[go: up one dir, main page]

RU2312379C9 - Method of predicting quantitative parameters of condensation trails emitted by aircraft engines for estimation of their compliance with permisible ecological level of emissions - Google Patents

Method of predicting quantitative parameters of condensation trails emitted by aircraft engines for estimation of their compliance with permisible ecological level of emissions Download PDF

Info

Publication number
RU2312379C9
RU2312379C9 RU2006100047/28A RU2006100047A RU2312379C9 RU 2312379 C9 RU2312379 C9 RU 2312379C9 RU 2006100047/28 A RU2006100047/28 A RU 2006100047/28A RU 2006100047 A RU2006100047 A RU 2006100047A RU 2312379 C9 RU2312379 C9 RU 2312379C9
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
supersaturation
temperature
steam
quantitative
engine
Prior art date
Application number
RU2006100047/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2312379C2 (en
RU2006100047A (en
Inventor
Виктор Трифонович Дедеш
Рустэм Хасанович Тенишев
Владимир Михайлович Герман
Светлана Юрьевна Степанова
Людмила Вениаминовна Фролкина
Светлана Николаевна Киосе
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова"
Priority to RU2006100047/28A priority Critical patent/RU2312379C9/en
Publication of RU2006100047A publication Critical patent/RU2006100047A/en
Publication of RU2312379C2 publication Critical patent/RU2312379C2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2312379C9 publication Critical patent/RU2312379C9/en

Links

Landscapes

  • Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)

Abstract

FIELD: aviation and ecology; environmental control.
SUBSTANCE: proposed method consists in measurement of altitude H in cruising flights, pressure P, temperature tHB, partial pressure steam contained in atmospheric air eHB, turbine exhaust gas temperature tt and rotational speed of engine, calculation of temperature gradient of moisture mixed with exhaust jet B0. Besides that, magnitude of quantitative parameter of steam super-saturation in mixed exhaust jet of engine is calculated by definite formula.
EFFECT: possibility of normalizing of quantitative characteristics of condensation trails depending on their effect on radiation balance of atmosphere and ground surface for reduction of content of carbon dioxide in exhaust jet of aircraft engine.
1 dwg

Description

Изобретение относится к области авиации и экологии в части загрязнений атмосферы и влияния их на изменение климата и способов снижения влияния.The invention relates to the field of aviation and ecology in terms of air pollution and their impact on climate change and ways to reduce the impact.

Современные оценки антропогенных воздействий на окружающую среду подтверждают важность лучшего понимания роли атмосферных загрязнений (частиц, аэрозолей и газов) в непосредственном и косвенном влиянии на изменение климата. Климат на земле в сильной степени зависит от процесса лучистого теплообмена между атмосферной и земной поверхностью. В результате этого процесса устанавливается баланс лучистой энергии - радиационный баланс, который представляет собой разность между поглощенной поверхностью земли радиацией и ее собственным излучением. Процесс теплообмена состоит в следующем. В каждый момент времени земная поверхность поглощает относительно коротковолновую солнечную радиацию, нагревается и излучает уже более длинноволновую (инфракрасную) радиацию Вик. Значительная часть этой земной радиации поглощается атмосферой, которая в результате тоже излучает длинноволновую радиацию. Часть этой радиации направлена в сторону земли и называется встречным излучением атмосферы Ва. Поток этого встречного излучения достигает земной поверхности, но она не является абсолютно черным телом, поэтому поглощается только часть этого излучения δВa. Разность между собственным излучением земной поверхности Bo и поглощенной частью встречного излучения δВa называется эффективным излучением земной поверхности В*ик-δВa.Modern assessments of anthropogenic environmental impacts confirm the importance of a better understanding of the role of atmospheric pollution (particles, aerosols and gases) in the direct and indirect impact on climate change. The climate on earth is highly dependent on the process of radiant heat exchange between the atmospheric and terrestrial surfaces. As a result of this process, a balance of radiant energy is established - the radiation balance, which is the difference between the radiation absorbed by the earth's surface and its own radiation. The heat transfer process is as follows. At every moment of time, the earth's surface absorbs relatively short-wavelength solar radiation, heats up and emits already longer-wavelength (infrared) radiation In ir . A significant part of this terrestrial radiation is absorbed by the atmosphere, which also emits long-wave radiation as a result. Part of this radiation is directed toward the earth and is called the oncoming radiation of the atmosphere, B a . The flow of this oncoming radiation reaches the earth's surface, but it is not a completely black body, therefore only part of this radiation is absorbed δB a . The difference between the intrinsic radiation B o earth surface and part of the absorbed radiation δV a counter called the effective radiation of the earth's surface B * = B ik -δV a.

Если эффективное излучение положительно, т.е. В*>0, то земная поверхность охлаждается и наоборот, если В*<0, т.е. δВaик, то нагревается.If the effective radiation is positive, i.e. B * > 0, then the earth's surface cools and vice versa, if B * <0, i.e. δB a > B ir , then heats up.

Таким образом, радиационный баланс атмосферы и земной поверхности устанавливается в результате взаимодействия коротковолнового излучения, приходящего от солнца, R', и длинноволнового (инфракрасного) эффективного излучения земной поверхности. Количественно это выражается уравнением:Thus, the radiation balance of the atmosphere and the earth’s surface is established as a result of the interaction of the short-wave radiation coming from the sun, R ', and the long-wave (infrared) effective radiation of the earth’s surface. Quantitatively, this is expressed by the equation:

R=R'-R*=(1-r)F'+(1-r)i-B*=(1-r)(F'+i)-Bик+δBa,R = R'-R * = (1-r) F '+ (1-r) iB * = (1-r) (F' + i ) -B uk + δB a,

здесь r - альбедо; (1-r)F' - прямая солнечная радиация; (1-r)i - рассеянная в атмосфере радиация.here r is the albedo; (1-r) F '- direct solar radiation; (1-r) i is the radiation scattered in the atmosphere.

Эффективное излучение зависит от климатических условий, сезона, времени суток и от наличия в атмосфере газовых загрязнений и аэрозолей, особенно от водяного пара и тем более от капель воды и кристаллов льда, т.е. облачности.Effective radiation depends on climatic conditions, season, time of day, and on the presence of gas pollution and aerosols in the atmosphere, especially water vapor, and even more so on drops of water and ice crystals, i.e. cloud cover.

Очень существенную роль в установлении радиационного баланса играют перистые облака, которые по оценкам специалистов могут покрывать в среднем до 30% земной поверхности, поэтому увеличение их плотности и площади в результате антропогенных воздействий может явиться в будущем причиной заметного потепления на Земле.Cirrus clouds play a very significant role in establishing the radiation balance, which, according to experts, can cover up to 30% of the earth’s surface on average, therefore an increase in their density and area as a result of anthropogenic influences may cause significant warming on Earth in the future.

Существенный вклад в загрязнение верхней тропосферы и нижней стратосферы привносит авиация. Продукты сгорания, выделяемые авиационными двигателями, повышают концентрацию углекислого газа, водяного пара, метана, окислов азота и др. и содержат аэрозоли и частицы, которые в свою очередь инициируют образование и развитие перистой облачности. В результате все эти факторы повышают "тепличный" эффект атмосферы. В этом контексте ожидаемое увеличение объема авиационных перевозок может оказать существенное влияние на развитие, протяженность и частоту образования перистой облачности.A significant contribution to the pollution of the upper troposphere and lower stratosphere is made by aviation. The combustion products emitted by aircraft engines increase the concentration of carbon dioxide, water vapor, methane, nitrogen oxides, etc. and contain aerosols and particles, which in turn initiate the formation and development of cirrus clouds. As a result, all these factors increase the “greenhouse” effect of the atmosphere. In this context, the expected increase in air traffic may have a significant impact on the development, extent and frequency of cirrus cloud formation.

Одним из наиболее существенных факторов влияния авиации на образование и развитие перистых облаков являются конденсационные следы (кондследы) самолетов, которые образуются в результате конденсации и замерзания водяного пара, содержащегося в выхлопной струе авиадвигателей. Кондследы образуются на тех же высотах, что и перистые облака, по структуре они близки к ним и их даже называют искусственными перистыми облаками (Cirrus tractus). По оценке начала 1990-х годов площадь, покрываемая кондследами, может быть в среднем порядка 0,1% земной поверхности, но сильно различается по регионам, а к 2050 г. можно ожидать увеличение ее до 0,5%. Ожидаемое увеличение будет происходить вследствие как увеличения объема авиаперевозок, так и повышения КПД авиадвигателей. Но значительно более существенным является то, что при соответствующих метеорологических условиях (повышенная влажность при низких температурах, обычно ниже -40°С) в верхних слоях тропосферы и нижних слоях стратосферы кондследы могут служить запускающим механизмом (эффект "триггера") для образования и особенно для интенсивного развития перистых облаков, существующих вблизи пролегания авиатрассы.One of the most significant factors in the influence of aviation on the formation and development of cirrus clouds is the condensation trails (traces) of aircraft, which are formed as a result of condensation and freezing of water vapor contained in the exhaust jet of aircraft engines. Condleds are formed at the same heights as cirrus clouds, in structure they are close to them and they are even called artificial cirrus clouds (Cirrus tractus). According to estimates from the beginning of the 1990s, the area covered by the trail can be on average about 0.1% of the earth's surface, but varies greatly by region, and by 2050 it can be expected to increase to 0.5%. The expected increase will occur as a result of both an increase in air traffic and an increase in the efficiency of aircraft engines. But much more significant is that under appropriate meteorological conditions (increased humidity at low temperatures, usually below -40 ° C), in the upper layers of the troposphere and lower layers of the stratosphere, conduces can serve as a triggering mechanism (“trigger” effect) for formation and especially for intensive development of cirrus clouds existing near the route of the airway.

Как известно, воздействие авиации на окружающую среду подразделяют на три категории: местные загрязнения, влияющие на сам аэропорт и его окрестности, региональные воздействия, охватывающие более обширные области, и глобальные воздействия, затрагивающие климат земного шара в целом вследствие увеличения тепличного эффекта. Влияние авиации на образование и развитие перистой облачности относится к категории глобальных воздействий и может явиться в будущем причиной существенного влияния на радиационную обстановку на планете.As you know, the environmental impact of aviation is divided into three categories: local pollution affecting the airport itself and its environs, regional impacts covering more extensive areas, and global impacts affecting the global climate as a whole due to an increase in the greenhouse effect. The influence of aviation on the formation and development of cirrus clouds is a global impact and may in the future cause a significant impact on the radiation situation on the planet.

С целью снижения уровней загрязнения (шума и эмиссии газообразных веществ и частиц) ИКАО рекомендует содействовать внедрению дополнительных, в том числе эксплуатационных средств и методов (правил, ограничений) по уменьшению вредного воздействия на окружающую среду. В связи с вышесказанным целесообразно установить количественный критерий, характеризующий кондследы в зависимости от степени их влияния на радиационный баланс атмосферы и земной поверхности. Это, в свою очередь, требует установления некоторого граничного значения такого критерия, нормы, превышение которого считается недопустимым, и должны приниматься меры по уменьшению вредного воздействия эмиссии кондследов.In order to reduce pollution levels (noise and emission of gaseous substances and particles), ICAO recommends promoting the implementation of additional, including operational means and methods (rules, restrictions) to reduce the harmful effects on the environment. In connection with the foregoing, it is advisable to establish a quantitative criterion characterizing the trail, depending on the degree of their influence on the radiation balance of the atmosphere and the earth's surface. This, in turn, requires the establishment of a certain boundary value of such a criterion, a norm, the excess of which is considered unacceptable, and measures must be taken to reduce the harmful effects of the issue of conductor tracks.

Для количественной оценки влияния кондследов на изменение радиационного баланса следует сопоставить их влияние с влиянием других загрязняющих факторов эмиссии авиадвигателей.For a quantitative assessment of the effect of traces on the change in the radiation balance, one should compare their influence with the influence of other polluting factors of aircraft engine emissions.

В отчете Межправительственной группы экспертов по проблеме изменения климата (A Special Report of IPCC Workning Groups of the Intergovermental Panel of Climate Change. Cembridge University Press, 1999) приведены обобщенные по земной атмосфере данные по влиянию различных составляющих эмиссии авиадвигателей на радиационный баланс атмосферы с оценкой уровня составляющих на начало 1990-х годов и прогнозируемых к 2050-м годам. Это иллюстрирует диаграмма на фиг.1.A report by the Intergovernmental Panel on Climate Change (A Special Report of IPCC Workning Groups of the Intergovermental Panel of Climate Change. Cembridge University Press, 1999) summarizes the Earth’s atmosphere on the effects of various components of aircraft engine emissions on the radiation balance of the atmosphere with an estimate of the level components at the beginning of the 1990s and projected by the 2050s. This is illustrated by the diagram in figure 1.

Основным "тепличным" или "парниковым" (greenhouse) газом в настоящее время считается двуокись углерода (CO2). В Киотском протоколе ООН (Киотский протокол к Рамочной Конвенции ООН об изменении климата от 9 мая 1992 г.) указывается, что другие антропогенные выбросы "парниковых" газов должны оцениваться в "эквиваленте двуокиси углерода" и не должны превышать установленных для них количеств. В заявке на изобретение предлагается сравнивать воздействие на радиационный баланс кондследов с воздействием двуокиси углерода на основе данных Отчета IPCC. Для этого необходимо определить количественные критерии, характеризующие свойства кондследов, и установить корреляционную зависимость этих критериев с интенсивностью воздействия кондследов на радиационный баланс. В качестве таких критериев могут быть приняты "показатель пересыщения" пара, представляющий собой величину максимального пересыщения пара над водой в процессе охлаждения и смешения выхлопной струи с окружающим воздухом.The main "greenhouse" or "greenhouse" (greenhouse) gas is currently considered carbon dioxide (CO 2 ). The UN Kyoto Protocol (Kyoto Protocol to the UN Framework Convention on Climate Change dated May 9, 1992) states that other anthropogenic emissions of greenhouse gases should be estimated in the "carbon dioxide equivalent" and should not exceed the amounts established for them. The application for the invention proposes to compare the impact on the radiation balance of the conductor with the effects of carbon dioxide based on the IPCC Report. For this, it is necessary to determine the quantitative criteria characterizing the properties of the traces and establish a correlation dependence of these criteria with the intensity of the effect of the traces on the radiation balance. As such criteria, the “supersaturation indicator” of steam can be taken, which is the value of the maximum supersaturation of steam above water during cooling and mixing of the exhaust stream with the surrounding air.

При оценке влияния кондследов в зачет следует принимать устойчивые, плотные кондследы, т.к. именно они оказывают заметное влияние на радиационный баланс. Условия образования кондследа характеризуются уровнем пересыщения пара в смешанной струе над водой, а условия существования (длительность) уже образовавшегося кондследа характеризуются уровнем влажности атмосферы и, если при этом влажность окружающего воздуха будет выше насыщения надо льдом, то кондследы будут существовать длительно, если же влажность воздуха будет ниже насыщения надо льдом, кондслед начнет испаряться и время его существования будет ограничено.When assessing the impact of conductor traces, stable, dense conductor traces should be taken into account, as they have a significant effect on the radiation balance. The conditions for the formation of the trail are characterized by the level of steam supersaturation in the mixed stream above water, and the conditions of existence (duration) of the already formed trail are characterized by the level of atmospheric humidity, and if the humidity of the ambient air is higher than saturation above the ice, then the trails will exist for a long time, if the humidity is It will be below saturation due to ice, the conductor will begin to evaporate and its lifetime will be limited.

При повышенной концентрации в атмосфере ядер (зародышей) кристаллизации кондследы могут образовываться и при влажности ниже насыщения над водой, но выше насыщения надо льдом. Но интенсивность образования таких кондследов обычно невелика и они неустойчивы.With increased concentration in the atmosphere of nuclei (nuclei) of crystallization, traces can also form at humidity below saturation above water, but above saturation it is necessary to use ice. But the intensity of the formation of such traces is usually low and they are unstable.

Таким образом, количественными признаками плотного, устойчивого кондследа является величина показателя пересыщения выше некоторого положительного значения над водой и парциальное давление пара в окружающем воздухе не ниже насыщающего давления надо льдом.Thus, the quantitative signs of a dense, stable conductor are the value of the supersaturation index above a certain positive value above water and the partial pressure of steam in the ambient air is not lower than the saturation pressure above the ice.

Способы определения соответствия загрязняющих компонентов эмиссии авиадвигателей предельно допустимым нормативным концентрациям содержатся в международном Стандарте ИКАО "Охрана окружающей среды", Приложение 16 к Конвенции о международной гражданской авиации, том II "Эмиссия авиационных двигателей", 1993 г., и в разработанных на основе этого Стандарта отечественных Авиационных Правилах АП-34 "Охрана окружающей среды. Эмиссия загрязняющих веществ авиационными двигателями. Нормы и испытания", 2003 г.Methods for determining the conformity of polluting components of aircraft engine emissions to the maximum permissible standard concentrations are contained in the ICAO International Standard "Environmental Protection", Appendix 16 to the Convention on International Civil Aviation, Volume II "Emission of Aircraft Engines", 1993, and in those developed on the basis of this Standard Domestic Aviation Rules AP-34 "Environmental Protection. Emission of Pollutants by Aircraft Engines. Standards and Tests", 2003

В указанных документах нормируются и подлежат установлению соответствия нормативам следующие компоненты эмиссии: дым (сажа и другие твердые частицы) и газы: моноксид углерода (СО), несгоревшие углеводороды (НС), окислы азота (NOx). Проверку соответствия выполняют путем отбора проб из выхлопной струи двигателя в стендовых условиях на режимах работы двигателя, соответствующих этапам стандартного взлетно-посадочного цикла (взлет, набор высоты, заход на посадку, руление, земной малый газ).In these documents, the following emission components are standardized and subject to compliance with standards: smoke (soot and other solid particles) and gases: carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NO x ). Compliance check is performed by sampling from the engine exhaust jet in bench conditions at engine operating modes corresponding to the stages of a standard take-off and landing cycle (take-off, climb, approach, taxiing, small earth gas).

Способ проверки соответствия концентрации газообразных веществ нормативам осуществляется следующим образом:The method of checking compliance of the concentration of gaseous substances with the standards is as follows:

- устанавливают двигатель на испытательном стенде;- install the engine on a test bench;

- устанавливают пробоотборник по центру выхлопной струи на расстоянии в пределах 18...25 диаметров выхлопного сопла;- install the sampler in the center of the exhaust stream at a distance within 18 ... 25 diameters of the exhaust nozzle;

- запускают двигатель и выдерживают до установившегося температурного состояния на каждом испытуемом режиме;- start the engine and maintain to a steady state temperature in each test mode;

- отбирают пробу для каждого проверяемого компонента и подают ее на соответствующий газоанализатор;- a sample is taken for each component to be tested and fed to the appropriate gas analyzer;

- полученные данные измерения приводят к стандартным атмосферным условиям;- the obtained measurement data lead to standard atmospheric conditions;

- определяют количественную величину пробы по формуле Др/F00, г/кН, где Др - масса проверяемого компонента в граммах; F00 - установленная для данного двигателя взлетная тяга в килотоннах. Полученное значение не должно превышать установленного для данного компонента эмиссии нормативного значения.- determine the quantitative value of the sample according to the formula D p / F 00 , g / kN, where D p - the mass of the tested component in grams; F 00 - take-off thrust set for a given engine in kilotons. The obtained value shall not exceed the standard value established for this emission component.

Способ проверки соответствия дыма осуществляется в той же последовательности, но отличия заключаются в следующем: пробоотборник устанавливают на расстоянии от среза сопла не более 0,5 диаметра сопла, отобранную пробу прокачивают с помощью вакуум-насоса через фильтрующее устройство, в котором частицы дыма осаждаются на фильтрующем элементе, извлекают фильтрующий элемент, с помощью рефлектометра определяют отражательную способность загрязненного фильтра Rs, сравнивают ее с отражательной способностью чистого эталонного фильтра Rw, SN=100(1-Rs/Rw), которое не должно превышать установленного нормативного значения.The method for checking the conformity of smoke is carried out in the same sequence, but the differences are as follows: the sampler is installed at a distance from the nozzle exit no more than 0.5 nozzle diameter, the selected sample is pumped using a vacuum pump through a filter device in which smoke particles are deposited on the filter element, remove the filter element, using a reflectometer determine the reflectivity of the contaminated filter R s , compare it with the reflectivity of a clean reference filter R w , SN = 100 (1 -R s / R w ), which shall not exceed the established normative value.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ авторов У.Шумана, Р.Бузена и М.Плоора (см. Journal of Aircraft, V.37, №6. Nov.2000 и Aerosp, Sci. Technol, 4.2000), в котором измеряют высоту, скорость полета, давление, температуру, влажность атмосферного воздуха, расход топлива, вычисляют температурный градиент изменения парциального давления пара (Δестр) в смешанной струе (который представляет собой тангенс угла наклона линии смешения) по формуле:Closest to the proposed method is the method of the authors W. Schumann, R. Busen and M. Ploor (see Journal of Aircraft, V.37, No. 6. Nov.2000 and Aerosp, Sci. Technol, 4.2000), which measure the height , flight speed, pressure, temperature, atmospheric humidity, fuel consumption, calculate the temperature gradient of the partial vapor pressure (Δе page ) in the mixed stream (which is the tangent of the angle of inclination of the mixing line) by the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
- индекс паровыделения (масса водяного пара, выделяющегося при сгорании 1 кг топлива), р - атмосферное давление, Ср - удельная теплоемкость воздуха, Q - теплотворная способность топлива, η - КПД тяги силовой установки самолета, ε=0,622 - отношение газовых постоянных воздуха и пара, строят график зависимости линии смешения от температуры естр=f(T) и накладывают его на график температурной зависимости парциального давления насыщенного пара над водой Eв и надо льдом Ел, качественно сравнивают полученные графики и делают вывод: если линия смешения проходит высоко над кривой Eв и при этом величина парциального давления пара в окружающем воздухе eнв не ниже давления насыщенного пара надо льдом енв≥Ел, то образуется устойчивый, долго сохраняющийся кондслед, если линия смешения проходит близко к кривой Eв и парциальное давление пара в окружающем воздухе eнвл, то образуется слабый, быстро исчезающий кондслед, если линия смешения проходит ниже кривой Eв, то кондслед не образуется.Where
Figure 00000003
is the steam evolution index (mass of water vapor released during combustion of 1 kg of fuel), p is atmospheric pressure, C p is specific heat of air, Q is the calorific value of fuel, η is the thrust efficiency of the aircraft power plant, ε = 0.622 is the ratio of gas gas constants of air and steam, build a graph of the temperature dependence of the mixing line e pp = f (T) and overlay it on the temperature dependence of the partial pressure of saturated steam above water E in and over ice E l , qualitatively compare the obtained graphs and conclude: if the mixing line p rohodit high above the curve E in magnitude and thus the partial vapor pressure in the surrounding air e nv not lower than the saturated vapor pressure over ice HB e ≥E L, then a stable, long-lasting kondsled if mixing line passes close to the curve E and a partial the vapor pressure in the ambient air is e nv <E l , then a weak, rapidly disappearing trail forms, if the mixing line passes below the curve E in , then the trail does not form.

Недостатки способа заключаются в следующем: отсутствуют количественные критерии, характеризующие свойства кондследов, поэтому они могут оцениваться лишь качественно и довольно грубо, способ не предусматривает возможности оценки кондследов в отношении их влияния на радиационный баланс атмосферы и земли.The disadvantages of the method are as follows: there are no quantitative criteria characterizing the properties of the conductors, therefore they can only be assessed qualitatively and rather roughly, the method does not provide for the possibility of evaluating the conductors in relation to their effect on the radiation balance of the atmosphere and the earth.

Целью предлагаемого изобретения является установление принципа нормирования количественных показателей характеристик кондследов в зависимости от их влияния на радиационный баланс атмосферы и земной поверхности из условия, чтобы влияние кондследов не превышало влияние двуокиси углерода в выхлопной струе авиадвигателей.The aim of the invention is to establish the principle of normalizing quantitative indicators of the characteristics of the conductors depending on their influence on the radiation balance of the atmosphere and the earth's surface so that the influence of the conductors does not exceed the effect of carbon dioxide in the exhaust jet of aircraft engines.

Технический результат от использования изобретения - количественный контроль за влиянием крейсерских полетов самолетов на радиационный баланс атмосферы и земной поверхности и в перспективе - выдача рекомендаций по разработке мероприятий, способствующих уменьшению негативного влияния кондследов на изменение радиационного баланса атмосферы и земной поверхности.The technical result from the use of the invention is quantitative control over the effect of cruising flights of aircraft on the radiation balance of the atmosphere and the earth’s surface and, in the future, issuing recommendations on the development of measures to reduce the negative impact of conduction on changes in the radiation balance of the atmosphere and the earth’s surface.

Для достижения поставленной цели и получения ожидаемого технического результата в предлагаемом способе, включающем в крейсерских полетах измерение высоты Н и соответствующего атмосферного давления (Р), температуры (tHB), парциального давления пара (еHB) в атмосферном воздухе, температуры выхлопных газов за турбиной (tT), частоты вращения и секундный расход топлива оцениваемого типа авиадвигателя, вычисление на основании вышеуказанных данных температурного градиента влажности смешанной выхлопной струи (градиента линии смешения) (В0), статистические данные результатов исследований интенсивности радиационного воздействия на атмосферу различных компонентов эмиссии авиадвигателей, в частности кондследов (WKC) и двуокиси углерода

Figure 00000004
(см. фиг.1), вычисляют величину показателя пересыщения пара (hΣДВ) в смешанной струе двигателя по формуле: hΣДВ=(tМ-tНВ)·B0-EВ(tМ)+eНВ, где tM - температуру, соответствующую максимальному пересыщению, определяют по формуле tМ=9,142 ln B0-45,57°С; EВ(tМ) - парциальное давление насыщенного пара над водой при температуре tM, сравнивают полученную величину показателя пересыщения hΣДВ с зачетным значением показателя пересыщения hΣЭД, соответствующим экологически допустимому уровню эмиссии кондследов (в эквиваленте воздействия двуокиси углерода), который заранее устанавливают следующим образом: анализируют результаты наблюдений полетов самолетов с различными типами двигателей, выделяют случаи начала образования устойчивых кондследов, в которых значения количественных показателей пересыщения не менее 10...12 Па соответствуют граничным значениям показателя пересыщения hΣГР, статистически осредняют полученные значения по всем выделенным случаям наблюдений hΣГР.СР и устанавливают экологически допустимое значение показателя пересыщения hΣЭД в эквиваленте двуокиси углерода (т.е. из условия, чтобы радиационные воздействия кондследов не превышали радиационного воздействия СО2) с помощью соотношения:
Figure 00000005
To achieve this goal and obtain the expected technical result in the proposed method, which includes cruising flights, measuring the height H and the corresponding atmospheric pressure (P), temperature (t HB ), partial vapor pressure (e HB ) in atmospheric air, exhaust gas temperature behind the turbine (t T ), rotational speeds and second fuel consumption of the estimated type of aircraft engine, calculation based on the above data of the temperature gradient of humidity of the mixed exhaust stream (mixing line gradient) (V 0 ), st Atistic data from the results of studies of the intensity of radiation exposure to the atmosphere of various emission components of aircraft engines, in particular condoms (W KC ) and carbon dioxide
Figure 00000004
(see figure 1), calculate the value of the index of steam supersaturation (h ΣDV ) in the mixed jet of the engine according to the formula: h ΣDV = (t M -t HB ) · B 0 -E B (t M ) + e HB , where t M is the temperature corresponding to the maximum supersaturation, is determined by the formula t M = 9.142 ln B 0 -45.57 ° C; E B (t M ) is the partial pressure of saturated steam above water at a temperature of t M , the obtained value of the supersaturation index h ΣДВ is compared with the set value of the supersaturation index h ΣED corresponding to the environmentally acceptable level of conductor emission (equivalent to carbon dioxide exposure), which is set in advance as follows: analyze the results of observations of flights of aircraft with various types of engines, identify cases of the beginning of the formation of stable condoms, in which the values of quantitative indicators supersaturations of at least 10 ... 12 Pa correspond to the boundary values of the supersaturation index h ΣGR , statistically average the obtained values for all selected cases of observation h ΣGR.СР and establish an environmentally acceptable value of the supersaturation index h ΣED in the equivalent of carbon dioxide (i.e., from the conditions that the radiation exposure of the conductors do not exceed the radiation exposure of CO 2 ) using the ratio:
Figure 00000005

где

Figure 00000006
и WKC - интенсивности радиационного воздействия соответственно двуокиси углерода и кондследов. По данным Отчета IPCC 1999 года
Figure 00000007
и WKC=0,026 Вт/м2.Where
Figure 00000006
and W KC are the intensities of radiation exposure, respectively, of carbon dioxide and traces. According to 1999 IPCC Report
Figure 00000007
and W KC = 0.026 W / m 2 .

По результатам сравнения hΣДВ со значением hΣЭД делают заключение о соответствии кондследов, эмитируемых проверяемым типом двигателя, экологически допустимому уровню эмиссии: если hΣДВ≤hΣЭД, то эмиссия кондследов находится в допустимых пределах, в противном случае должны приниматься меры по уменьшению интенсивности эмиссии кондследов данного типа двигателя.By comparing the results of h ΣDV with the value of h ΣED , a conclusion is made on the conformity of the conductors emitted by the checked engine type to the environmentally acceptable level of emission: if h ΣDV ≤h ΣED , then the emission of the conductors is within acceptable limits, otherwise measures should be taken to reduce the emission intensity Conductors of this type of engine.

ПримерExample

Прогнозируются ожидаемые условия образования кондследов и их количественные показатели при полетах на эшелонах 9, 10 и 11 км для оценки их соответствия экологически допустимому уровню эмиссии.The expected conditions for the formation of condleds and their quantitative indicators are predicted for flights at levels of 9, 10 and 11 km to assess their compliance with an environmentally acceptable level of emission.

На указанных высотах выполнены измерения давления (Р) и температуры (tнв) атмосферного воздуха, температуры газов за турбиной (tт), частоты вращения (оборотов) двигателей и расход топлива. На основании этих данных и известных расходных характеристик оцениваемого типа двигателя определены (αсм) и температура (Тсм) смешанной струи на срезе сопла двигателя и приведены затем к условиям стандартной атмосферы; относительная влажность для расчетов принята равной 60%, что соответствует парциальному давлению пара в окружающем воздухе (енв), равному насыщению надо льдом при соответствующей температуре.At the indicated heights, measurements were made of pressure (P) and temperature (t nv ) of atmospheric air, gas temperature behind the turbine (t t ), engine speed (revolutions) and fuel consumption. Based on these data and the known flow characteristics of the engine type being evaluated, (α cm ) and temperature (T cm ) of the mixed jet at the nozzle exit of the engine are determined and then reduced to standard atmosphere conditions; the relative humidity for the calculations is taken to be 60%, which corresponds to the partial pressure of the vapor in the ambient air (e nv ), equal to saturation above the ice at the appropriate temperature.

Полученные данные приведены в таблице:The data obtained are shown in the table:

Н, кмN, km 99 1010 11eleven Р, кПаR, kPa 30,830.8 26,526.5 22,722.7 tнв, °Сt nv , ° С -43-43 -50-fifty -56-56 eнв, Паe nv , Pa 99 3,83.8 1,81.8 αсм α cm 11,711.7 11,811.8 11,911.9 Тсм, КT cm , K 376376 370370 367367

Вычисляем показатель пересыщения пара в смешанной струе hΣдв:We calculate the index of supersaturation of the vapor in the mixed stream h Σdv :

hΣдв=(tм-tнв)B0-Eв(tм)+eнв, Па,h Σdv = (t m -t nv ) B 0 -E in (t m ) + e nv , Pa,

где градиент изменения парциального давления пара в смешанной струе (тангенс угла наклона линии смешения) вычисляем по формуле:where the gradient of the partial vapor pressure in the mixed stream (the tangent of the angle of inclination of the mixing line) is calculated by the formula:

Figure 00000008
Figure 00000008

где Мп - относительная масса паровыделения, для применяемого в настоящее время авиатоплива равная Мп=0,084 кг/кг, Ев(tм) - парциальное давление насыщенного пара над водой при температуре tм; и температуру tм, соответствующую максимальному пересыщению, определяем по формуле: tм=9,142 ln B0-45,57°С. Зависимость Ев от температуры имеется в справочной и специальной литературе, а также с удовлетворительной точностью аппроксимируется формулой Магнуса:where M p is the relative mass of steam, for currently used jet fuel is equal to M p = 0,084 kg / kg, E in (t m ) is the partial pressure of saturated steam above water at a temperature of t m ; and the temperature t m corresponding to the maximum supersaturation, determined by the formula: t m = 9.142 ln B 0 -45.57 ° C. The dependence of E in on temperature is available in the reference and specialized literature, and is also approximated with satisfactory accuracy by the Magnus formula:

Figure 00000009
Figure 00000009

где а=7,63 и в=241,9.where a = 7.63 and b = 241.9.

Результаты расчетов сведены в таблицу:The calculation results are summarized in the table:

Н, кмN, km 99 1010 11eleven В0, Па/КB 0 , Pa / K 2,432.43 2,062.06 1,721.72 tм, °Сt m , ° С -37,45-37.45 -38,95-38.95 -40,61-40.61 hΣдв, Паh Σdv , Pa -2,1-2.1 5,45,4 10,810.8

Для определения величины показателя пересыщения, соответствующего экологически допустимому уровню эмиссии кондследов, воспользуемся данными наблюдений кондследов, в результате анализа которых установлено, что граничная величина показателя пересыщения, соответствующая началу образования устойчивых кондследов, равна примерно hΣгр.ср=10...12 Па, экологически допустимое значение показателя hΣэд определяем с учетом соотношения интенсивностей радиационного воздействия на атмосферу двуокиси углерода

Figure 00000010
и кондследов Wкс, которые по данным отчета IPCC 1999 года равны
Figure 00000011
и Wкс=0,026. Следовательно,
Figure 00000012
To determine the value of the supersaturation index, which corresponds to an environmentally acceptable level of conduction emissions, we will use the data from observations of consecrated traces, the analysis of which has established that the boundary value of the supersaturation index, corresponding to the beginning of the formation of stable conduces, is approximately hΣ gr.avg = 10 ... 12 Pa, the environmentally acceptable value of the indicator h Σed is determined taking into account the ratio of intensities of radiation exposure to the atmosphere of carbon dioxide
Figure 00000010
and kondsledov W COP, which according to the IPCC 1999 report, the equal
Figure 00000011
and W cc = 0.026. Hence,
Figure 00000012

Принимаем среднее значение hΣэд=7,6 Па.We take the average value of h Σed = 7.6 Pa.

Из сравнения полученных выше величин показателя hΣдв со значением hΣэд видно, что на эшелоне 11 км воздействие кондследов превышает допустимый уровень. Интерполируем полученные данные в пределах 9...11 км и получаем, что воздействие кондследов не превышает допустимого предела до высоты примерно 10,3 км, а на высотах от 9,2 км и ниже образование кондследов на рассмотренном режиме работы данного двигателя не ожидается.From a comparison of the values of the indicator h Σdv obtained above with the value of h Σed, it can be seen that, at the level of 11 km, the effect of conductor tracks exceeds the permissible level. We interpolate the obtained data within the range of 9 ... 11 km and we find that the impact of the conductors does not exceed the permissible limit to an altitude of about 10.3 km, and at altitudes of 9.2 km and below, the formation of conductors in the considered operating mode of this engine is not expected.

Claims (1)

Способ прогнозирования количественных показателей конденсационных следов, эмитируемых авиационными двигателями, для оценки их соответствия экологически допустимому уровню (ЭДУ) эмиссии, включающий измерение в крейсерских полетах высоты Н, давления Р, температуры tнв, парциального давления водяного пара атмосферного воздуха енв, температуры газов за турбиной tт и частоты вращения проверяемого типа двигателя, вычисление температурного градиента влажности смешанной выхлопной струи Вo, отличающийся тем, что вычисляют величину количественного показателя пересыщения пара в смешанной выхлопной струе проверяемого двигателяA method for predicting the quantitative indicators of condensation trails emitted by aircraft engines to assess their compliance with an environmentally acceptable level (EDU) of emissions, including measuring cruise altitude H, pressure P, temperature t nv , partial pressure of atmospheric water vapor e nv , gas temperatures the turbine t t and the rotational speed of the engine type being checked, the calculation of the temperature gradient of humidity of the mixed exhaust stream B o , characterized in that the quantity a significant indicator of steam supersaturation in the mixed exhaust stream of the engine under test hΣдв=(tм-tнвo-Eв(tм)+енв,h Σdv = (t m -t nv ) In o -E in (t m ) + е нв , где hΣдв - количественный показатель пересыщения пара в смешанной выхлопной струе проверяемого двигателя;where h Σdv is a quantitative indicator of steam supersaturation in the mixed exhaust stream of the engine under test; tм - температура, соответствующая максимальному пересыщению пара в смешанной выхлопной струе;t m is the temperature corresponding to the maximum supersaturation of steam in the mixed exhaust stream; В0 - температурный градиент влажности смешанной выхлопной струи;In 0 - temperature gradient of humidity of the mixed exhaust stream; tнв - температура атмосферного воздуха;t nv - air temperature; Ев(tм) - парциальное давление насыщенного пара над водой при температуре, соответствующей максимальному пересыщению пара;E in (t m ) is the partial pressure of saturated steam above water at a temperature corresponding to the maximum supersaturation of steam; енв - парциальное давление водяного пара в атмосферном воздухе;е нв - partial pressure of water vapor in atmospheric air; и сравнивают полученную величину количественного показателя hΣдв с заранее установленным значением количественного показателя hΣэд, соответствующим экологически допустимому уровню радиационного воздействия самолетных кондследов, для этого по результатам мониторинга крейсерских полетов гражданской авиации в пределах условий образования кондследов выделяют по данным наблюдений случаи начала образования устойчивых кондследов, в которых значения количественных показателей пересыщения hΣдв установлены не менее 10...12 Па, статистически усредняют полученные значения показателя для совокупности измерений hΣгр.ср, a экологически допустимое значение количественного показателя пересыщения hΣэд устанавливают в эквиваленте двуокиси углерода, исходя из условия, чтобы радиационное воздействие эмиссии кондследов не превышало радиационного воздействия эмиссии двуокиси углерода в атмосфере, исходя из следующего соотношенияand comparing the obtained value of the quantitative indicator h Σdv with a predetermined value of the quantitative indicator h Σed corresponding to the environmentally acceptable level of radiation exposure of airplane tracks, for this, according to the results of monitoring cruising flights of civil aviation within the conditions of formation of the tracks, there are cases of the beginning of the formation of stable tracks in which the values of quantitative supersaturation h Σdv installed at least 10 ... 12 Pa statistical Ki values obtained are averaged for a plurality of parameter measurements Σgr.sr h, a environmentally allowable value score is set Σed supersaturation h of carbon dioxide equivalent, based on the condition that the radiation exposure kondsledov emission of radiation exposure does not exceed the carbon dioxide emissions into the atmosphere, according to the following the ratio
Figure 00000013
Figure 00000013
где
Figure 00000014
и Wкс - интенсивности радиационного воздействия соответственно двуокиси углерода и кондследов, равные 0,018 Вт/м2 и 0,026 Вт/м2 по обобщенным данным Межправительственной группы экспертов (А Special Report of IPCC, Cembridge University, 1999 года), затем по результатам сравнения делают заключение о соответствии влияния кондследов проверяемого типа двигателя экологически допустимому уровню эмиссии.
Where
Figure 00000014
and W cc are the intensities of the radiation exposure of carbon dioxide and traces, respectively, of 0.018 W / m 2 and 0.026 W / m 2 according to the generalized data of the Intergovernmental Group of Experts (A Special Report of IPCC, Cembridge University, 1999), then, based on the results of the comparison, Conclusion on the conformity of the impact of the traces of the tested engine type to an environmentally acceptable level of emission.
RU2006100047/28A 2006-01-11 2006-01-11 Method of predicting quantitative parameters of condensation trails emitted by aircraft engines for estimation of their compliance with permisible ecological level of emissions RU2312379C9 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006100047/28A RU2312379C9 (en) 2006-01-11 2006-01-11 Method of predicting quantitative parameters of condensation trails emitted by aircraft engines for estimation of their compliance with permisible ecological level of emissions

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006100047/28A RU2312379C9 (en) 2006-01-11 2006-01-11 Method of predicting quantitative parameters of condensation trails emitted by aircraft engines for estimation of their compliance with permisible ecological level of emissions

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2006100047A RU2006100047A (en) 2007-07-20
RU2312379C2 RU2312379C2 (en) 2007-12-10
RU2312379C9 true RU2312379C9 (en) 2008-02-20

Family

ID=38430690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006100047/28A RU2312379C9 (en) 2006-01-11 2006-01-11 Method of predicting quantitative parameters of condensation trails emitted by aircraft engines for estimation of their compliance with permisible ecological level of emissions

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2312379C9 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2379718C1 (en) * 2008-05-15 2010-01-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Method to forecast cirrus cloud formation caused by cruising aircraft with gas turbine engines
RU2467360C1 (en) * 2011-05-27 2012-11-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method of forming model for predicting formation of condensation trails of aircraft with specific type of gas-turbine engine using quantitative indicators for formation of condensation trails and possibility of reducing impact of engine emission on greenhouse effect
RU2532995C1 (en) * 2013-05-14 2014-11-20 Открытое акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Formation of model for forecasting of airliner gas turbine engine condensation trails (ct) and condensation fleecy clouds (cfc) with help of ct and cfc formation quantitative statistic for ecologic optimization of airliner flights in various world zones and reduction on engine emission influence on hothouse effects

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2063055C1 (en) * 1992-10-19 1996-06-27 Сергей Анатольевич Филатов Method of predicting climatic changes in temperatures of earth surfaces
RU2167441C2 (en) * 1998-10-05 2001-05-20 Политюков Валерий Павлович Method of short-time forecasting of cloudiness and type of dome above observation terrain and device for its implementation
US6462665B1 (en) * 2000-05-16 2002-10-08 Wheelock, Inc. Method and apparatus for sending a weather condition alert

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2063055C1 (en) * 1992-10-19 1996-06-27 Сергей Анатольевич Филатов Method of predicting climatic changes in temperatures of earth surfaces
RU2167441C2 (en) * 1998-10-05 2001-05-20 Политюков Валерий Павлович Method of short-time forecasting of cloudiness and type of dome above observation terrain and device for its implementation
US6462665B1 (en) * 2000-05-16 2002-10-08 Wheelock, Inc. Method and apparatus for sending a weather condition alert

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2379718C1 (en) * 2008-05-15 2010-01-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Method to forecast cirrus cloud formation caused by cruising aircraft with gas turbine engines
RU2467360C1 (en) * 2011-05-27 2012-11-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method of forming model for predicting formation of condensation trails of aircraft with specific type of gas-turbine engine using quantitative indicators for formation of condensation trails and possibility of reducing impact of engine emission on greenhouse effect
RU2532995C1 (en) * 2013-05-14 2014-11-20 Открытое акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Formation of model for forecasting of airliner gas turbine engine condensation trails (ct) and condensation fleecy clouds (cfc) with help of ct and cfc formation quantitative statistic for ecologic optimization of airliner flights in various world zones and reduction on engine emission influence on hothouse effects

Also Published As

Publication number Publication date
RU2312379C2 (en) 2007-12-10
RU2006100047A (en) 2007-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Voigt et al. Cleaner burning aviation fuels can reduce contrail cloudiness
Busen et al. Visible contrail formation from fuels with different sulfur contents
Pratt et al. Flight-based chemical characterization of biomass burning aerosols within two prescribed burn smoke plumes
Kärcher et al. The roles of dynamical variability and aerosols in cirrus cloud formation
McMeeking et al. Black carbon measurements in the boundary layer over western and northern Europe
Yu et al. Evaluation of PM emissions from two in-service gas turbine general aviation aircraft engines
Rogers et al. Real-time measurements of jet aircraft engine exhaust
Quennehen et al. Anthropogenic and forest fire pollution aerosol transported to the Arctic: observations from the POLARCAT-France spring campaign
Cédric et al. Impact of aftertreatment device and driving conditions on black carbon, ultrafine particle and NOx emissions for Euro 5 diesel and gasoline vehicles
Quennehen et al. Physical and chemical properties of pollution aerosol particles transported from North America to Greenland as measured during the POLARCAT summer campaign
Markowski et al. Model to assess the exhaust emissions from the engine of a small aircraft during flight
Jasiński et al. Probe positioning for the exhaust emissions measurements
RU2312379C9 (en) Method of predicting quantitative parameters of condensation trails emitted by aircraft engines for estimation of their compliance with permisible ecological level of emissions
Mellqvist et al. Certification of an aircraft and airborne surveillance of fuel sulfur content in ships at the SECA border
Mellqvist et al. Fixed remote surveillance of fuel sulfur content in ships from fixed sites in the Göteborg ship channel and Öresund bridge
Engvall et al. The radiative effect of an aged, internally mixed Arctic aerosol originating from lower-latitude biomass burning
Zheng et al. An analysis of aircraft exhaust plumes from accidental encounters
Ström et al. Real‐time measurement of absorbing material in contrail ice using a counterflow virtual impactor
Wiesen et al. Emission of nitrous oxide and methane from aero engines: monitoring by tunable diode laser spectroscopy
Uthe Application of surface based and airborne lidar systems for environmental monitoring
RU2467360C1 (en) Method of forming model for predicting formation of condensation trails of aircraft with specific type of gas-turbine engine using quantitative indicators for formation of condensation trails and possibility of reducing impact of engine emission on greenhouse effect
Boselli et al. Atmospheric aerosol characterization over Naples during 2000–2003 EARLINET project: Planetary boundary-layer evolution and layering
Haugen et al. Particle Measurements from In-Use Maritime Traffic Using an Unmanned Aerial Vehicle in Rafina, Greece
Clark et al. Liquid Water Content Instrumentation Study at the NRC AIWT
Synylo et al. Methods for assessment of NOx emissions from aircraft engine

Legal Events

Date Code Title Description
TH4A Reissue of patent specification
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20120827

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140112