO, -WP/XX, 8/01/01.
другие источники, используемые или на которые
делаются ссылки в работе:
28.
Рыжов О.С. Затухание ударных волн в
неоднородных средах. ПМТФ, 1961, 32с.
29.
Ландау Л.Д. Об ударных волнах на далеких
расстояниях от места возникновения. ПММ, т. IX, вып. 4, 1975.
30.
Жилин Ю.Л. Влияние компоновки самолета,
режима его полета и состояния атмосферы на интенсивность звукового удара. Труды
ЦАГИ, вып. 1094, 1967.
31.
Жилин Ю.Л. Теория звукового удара. Труды
ЦАГИ, вып. 1489, 1973, стр.3-24.
32.
M.J-C.
Wanner. Theoretical and Experimental Studies of the Focus of Sonic Booms. IASA,
1972, vol. 21. pp. 13-32.
33.
Бендат Д., Пирсол А. Измерение и анализ
случайных процессов. «Мир», М., 1974.
34.
Берлянд М.Е.. Актуальные вопросы
исследований атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. В кн. Метеорологические
аспекты загрязнения атмосферы, т.1., -М., 1981.
35.
Запорожец А.И. Оптимизация процедур
эксплуатации самолетов гражданской авиации с целью уменьшения их
неблагоприятного воздействия на окружающую среду. Диссертация на соискание
ученой степени кандидата технических наук, КИИ ГА, Киев, 1984, 286с.
36.
R.L.Wayson,
and W.Bowlby, Members, ASCE, International Airoport Air Pollutant Emissions,
J.Transp .Eng., 1988, 114, N1, 1-20
37.
Jackman
C.H., A.R.Douglass, P.D.Guthrie, and R.Stolarski, The sensitivity of total
ozone and ozone perturbation scenarios in a two-dimensional model due to dynamical
inputs, J.Geophys. Res., 97, 9873-9887,1989.
38.
Международные стандарты и рекомендуемая
практика. Охрана окружающей среды. Приложение 16 к Конвенции о международной
гражданской авиации, т.II, Эмиссия авиационных двигателей, 2-ое издание, ИКАО,
Монреаль, 1992.
39.
ГОСТ 17.2.2.04-86. Двигатели газотурбинные
самолетов гражданской авиации. Нормы и методы определения выбросов загрязняющих
веществ. Госстандарт СССР.
40.
Нормы на эмиссию (выброс) загрязняющих
атмосферу веществ для турбореактивных двигателей с тягой менее 26,7 кН, для
турбовинтовых и турбовальных авиационных двигателей и силовых установок,
предназначенных для установки на воздушные суда, Минтранс - Минпром Российской
Федерации, -М, 1992.
Автор
этой монографии Кулагин Юрий Николаевич работал в ГосНИИГА с 1963 по 1993 год в
отделе ведущих инженеров, отделе аэродинамических исследований. Принимал
участие в летных испытаниях и испытаниях на устойчивость и управляемость
самолетов Ту-104, Ту-124, Ту-114, Ан-12, Ан-76, Ан-2, Як-40 в качестве ведущего
инженера по испытаниям.
Возглавлял сектор исследований звукового
удара, сектор эмиссии (выброс загрязняющих веществ) авиационных двигателей,
успешно закончил аспирантуру ГосНИИ ГА и защитил кандидатскую диссертацию по
специальности эксплуатация летательных аппаратов, автор более 100 научных
трудов.
Работы Кулагина Ю.Н. достаточно хорошо
известны в нашей стране и за рубежом. Он неоднократно представлял интересы
страны в различных международных организациях, принимал участие в работе
специализированных комитетов по звуковому удару (SBC), эмиссии авиационных
двигателей (CAEE), охраны окружающей
среды от воздействия авиации (CAEP) Международной организации гражданской
авиации (ИКАО), принимал участие в работе советско-французской рабочей группы
авиационных специалистов по сверхзвуковому транспортному самолету.
Кулагиным Ю.Н. и его группой были созданы
уникальные, не знавшие отечественных и зарубежных аналогов установки и системы, связанные с изучением
проблем звукового удара и эмиссии авиационных двигателей. Проведено большое
число исследований в этих областях, в том числе совместно с ЛИИ МАП, ЦАГИ, ОКБ
им А.Н.Туполева, Институтом
медико-биологических проблем.
В Минприроды России Ю.Н.Кулагин возглавил
направление работ, связанных с организацией и обеспечением контроля загрязнения
от передвижных источников. Принял
участие в работе по подготовке законопроектов по предупреждению загрязнения от
транспорта, охране атмосферного воздуха, охране окружающей среды, участвовал в
работе группы экспертов по загрязнению воздушной среды региона Балтийского моря
(EC
EGAP)
HELCOM (1995, 1996).
В последнее время в МПР России
Ю.Н.Кулагин руководил отделом по
обеспечению взаимодействия с Государственной Думой и Советом Федерации,
Представительством Правительства Российской Федерации в Государственной Думе и
Совете Федерации Федерального Собрания Российской Федерации при подготовке и сопровождении
законопроектов природоресурсного блока.
CURRICULUM VITAE
Yury N. Coulaguine
Ph.D.,
head of the Board Division for parliament activities of
the
Nature Resources Ministry of the
Russian Federation
e-mail: kulagin@mpr.gvm.ru
Educated
from the Bauman`s Higher Technology School (nowadays Technology University) as
an engineer-mechanic, then worked at the State Research Institute for Civil
Aviation as a flight test engineer specialized in aerodynamics. Amang the jets
tested are the Tupolev`s as well as Ilyuashion`s and Antonov`s planes, participated
in joint flight testing at the Jukovsky Flight Center. At the same time passed
the post-graduate course at the State Research Institute of Civil Aviation and
defended the thesis of the Ph.D (engineering).
Having
experience in study of the sonic boom problem responded to supersonic jet has
participated as a member in work of the
French-Russia Aircraft Industry Group,
as well as in the negotiations on government level responded to the
flight of Concorde through Russia.
Participated
also as an advizer at the Sonic Boom Committee (SBC), the Engine Emission Committee (CAEE) and the Environmental Protection
Committee (CAEP) of ICAO,
At
the same time headed the Jet Emission Laboratory of the State Research
Institute for Civil Aviation.
Last
time worked at the Ministry of the Nature Resources of the Russian Federation,
at the Department of Airborne Polution
as senior member (branch of transport, energy resources) and nowadays as a head of the Parliament Board
Division.
Among
the activities on is a participation as a member in the Group of Experts on
Airborne Pollution of the Baltic Sea Area (EC EGAP) HELCOM.
Кулагин Юрий Николаевич,
e-mail: kulagin@mnr.gov.ru
Кулагин Ю.Н.
