Нормирование выбросов загрязняющих веществ

К загрязняющим веществам, выбрасываемым авиационными двигателями, относятся: окись углерода, или угарный газ СО; несгоревшие углеводороды - различные углеводородные соединения, представляющие собой продукты разложения и неполного сгорания топлива (СН₄, С₂Н₂, С₂Н₄ и др.) и условно обозначаемые С_хН_у; окислы азота (NO, NO₂) - NO_x (частицы сажи и другие углеродистые вещества, препятствующие прохождению света.

Загрязняющие вещества СО и С_xН_y образуются вследствие неполного сгорания топлива. Окисление азота происходит при высоких температурах (свыше 2 000 К), и поэтому NO_x образуется, главным образом, в локальных зонах при горении смеси стехиометрического состава. Сажевые частицы, приводящие к дымлению двигателей, выделяются в переобогащенных объемах смеси вследствие термического разложения топлива.

В настоящее время разработаны международные и национальные нормы на допустимое содержание загрязняющих веществ в выхлопных газах авиационных двигателей. Принципы нормирования состоят в следующем. Вводится условный цикл взлетно-посадочных операций, представляющий собой перечень режимов работы двигателя при взлете и посадке и их продолжительность. Этот перечень основан на статистических данных для магистральных пассажирских самолетов, предназначенных для дозвуковых и сверхзвуковых скоростей полета, и приведены в табл. 7.1, где - отношение значений тяги двигателя на рассматриваемом и взлетном режимах.

Таблица 7.1

Режим	М < 1	М > 1
тяга , %	время, мин	тяга *, %	время, мин
Взлет		0,7		1,2
Набор высоты		2,2
Снижение	-	-		1,2
Заход на посадку				2,3
Руление (режим малого газа)			5,8

* По отношению к тяге на максимальном форсажном режиме.

Таблица 7.2

Вещество	Удельная масса выброса wi г/кН
М < 1	М > 1
Несгоревшие углеводороды	19,6	140 (0,92) p*к0
Окись углерода		4550 (p*к0)-1,03
Окислы азота	40+2 p*к0	36+2,42 p*к0

Нормируемым параметром для газообразных компонент является удельная масса выброса w_i - масса данного вредного вещества М_i в граммах, выделившаяся за условный цикл взлетно-посадочных операций, отнесенная к величине взлетной тяги двигателя Р_вз в килоньютонах при стандартных атмосферных условиях (В₀=760 мм рт.ст., Т₀=288 К, абсолютная влажность 0,00629 килограмма воды на килограмм воздуха): w_i=М_i/Р_вз.

Значения М_i несгоревших углеродов и окислов азота вычисляются при условном предположении, что они находятся в продуктах сгорания в виде метана СН₄ и в виде двуокиси азота NO₂.

Уровни выделений газообразных веществ не должны превышать нормативных значений, указанных в табл. 7.2[2].

На рис. 7.1 приведены графики изменения допустимых значений w_i в зависимости от значения p*_к0.

Здесь p*_к0 - так называемая базовая степень повышения давления, т.е. степень повышения давления в компрессоре на взлетном режиме при стандартных атмосферных условиях и скорости полета равной нулю.

Для двигателей с форсажом допускаются более высокие уровни выделений СО и СН, в особенности при небольших значениях p*_к0. Это связано с пониженными значениями коэффициента полноты сгорания топлива в форсажной камере по сравнению с основной. Уровни же выделения NO_х практически совпадают, так как в форсажной камере окислы азота практически не образуются из-за более низких, чем в основной камере, значений температуры горения локальных объемов смеси состава, близкого к стехиометрическому.

Некоторое увеличение допустимых уровней выхода окислов азота с ростом p*_к0 объясняется в основном тем, что с ростом p*_к0 существенно увеличивается образование NO_х, так как растут значения температуры за компрессором и, следовательно, максимальные величины температуры горения.

Выход загрязняющего вещества i на каждом режиме работы двигателя характеризуется индексом выброса I_i, который представляет собой количество вещества i в граммах, выделившегося при сжигании одного килограмма топлива. Зная величину I_i на каждом режиме работы двигателя, можно вычислить массу вещества i за цикл:

где G_тj - расход топлива, кг/с; t_j - время работы на каждом из режимов условного цикла, с.

Нормирование уровня дымления осуществляется путем испо7льзования так называемого параметра выброса сажи D, который характеризует концентрацию сажевых частиц в выхлопных газах, препятствующих прохождению света. Для двигателей с Р_вз>6,53 кН параметры выброса сажи на любом из режимов не должны превышать значения, рассчитанного по формуле

D=83,6(Р_вз)^-0,274.

Для двигателей с Р£6,53 кН D£50.

Допустимые значения D выбраны в основном из тех соображений, чтобы струя выхлопных газов была практически незаметной при визуальном наблюдении. Естественно, что с ростом тяги двигателя увеличивается диаметр выхлопной струи, и для того чтобы она оставалась незаметной, необходимо уменьшить концентрацию сажевых частиц (рис. 7.2).