Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin

Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin

POLITECHNIKA RZESZOWSKA
im. Ignacego Łukasiewicza
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Katedra Awioniki i Sterowania
SAMOLOT A ŚRODOWISKO – HAŁAS I EMISJA SPALIN
Tomasz KIJEWSKI
Seminarium Dyplomowe 2001/2002
LOTNICTWO - PILOTAŻ
Streszczenie
Hałas ma różny wpływ na organizm ludzki i występują różne poziomy hałasu z różnorakich źródeł. Istnieje wiele przyczyn wprowadzenia przez ICAO Aneksu 16, czy też wprowadzenia przepisów amerykańskich
FAR 36 przez FAA. Wprowadzono również jednostkę do pomiaru hałasu emitowanego przez samolot. Oprócz
tego stosowane jest specjalne rozmieszczenie punktów pomiaru hałasu i wykreślane są tzw. krzywe izofoniczne
dla poszczególnych lotnisk. Prowadzone są działania usuwające skutki hałasu w obrębie lotnisk (procedury
antyhałasowe startu i lądowania, trasy minimalnego hałasu, konstrukcja portów lotniczych, procedury prób
silników, wały ziemne, ekrany akustyczne, pasy zieleni, lotniskowe tłumiki hałasu). Oprócz tego prowadzone są
działania usuwające przyczyny hałasu w obrębie układów napędowych (mechaniczne tłumiki hałasu, odległość
między wieńcami, kratownice wlotowe, kierownice wylotowe, prędkość obrotowa wentylatora, akustyczne
zamknięcie wlotu, prędkość wylotowa spalin). Przyczyny powstawania hałasu w sprężarce, turbinie,
wentylatorze, czy za dyszą wylotową są takie same a mianowicie tzw. pulsacje ciśnienia. Hałas samolotów
turbośmigłowych nieco różni się swoją charakterystyką od hałasu silników odrzutowych. Hałas ten jest gorzej
znoszony przez człowieka, ponieważ częstotliwość dźwięków generowanych przez silniki turbośmigłowe jest
nieco inna od tej generowanej przez silniki odrzutowe. Poziom substancji szkodliwych w emitowanych spalinach
z lotniczych silników jest niewielki. Wpływ silników lotniczych na atmosferę jest mniej szkodliwy niż innych
dziedzin przemysłu. Jedną z metod zmniejszania szkodliwej emisji jest modyfikacja komór spalania.
1. Wstęp
Nie należy rozpatrywać hałasu lotniczego oddzielnie od innych źródeł tego zjawiska. Od lat 70-tych
nastąpił bardzo duży postęp zarówno w projektowaniu tłumików hałasu samych silników lotniczych jak i
lotniskowych urządzeń tłumiących. Obecnie stosowanie tłumików mechanicznych hałasu nie jest już potrzebne
w czasie samego lotu, gdyż konstrukcja obudowy kanału zewnętrznego jest tak dobrana w nowoczesnych
silnikach dwuprzepływowych, że tłumiki są zbędne. Na lepsze rozwiązanie czekają jeszcze nowoczesne silniki
turbośmigłowe, jeżeli chodzi o redukcję ich hałasu w czasie lotu lub częściową zmianę generowanych
częstotliwości dźwięków. Emisyjność szkodliwych związków silników lotniczych jest najniższa w porównaniu z
innymi źródłami a wynika to z faktu, że znaczna część sprężanego powietrza w silnikach odrzutowych jest tylko
przepompowywana a same loty odbywają się na dużych wysokościach.
2. Hałas
2.1. Wpływ hałasu na człowieka [1], [4], [6].
Hałas nie był zbyt dokuczliwy do początków lotnictwa odrzutowego. W latach 50-tych sprzeciw ludności zamieszkującej w pobliżu lotnisk wywołało pojawienie się samolotu Boeing 707 wytwarzającego przy starcie 114-120dB1. Hałas od zawsze towarzyszy człowiekowi, ale niebezpieczna sytuacja występuje wtedy, gdy
1
dB – decybel – poziom ciśnienia akustycznego,
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 1
jest on powyżej pewnego poziomu i staje się uciążliwy. Oddziałuje wówczas ujemnie na układ nerwowy i narząd słuchu człowieka powodując rozproszenie uwagi, uniemożliwiając pracę i wypoczynek, wywołując zmęczenie, ból głowy, apatię i może przy większym natężeniu prowadzić do trwałego uszkodzenia słuchu. Poziom
dźwięku 65dB nie jest szkodliwy dla człowieka, poziom dźwięku 65-100dB jest szkodliwy dla systemu nerwowego, poziom dźwięku powyżej 100dB powoduje ciężkie zakłócenia systemu nerwowego i trwałe uszkodzenie
słuchu, poziom 130dB stanowi granicę bólu, poziom 160dB powoduje mechaniczne uszkodzenie narządów słuchu. Wzrost poziomu hałasu o 10dB jest odbierany przez człowieka jako dwukrotne jego zwiększenie. Przykładowy poziom emisji hałasu:
- ulica miasta o niedużym ruchu - 60dB,
- ruchliwa ulica dużego miasta – 75-85dB,
- hala fabryczna – 80-90dB,
- pociąg ekspresowy – 110dB,
- narzędzia pneumatyczne – 120dB,
- śmigło naddźwiękowe – 136dB,
- silnik turboodrzutowy – 140dB,
- silnik turboodrzutowy z dopalaczem – 150dB.
Im dalsza jest odległość o źródła hałasu tym jego poziom jest mniej odczuwalny w skutkach –rys. 10.
2.2. Wprowadzenie Aneksu 16.
Z powodu protestów ICAO2 opracowało Aneks 16 określający dopuszczalny poziom hałasu dla
wszystkich samolotów. Opierając się na Aneksie 16 wiele państw wydało swoje przepisy a najostrzejsze są amerykańskie oznaczone jako FAR3 36. Na rysunku 1 pokazano dopuszczalne poziomy hałasu wg aneksu 16. Metoda pomiaru różni się zależnie od maksymalnej masy startowej4 i przyjęto rozgraniczenie 5700 kg. Do pomiaru
hałasu emitowanego przez samoloty przyjęto nową jednostkę tzw. efektywny poziom hałasu odczuwalnego
(Effective Perceived Noise Level) EPN5 dB. Jednostka ta umożliwia sprowadzenie hałasu lotniczego złożonego
z dźwięków o różnych natężeniach i częstotliwości do jednej wielkości. W celu pomiaru hałasu samolotu w
czasie jego lądowania, startu czy wznoszenia punkty pomiaru rozmieszczone są w dwóch miejscach na osi drogi
startowej (w odległości 2 km przed i 6,5 km za jej początkiem) oraz z boku pasa startowego w odległości 0,45
(lub 0,65) km – rys. 2. Na wielu lotniskach obecnie występuje pomiar ciągły z rejestracją wyników. Działanie
zmierzające do ograniczenia hałasu lotniczego podzielić można na dwa rodzaje:
- usuwające skutki, czyli realizowane w obrębie lotnisk,
- usuwające przyczyny, czyli realizowane w obrębie układów napędowych.
Do określania uciążliwości hałasu przyjęto tzw. ogólną ekspozycję hałasu6, czyli jakby całkowitą energię dźwięku otrzymaną w ciągu dnia w danym punkcie na ziemi. Na tej podstawie wyznacza się punkty, w których ogólna ekspozycja jest taka sama. Połączenie tych punktów tworzy krzywe izofoniczne. Każda krzywa izofoniczna7 ma swój wskaźnik wielkości ogólnej ekspozycji hałasu. Najbardziej intensywny hałas występuje wokół dróg startowych – rys. 5. Intensywność ta i obszar oddziaływania dość szybko maleje w bok od osi pasa a
1 dB odpowiada ciśnieniu akustycznemu p spełniającemu warunek:
p
20 lg
=1
gdzie p0 = 2 ⋅ 10 −5 N m 2
p0
[
]
2
ICAO – International Civil Aviation Organization – Międzynarodowa Organizacja
Lotnictwa Cywilnego.
3
FAR – Federal Aviation Regulations (US) – Federalne Przepisy Lotnicze.
4
Maksymalna masa startowa – maksymalny ciężar całkowity samolotu do startu.
5
EPN - Effective Perceived Noise Level - efektywny poziom hałasu odczuwalnego.
Jest to nowa jednostka przyjęta przez ICAO specjalnie do pomiaru hałasu emitowanego przez samolot.
Jednostki [dB] i [EPN dB] różnią się tym, że dla tej drugiej metodyka pomiarów i przeliczeń jest
zdecydowanie bardziej skomplikowana.
6
Ogólna ekspozycja hałasu – całkowita energia dźwięku otrzymana w ciągu dnia w danym
punkcie na ziemi.
7
Krzywa izofoniczna – linia łącząca punkty o takiej samej ogólnej ekspozycji hałasu.
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 2
wydłużony jest wzdłuż niego w wyniku stosowanych kątów podejścia i wznoszenia samolotów. Obszary wokół
lotnisk podzielone są na dwa lub trzy obszary uciążliwości hałasu. Pierwsza strefa obejmuje obszar występowania hałasu na poziomie 75 dB, druga obejmuje obszar o poziomie 67 dB, trzecia zaś strefa, jeżeli jest uwzględniana to zawiera obszar dopuszczalnego hałasu o natężeniu 52 dB co pokazano na Rys. 3.
2.3. Mapa przedstawiające przykładowy rozkład hałasu wokół lotniska.
Strefy hałasu na lotnisku wojskowym w Krzesinach na terenie Poznania: Mapa. 1. Poziom równoważny
hałasu w otoczeniu lotniska Krzesiny w porze dziennej skala 1:20 000 [7].
Mapa. 2. Zagrożenie hałasem na terenie Polski [8].
2.4. Działania bierne ograniczające hałas.
Dąży się do maksymalnego ograniczenia powierzchni dwóch pierwszych stref (patrz Rys. 3.) a ich
przebieg wytycza się w ten sposób, aby obejmowały jak najmniej terenów o gęstej zabudowie. W tym celu
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 3
zmieniono procedury startu i lądowania. Nowe procedury mają tak dobrany tor lotu wznoszenia i podejścia do
lądowania samolotu, aby nad obszarem chronionym był on na możliwie dużej wysokości i kontynuował lot w
sposób zapewniający minimalną emisję hałasu. Sposób startu i lądowania dostosowany jest do rodzaju zabudowy otoczenia konkretnego lotniska. Obniża to w pewnym stopniu maksymalny poziom hałasu na powierzchni
ziemi, ale przede wszystkim umożliwia zmniejszenie, nawet kilkakrotne, powierzchni najbardziej zagrożonych
stref. Dodatkowo ustalono tzw. trasy minimalnego hałasu, łączące lotnisko z korytarzami powietrznymi. Trasy
te wytyczone są nad obszarami mało zabudowanymi, parkami, terenami leśnymi itp.
Stosuje się też zabezpieczenie personelu lotniska i pasażerów na terenie lotniska przed hałasem powodowanym pracą silników na ziemi. Stanowiska dla samolotów znajdujące się najbliżej budynków są tak zaprojektowane, by wyloty silników skierowane były w przeciwną stronę. Nie dokonuje się prób silników w porcie a
na terenie bazy technicznej. Buduje się specjalne wały ziemne i ekrany akustyczne oraz stosuje się pasy zieleni.
Wał zaproponowany przez ICAO ma 100m szerokości i 8m wysokości. Skuteczność wałów zwiększa się przez
ich zadrzewienie. Przykładowy stopień tłumienia:
- wał o szerokości 100m-obniża hałas o 25-30dB,
- pas zieleni o szerokości 25-30m-obniża hałas o 10-12dB.
Stosuje się też lotniskowe przewoźne tłumiki hałasu, które są podstawiane do wylotów i wlotów silników odrzutowych – rys. 13. Działanie ich zbliżone jest do działania tłumików mechanicznych zabudowanych na
silnikach.
Wspomniane działania są tylko bierną obroną przed istniejącym hałasem i zmniejszają tylko uciążliwość lotniska dla otoczenia.
2.5. Działania czynne ograniczające hałas.
Radykalne skutki daje dopiero bezpośrednie oddziaływanie na źródło hałasu, czyli silnik i elementy
samego płatowca, czyli wypuszczone podwozie, otwarte pokrywy, elementy mechanizacji skrzydeł itp. Przy
czym wyciszenie płatowca jest trudniejsze niż wyciszenie samego napędu.
Zespołami podstawowymi wywołującymi hałas w silniku odrzutowym są: dysza wylotowa, turbina i
sprężarka (wentylator, jeżeli silnik jest dwuprzepływowy co pokazano na Rys. 4.). Dysza i turbina emitują hałas
w kierunku wylotu silnika, sprężarka emituje hałas w kierunku wlotu silnika, natomiast wentylator emituje hałas
zarówno poprzez wlot jak i wylot. Dysza wytwarza częstotliwości niskie, turbina i sprężarka wytwarzają częstotliwości wysokie zbliżone do świstu. Rozróżnia się metody zwalczania hałasu silnika:
- bierne – czyli ograniczanie stopnia przedostawania się hałasu do otoczenia,
- czynne – czyli ingerencja w przyczyny powstawania tego hałasu.
Odnośnie silników starszych, które są już w eksploatacji możliwe jest tylko oddziaływanie bierne polegające na stosowaniu specjalnych dźwiękochłonnych wykładzin w kanałach oraz polegające na stosowaniu mechanicznych tłumików hałasu.
2.5.1. Mechaniczne tłumiki hałasu.
Mechaniczne tłumiki hałasu działają na zasadzie wymuszenia intensyfikacji mieszania spalin z powietrzem poprzez rozdrobnienie strumienia lub poprzez zassanie do niego dodatkowej masy powietrza z otoczenia.
Istnieje wiele odmian tłumików – rys. 5, najczęściej jednak spotyka się tłumiki wielorurowe – powodujące podział strumienia spalin na kilkanaście mniejszych, co umożliwia w efekcie szybsze mieszanie się z powietrzem, interferencję akustyczną (wzajemne wyciszanie) między obszarami mieszania i zmianę częstotliwości
na wyższą, ulegającą szybszemu wytłumieniu; sektorowe (z dyszami sektorowymi) – działające na tej samej zasadzie, oraz eżektorowe – powodujące zassanie powietrza z atmosfery i wymieszanie go ze spalinami. Stosuje
się również dosyć często układy mieszane tłumików wielorurowych lub sektorowych z eżektorowymi. Zastosowanie tłumika zmniejsza hałas o 3-15 dB, przy jednoczesnym wzroście masy napędu o 2-3 % i spadku ciągu o
2-4 %. Wyższe wielkości obniżenia hałasu przy jednocześnie niskich spadkach ciągu uzyskuje się przez zastosowanie tłumików eżektorowych dzięki rekompensacji obniżenia prędkości wypływu spalin dodatkową masą
powietrza zasysaną do strumienia. Dosyć często w celu obniżenia hałaśliwości silników już eksploatowanych
wytwórnie opracowują bardziej efektywne tłumiki, dostarczane jako zestawy do samodzielnego montażu przez
linie lotnicze. Przykładem może być zestaw nazwany hush-kit, opracowany w 1974 r. przez Rolls-Royce. Spełnia on wymagania normy ICAO i jest przeznaczony dla silników Rolls-Royce Spey Mk. 512-14DW. Podobne
zestawy opracowywane są również obecnie. Np. na rys. 5a. pokazano specjalny kombinowany łopatkowo eżektorowy tłumik dla silników do samolotu Concorde. W nowoczesnych konstrukcjach stosowane są zarówno
bierne jak i czynne metody zwalczania hałasu. Na rys. 8. i rys. 8a. pokazano bierne zwalczanie hałasu dla silników Rolls-Royce. Na rys. 9. pokazano czynne zwalczanie hałasu dla silników Pratt & Whitney.
2.5.2. Wpływ wieńców łopatek i kierownic na hałas.
Przyczyna powstawania hałasu emitowanego przez sprężarkę (wentylator) i turbinę jest taka sama, a
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 4
mianowicie – pulsacje ciśnienia wynikające z przechodzenia każdego z wieńców łopatek przez strumień czynnika za poprzednim. Istnieją sposoby ograniczania tego zjawiska, całkowicie wyeliminować go jednak nie można,
wynika to, bowiem ze sposobu pracy tych zespołów. Jedna z metod to zwiększenie odległości między wieńcami,
co jest możliwe w bardzo ograniczonym zakresie, ze względu na zachowanie prawidłowości ich współpracy.
Praktyczną realizacją tego zagadnienia jest usunięcie kratownic wlotowych w silnikach w silnikach wentylatorowych i odsunięcie wieńca kierownic wylotowych na dużą odległość od wirnika wentylatora.
2.5.3. Wpływ wentylatora na hałas.
Dosyć skuteczną metodą jest również taka regulacja silnika, aby wymagany ciąg uzyskiwany był przy
możliwie małej prędkości obrotowej wentylatora lub sprężarki. Efekt ten pozwalają z łatwością uzyskać trójwirnikowe silniki wentylatorowe (RB.211), w których prędkość obrotową wentylatora można zmniejszyć w trakcie
podejścia do lądowania, bez zakłócenia pracy kolejnych stopni. Poziom hałasu obniża się wówczas o 3-4 dB.
2.5.4. Wpływ sprężarki na hałas.
Czasem również tak dobiera się prędkość przepływu powietrza na pierwszym stopniu sprężarki, aby
utrudnić przedostawanie się hałasu „pod prąd” (w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu w silniku) – jest
to tzw. akustyczne zamknięcie wlotu.
2.5.5. Wpływ dyszy wylotowej na hałas.
Głównym źródłem hałasu silników turboodrzutowych jest jednak dysza wylotowa. Przyczyną tego są
intensywne pulsacje, wynikające z mieszania się z otaczającym powietrzem wypływającego z niej z dużą prędkością strumienia spalin. Natężenie hałasu zależy od różnicy prędkości między spalinami a otoczeniem, co powoduje, że w czasie lotu z dużymi prędkościami hałas jest mniejszy. Znaczenie tego zjawiska jest jednak minimalne dla ludności zamieszkującej tereny wokół lotnisk, gdyż w czasie startu i lądowania prędkość lotu jest
właśnie niewielka. Nasuwającym się natychmiast rozwiązaniem jest zmniejszenie prędkości wylotowej spalin.
Dla silnika jednoprzepływowego jest to jednak możliwe tylko wtedy, gdy jest on wyposażony w regulowaną dyszę; poprzez maksymalne jej rozwarcie. W każdym innym przypadku, przy stałym natężeniu przepływu powodowałoby to spadek ciągu.
2.6. Dwa rozwiązania konstrukcyjne silnika dwuprzepływowego pod względem ograniczenia hałasu.
Radykalnym rozwiązaniem tego problemu stało się wprowadzenie silników dwuprzepływowych. Silnik
ten pozwala zmniejszyć prędkość wypływu spalin, przy jednoczesnym wzroście natężenia przepływu, a więc
bez zmniejszania ciągu. Prędkość wypływu spalin z kanału wewnętrznego jest w tym przypadku zawsze mniejsza niż z odpowiadającego mu silnika jednoprzepływowego, ze względu na odprowadzenie większej ilości
energii do napędu wentylatora. Prędkość wypływu czynnika z kanału zewnętrznego jest natomiast bardzo mała,
ponieważ wentylator powoduje jedynie niewielki spręż powietrza8. Część wylotowa tych silników bywa
konstruowana bądź w postaci dłuższej osłony kanału zewnętrznego niż wewnętrznego, tworzącej tzw.
mieszalnik, bądź z krótkim kanałem zewnętrznym. W pierwszym przypadku spaliny zostają zmieszane z
powietrzem wewnątrz silnika, przy czym znajdujące się w kanale wewnętrznym zawirowywacze powodują
szybkie rozdrobnienie strumienia spalin i efektywniejszy proces mieszania. Prędkość wylotowa gazów jest
wypadkową prędkości w kanale zewnętrznym i wewnętrznym. W drugim przypadku szybszy strumień
wewnętrzny otoczony jest przez wolniejszy zewnętrzny, który ekranuje go i powoduje stopniowe mieszanie z
otoczeniem. W obu przypadkach wynikiem jest obniżenie średniej prędkości wylotowej spalin, dzięki czemu
silniki te są cichsze o ok. 14-17 dB.
2.7. Przewaga silnika dwuprzepływowego nad jednoprzepływowym.
Start i lądowanie samolotu odbywa się przy dwóch różnych zakresach pracy silnika. Przy starcie wymagany jest pełny ciąg, i wówczas decydującym źródłem hałasu jest w silniku jednoprzepływowym jest dysza
wylotowa. Przy lądowaniu silnik pracuje na zmniejszonym ciągu, zwykle w granicach 30-40 % ciągu maksymalnego. W tym zakresie pracy zmniejsza się nieco hałas powodowany dyszą, natomiast nabiera znaczenia wywoływany przez turbinę.
Wprowadzenie silników dwuprzepływowych o małym stosunku natężeń przepływu spowodowało
8
Spręż powietrza – jest to stosunek ciśnienia powietrza na wyjściu do ciśnienia powietrza na
wejściu:
(1)
π=
T. Kijewski
p2
pH
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 5
zmniejszenie wpływu dyszy na wytwarzanie hałasu do wielkości uzyskiwanych przez dobre tłumiki w silniku
jednoprzepływowym. Wadą ich jest natomiast zwiększony wpływ wentylatora na hałas przy pracy na małym
ciągu podczas lądowania. Jednak w wyniku zmniejszania prędkości wylotowej spalin spadek poziomu hałasu od
dyszy jest szybszy niż wzrost hałasu od wentylatora i całkowity hałas generowany przez silnik się zmniejsza. Z
tego powodu dąży się do dalszego wzrostu stosunku natężeń przepływu w silnikach dwuprzepływowych. Obecnie stosuje się silniki wentylatorowe o dużym stopniu dwuprzepływowości9 (tzn. powyżej 3), gdzie występuje
układ jednostopniowy bez kierownic wlotowych i gdzie stopień kierownic wylotowych odsunięty jest daleko za
płaszczyznę. W wyniku tego wyeliminowane jest wzajemne oddziaływanie wieńców łopatkowych. Opisane
modyfikacje silników spowodowały powstanie najcichszych silników w historii napędu odrzutowego. Dynamikę zmian pokazano na rys. 6. oraz na rys. 6a. Na rys. 11. widać różnice pomiędzy silnikiem jedno- i dwuprzepływowym pod względem emitowanego hałasu.
2.8. Hałas w samolotach turbośmigłowych.
W samolotach turbośmigłowych źródłem hałasu jest przede wszystkim praca śmigła. Wynika to z odrywania się strumienia powietrza na profilach łopat, z wirów spływających z końcówek oraz ze ściśliwości powietrza. W samolotach wielosilnikowych dodatkowo pojawia się hałas wywołany okresową zmianą natężenia z
powodu nakładania się hałasu generowanego przez śmigła przy nierównych prędkościach obrotowych. Hałas
zmniejsza się poprzez odpowiedni dobór czynników mających wpływ na jego natężenie oraz poprzez synchronizację pracy silników. Napęd turbośmigłowy pod względem hałasu jest korzystniejszy dla lotniska i jego otoczenia, ale jest poważnym problemem dla pasażerów. Na rys. 7. pokazano rozkład poziomu hałasu w takim samolocie. Częstotliwość dźwięków generowanych przez śmigło jest gorzej znoszona przez organizm człowieka
niż ta generowana przez silnik turboodrzutowy.
3. Emisja spalin
3.1. Substancje szkodliwe emitowane z silników lotniczych.
Paliwo dla silników turbinowych stanowi nafta z różnymi domieszkami. Komory spalania są wysokosprawne i zapewniają dużą efektywność przy małej emisji substancji szkodliwych do otoczenia. Substancje
szkodliwe to głównie:
- dwutlenek węgla,
- tlenek węgla,
- tlenki azotu,
- dwutlenek siarki,
- nie spalone węglowodory,
- dym.
3.2. Średnie zużycie powietrza na 1 godzinę.
Średnie zużycie powietrza w ciągu godziny:
- człowiek 0,08kg,
- samochód średniolitrażowy 55kg,
- parowóz 32 t,
- silnik odrzutowy 1200 – 2700 t, przy czym w samym procesie spalania bierze udział 30-70 t/h a
reszta jest przepompowywana.
Istotną rolę odrywa tutaj też ilość spalanego paliwa na jedną godzinę lotu przez dany samolot. Przykładowo B767 spala 5 t paliwa /h a Ił 86 spala 9 t paliwa /h.
3.2. Porównanie szkodliwości silników lotniczych z innymi rodzajami zanieczyszczeń.
Silnik lotniczy jest jednym z najczystszych, jeżeli chodzi o emisję spalin –rys.15. W Stanach Zjedno9
Stopień dwuprzepływowości – jest to stosunek podziału strumieni, czyli stosunek
masowego natężenia strumienia w kanale zewnętrznym do masowego natężenia
strumienia w kanale wewnętrznym:
o
(2)
µ=
m II
o
mI
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 6
czonych przy bardzo intensywnym ruchu lotnictwo powoduje 3 % zanieczyszczeń (w tym 1 % lotnictwo komunikacyjne). Dla porównania transport samochodowy w tym kraju jest sprawcą 40 % zanieczyszczeń, a ciepłownictwo 20 %. Poza tym zanieczyszczenia z silników lotniczych rozcieńczają się bardzo szybko w olbrzymich
masach powietrza w porównaniu z innymi typami zanieczyszczeń, które są raczej skumulowane w określonym
miejscu. Skupiskami takimi są oczywiście tereny przemysłowe i duże miasta.
3.3. Zagrożenia ze strony silników lotniczych dla atmosfery.
Emisja lotniczych silników jest natomiast bardzo groźna dla środowiska w lotach naddźwiękowych na
wysokości 15-20 km. Wynika to z tego, że emitowane tlenki azotu powodują katalityczny rozpad ozonu oraz z
faktu, że emitowany dwutlenek siarki zmienia przezroczystość powietrza. Również loty samolotów długodystansowych na wysokościach 12-14 km częściowo przyczyniają się do zmiany stanu atmosfery w tej czułej strefie.
Jednak atmosfera posiada zdolność regeneracyjną i w ciągu następnej dekady lotnictwo nie zagraża
jeszcze zbyt intensywnym zmianom składu atmosfery. Gorzej sprawa wygląda na terenie samych lotnisk. Rozkład wypływu spalin z silników odrzutowych przy ziemi pokazano na rys.14.
Większość ulic największych miast posiada większe stężenie substancji szkodliwych niż lotniska, jednak mimo wszystko wprowadza się odpowiednie procedury ruchowe tak, aby samolot nie uruchamiał silników
zbyt wcześnie oraz aby nie czekał na skołowanie do miejsca postoju zbyt długo.
3.4. Wprowadzane usprawnienia konstrukcyjne stosowanych silników lotniczych.
Oprócz tego modyfikowane są cały czas komory spalania silników lotniczych np.:
- komora o równoległych strefach spalania,
- komora o spalaniu dwustrefowym – szeregowym,
- komora ze wstępnym przygotowaniem mieszanki,
- komora z katalizatorami.
Wizualnie silniki lotnicze z tego powodu są trochę krótsze od starszych modeli i mają nieco większą
średnicę. Kierunki rozwoju komór spalania widać na rys. 12. Tabele 1-3 pokazują przykładowe dane statystyczne o emisji spalin z silników lotniczych, które zostały zebrane w ciągu ostatnich lat.
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 7
Rys.1. [4]
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 8
Rys.2. [4]
Rys.4. [4]
Rys.3. [4]
Rys.5. [4]
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 9
Rys.5a. [4]
Rys.6. [4]
Rys.7. [4]
Rys.6a. [4]
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 10
Rys.8. [4]
Rys.8a. [4]
Rys.9. [4]
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 11
Rys.10. [4]
Rys.11. [5]
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 12
Rys.12. [4]
Rys.13. [5]
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 13
Rys.15. [4]
Rys.14. [5]
Tab.1. POSTĘP W PODWYŻSZANIU SPRAWNOŚCI SPALANIA ORAZ OBNIŻANIU
EMISJI W SILNIKACH TURBOODRZUTOWYCH [2].
LATA
Parametr
1972
1980
1990
1995
h start [%]
99.20
99.80
99.90
99.95
h bieg jałowy [%]
88.20
99.0
99.3
99.95
CO [%]
100
30
10
4
HC [%]
100
25
10
2
NOx [%]
Liczba zadymienia [%]
100
115
70
40
100
60
40
26
CO g/kN
310
120
60
20
HC g/kN
280
100
30
10
NOx g/kN
300
280
40
20
Tab.2. Wielkości emisji wybranych silników lotniczych [2].
Typ silnika
Zastosowanie
CO
CO2[103]
HC
NOx
Tłokowe lotnicze średnio
4-400
2,4-3,26
2-200
2-200
Turboodrzutowe średnio
1-200
2-3,28
1-100
2-160
Limity EPA/ICAO [g/kN]
118
19,6
PW-124B
Start
2
17,7
wznoszenie
2
przelot
2
dolot
35,3
9,6
kołowanie
38
16,8
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
PT
0,1-8
0,1-6
LZ
36
34
35
4
2
TK - 14
Tab.3. Zużycie paliwa w (kg) dla ważniejszych samolotów w poszczególnych fazach typowego lotu (a - g, patrz [3] strona 7).
B737-400
B737-500
B767-200ER
B767-200ER
ATR-72
a
114
114
195
191
21
b
224
208
476
495
21
c
1320
1375
2994
3103
225
d
10023
10953
46628
61510
846
e
156
179
329
347
30
f
113
113
191
181
14
g
64
64
109
109
21
Wyróżnia się następujące części składowe typowego lotu:
- a) kołowanie przed startem,
- b) start i wznoszenie do wysokości 1500 stóp,
- c) wznoszenie do wysokości operacyjnej,
- d) przelot na wysokości operacyjnej,
- e) schodzenie do lądowania,
- f) zbliżenie do lądowania i lądowanie,
- g) kołowanie po wylądowaniu.
Tab.4. Eksploatacyjne zakresy indeksów emisji silników lotniczych i trakcyjnych [3] strona
8.
Wskaźnik emisji g/kg pal = kg/ton pal
Emisja
SSW
TSB
LSB
LST
CO2
1800÷3280
2200÷3260
2400÷3260
2000÷3280
CO
2÷180
4÷400
4÷400
1÷200
HC
1÷40
2÷200
2÷200
1÷100
NOx
2÷140
2÷200
2÷200
2÷160
PT
0.2÷20
0.1÷8
0.1÷8
0.1÷6
C
0.1÷10
0.1÷4
0.1÷4
0.1÷4
SO2
4÷10
2÷6
1÷6
0.4÷4
SSW - szybkoobrotowe silniki wysokoprężne
TSB - trakcyjne silniki benzynowe
LSB - lotnicze silniki benzynowe
LST - lotnicze silniki turboodrzutowe
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 15
4. Zakończenie
Procedury antyhałasowe wprowadzone dla operacji startów i odlotów oraz dla operacji podejść i lądowań samolotów skutecznie zmniejszyły powierzchnię stref wysokiego hałasu wokół lotnisk. Jeżeli chodzi o osoby podróżujące to aktualnie w każdym samolocie pasażerskim fotele w środkowej części kadłuba blisko środka
ciężkości i jednocześnie w pewnej odległości od silników są miejscem o najniższym poziomie hałasu. Jedynym
wyjątkiem jest Concorde, gdzie wszyscy podróżujący wraz z załogą siedzą w strefie pomiędzy falą czołową,
czyli dziobową a falą ogonową w locie naddźwiękowym. Dźwięki towarzyszące przekraczaniu bariery dźwięku
i lotom naddźwiękowym nie zależą od hałasu emitowanego przez zespół napędowy poruszającego się źródła.
Wszystkie nowe lotniska i terminale są budowane dla zapewnienia niskiego poziomu hałasu a już istniejące są
modyfikowane pod tym kątem. Lotnictwo jako źródło zanieczyszczeń zagraża atmosferze, ale zagrożenie to jest
o kilka rzędów wielkości niższe w porównaniu z innymi dziedzinami przemysłu, transportu i gospodarki. Obecnie są prowadzone intensywne badania nad nowymi typami paliwa do silników lotniczych w tym również nad
ciekłym wodorem (LH2), które to paliwo jest bardzo przyjazne dla środowiska.
Literatura
1. Dzierżanowski Paweł, Kordziński Walerian, Łyżwiński Mieczysław, Otyś Jerzy, Szczeciński Stefan, Wiatrek
Ryszard:„Turbinowe silniki odrzutowe”. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1983. Rozdział
10. Strony 388-391.
2. Ekert Karol, Jeż Marian:„Emisja spalin silników lotniczych”. Sprawozdanie Instytutu Lotnictwa Nr
BT1.247/94. Część 1,Część 2. Strona 18-tabela nr 4 – (Tab.1.), Strona 28-tabela nr 4 – (Tab.2.),
Strona 38-tabela nr 1 – (Tab.3.).
3. Jeż Marian:„Estymacja emisji spalin ważniejszych silników lotniczych użytkowanych w Polsce”.
Sprawozdanie Instytutu Lotnictwa Nr BT1.291/96. Strona 7-8-tabela nr 2 – (Tab.3.), Strona 8-9-tabela nr 3 –
(Tab.4.).
4. Makowski Tomasz, Wojdalski Włodzimierz:„Samoloty Transportowe i Komunikacyjne
świata”. Wydawnictwo Czasopism i Książek Technicznych SIGMA NOT, Warszawa 1992. Rozdział 7.
Strony 95-108.
5. Rajpert Tadeusz:„Hałas lotniczy i sposoby jego zwalczania”. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności,
Warszawa 1980. Strona 90-rys.2.24.-(Rys.11.), Strona 295-rys.5.31.-(Rys.13.), Strona 105-rys.2.36.(Rys.14.).
6. Przewodniczący komitetu redakcyjnego prof. dr hab. inż. Szczeciński Stefan:„Ilustrowany Leksykon
Lotniczy – NAPĘDY”. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1993. Hałas-Strona 73. SpalanieStrona 214-216.
7. http://www.poznan.pios.gov.pl/klimat/r8.html - strona główna na temat hałasu na lotnisku cywilnym na Ła-wicy i na lotnisku wojskowym w Krzesinach na terenie Po-znania,
http://www.poznan.pios.gov.pl/klimat/mapy/m3.html - mapa. 1,
Pozostałe mapy dla okolic lotniska w Poznaniu znaleźć można na stronach internetowych:
http://www.poznan.pios.gov.pl/klimat/mapy/m1.html
http://www.poznan.pios.gov.pl/klimat/mapy/m2.html
http://www.poznan.pios.gov.pl/klimat/mapy/m4.html
http://www.poznan.pios.gov.pl/klimat/mapy/m5.html
Dane zostały ściągnięte z sieci Internet dnia 11.04.2002.
8. http://www.gridw.pl/raport_pl/caly/rys46.htm - mapa. 2. Zagrożenie hałasem na terenie Polski.
Dane zostały ściągnięte z sieci Internet dnia 11.04.2002.
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 16
AIRCRAFT AND THE ENVIRONMENT – NOISE AND EXHAUST GAS EMISSION
Tomasz KIJEWSKI
Noise have an effects on human body and there are different levels of emission of the noise from varied
sources. The are many reasons of introducing Annex 16 by ICAO or FAR 36 by FAA and there is one universal
unit used to measure emitted level of noise. The specific arrangement of points to measure noise from aircrafts
are applied. Many activities are used to remove the results of noise inside airports areas such as anti-noise procedures for airplanes, minimum noise routes, earthy shafts, acoustic screens, green strips, aerodrome noise suppressors. Also many activities to remove the reasons of noise within power transmission systems of the aircrafts
are used such as mechanic noise suppressors, suitable distances between blade rings, maximum distance of outlet guide vanes from fan, the elimination of prestator blades, specific rotational speed of compressor, the
acoustic close of the inlet to engine method, the reducing of exhaust velocity, the reducing of rotational speed of
the fan. The reason of raising a noise in compressor, turbine, fan or in exhaust nozzle is the same and it is called
pressure fluctuations. The noise of turboprop airplanes is a little different. The impact of noise in such aircrafts
is worse to tolerate by human because of the frequency of sounds generated by turboprops are different than the
sounds generated by jet engines. The level of harmful substances in exhaust emitted by aircrafts is low. The influence of aircraft engines on the atmosphere is complex. Use of modifications in combustors is one of the ways
to reduce emission into the air.
T. Kijewski
Samolot a środowisko – hałas i emisja spalin.
TK - 17