способ формирования модели прогноза образования конденсационных следов самолетов с конкретным типом газотурбинного двигателя с использованием количественных показателей для образования конденсационных следов и возможности снижения влияния эмиссии двигателей на парниковый эффект

Формула изобретения

Способ формирования модели прогноза образования конденсационных следов самолетов с конкретным типом газотурбинного двигателя с использованием количественных показателей для образования конденсационных следов и возможности снижения влияния эмиссии двигателей на парниковый эффект, включающий измерение в крейсерском полете самолета с конкретным типом газотурбинного двигателя (ГТД) параметров: высоты Н, давления p, температуры наружного воздуха t_нв°С (Т_нвК), относительной влажности _нв, % атмосферного воздуха, скорости (числа М) полета, полной температуры газа за турбиной низкого давления t_тнд°С , частоты вращения ротора n - режима работы двигателя, расхода топлива G_Т, фиксации наличия или отсутствия образования конденсационных следов (КС), вычисление полной температуры газа за камерой смешения , вычисление температурного градиента влажности смешанной струи газа и атмосферы В_0ср - тангенса угла наклона «прямой смешения», вычисление парциального давления водяного пара в атмосфере h_нв, Па, вычисление показателя пересыщения влажности при смешении струи газа с «сухой» атмосферой h_M, вычисление количественного показателя суммарного пересыщения пара h =h_M+h_нв, отличающийся тем, что вычисляют среднюю температуру смешанной струи Т_см.ср по результатам расчета с использованием математической модели полей течения при двухмерном смешении струи газа и атмосферы с учетом обтекания мотогондолы двигателя и изменения скорости смешанного потока по длине смешения с дальнейшим осреднением значений Т_см.ср и _нв по сечениям вдоль смешиваемой струи и построением «прямой смешения» струи газа и атмосферы, аналогичной «прямой смешения» при равномерном смешении для турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) в зависимости от наличия или отсутствия камеры смешения:

- с камерой смешения по формуле:



где - статическая температура газа за камерой смешения двигателя;

- без камеры смешения по формуле:



где m - степень двухконтурности двигателя задается на основании расчетных характеристик двигателя;

вычисляют температурный градиент влажности в смешанной струе В_0ср для заданных значений высоты и скорости полета самолета с учетом характеристик конкретного типа двигателя в зависимости от наличия или отсутствия камеры смешения:

- с камерой смешения по формуле:



где М_n - относительная масса паровыделения, равная 0,084 кг/кг, p и Т_нв - давление и температура, соответствующие международной стандартной атмосфере (МСА) на расчетной высоте Н, _см - коэффициент избытка воздуха за камерой смешения задается на основании расчетных характеристик двигателя;

- без камеры смешения по формуле:



где _тнд - коэффициент избытка воздуха на выходе из турбины низкого давления задается на основании расчетных характеристик двигателя;

вычисляют температуру t_см.ср, соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе по формуле:



вычисляют для каждой заданной высоты суммарный количественный показатель пересыщения пара по формуле:



где Е(t_см.ср) - парциальное давление насыщенного пара при температуре t_см.ср; - парциальное давление пара при температуре t_нв ; _{нв.расч} - относительная влажность атмосферного воздуха, равная 60%, которая соответствует насыщению надо льдом, что является условием образования устойчивых КС;

по рассчитанным значениям h для соответствующих заданных высот H при Т_нв =Т_нв.МСА строят графическую зависимость h =f(H), затем вычисляют величину граничной высоты образования КС Н_0гр.МСА, которая определяется из условия h _{гр.расч}=0, затем вычисляют показатель суммарного пересыщения влажности h _эксп для каждого конкретного эксперимента с учетом замеренных параметров в полете по формулам 1-4 с учетом конкретного типа двигателя, определяют граничное значение показателя суммарного пересыщения пара h _{гр.эксп} для конкретного типа двигателя по величине h _эксп, рассчитанной при существовании и отсутствии КС, сравнивают величины показателей h _{гр.расч} и h _{гр.эксп}: при отличии h _{гр.эксп} от h _{гр.расч}=0 уточняют расчет Т_см.ср с учетом особенностей конкретного самолета с конкретным типом двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области авиации и экологии и может быть использовано для выявления условий неблагоприятного влияния эмиссии авиадвигателей на изменение климата и разработки способов уменьшения этого влияния.

Современные оценки антропогенных воздействий на окружающую среду показывают, что существенный вклад в загрязнение атмосферы 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.

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.

С целью снижения уровня загрязнений, создаваемых авиацией (шум, эмиссия газообразных веществ и аэрозолей) ИКАО рекомендует содействовать внедрению помимо технических также и дополнительных средств и методов (правил, ограничений), способствующих уменьшению вредного воздействия на окружающую среду.

Кондследы образуются при определенном сочетании ряда факторов: давления p и температуры атмосферного воздуха t_нв на соответствующей высоте Н, скорости полета V_ucm, температуры выхлопных газов за турбиной Т_т и за камерой смешения (при ее наличии), коэффициента избытка воздуха _кс ( _см).

Как известно, процесс образования кондследов описывается принятой в настоящее время гипотезой (моделью) Шмидта - Эплмэна (см. статью Review-articfle автора Schumann U., Meteorol. Zeitschrift, February, 1996), графическая интерпретация которой показана на фиг.1, где е_нв - парциальное давление водяного пара атмосферного воздуха Е_в, Е_л - величины парциального давления насыщенного пара над водой и надо льдом, даны зависимости е_нв, Е_в, Е_л от температуры. Физически в процессе охлаждения смешанной выхлопной струи начинает образовываться КС, когда температура струи понижается до точки росы (точка t^' на фиг.1) и при дальнейшем охлаждении наступает пересыщение паров (над водой), в результате чего выделяется конденсат. Этот процесс продолжается до того момента, когда за счет дальнейшего смешивания струи с окружающим воздухом (разбавления) влажность уменьшается до значения, при котором пересыщение прекращается, несмотря на понижение температуры (точка t^'' на фиг.1). В дальнейшем кондслед продолжает существовать, пока давление пара остается выше давления насыщения надо льдом. При понижении давления пара ниже этого значения кондслед интенсивно испаряется.

Интенсивность образования кондследов и их плотность (так называемая мощность) зависит от величины пересыщения над водой. В свою очередь величина пересыщения зависит в основном от температуры атмосферного воздуха и давления (высоты полета). Угол наклона прямой смешения зависит также от теплофизических характеристик конкретного типа и конструкции авиадвигателя. Таким образом избежать образования устойчивых кондследов практически можно, изменяя высоту полета по трассе. В работе Impact of Cruise Altitude on Contrails, в сборнике публикаций конференции «Proceedings of the AAC - Conference, June 30 to July 3, 2003, Fridrichshafen, Germany» авторов С.Fichter и др. приведены данные по влиянию изменения высоты полета на образование кондследов и соответственно тепловой баланс атмосферы в различные сезоны и в среднем за год. Так, снижение высоты на 6000 футов (1800 м) относительно некоторого базового значения приводит к уменьшению образования кондследов до 80% в июле, до 20% в январе и около 40% в среднем за год; повышение высоты на 2000 футов (600 м) увеличивает образование кондследов на ~25% в июле, мало влияет в январе и на несколько процентов увеличивает в среднем за год. Из этих данных следует, что изменение высоты эшелона может существенно влиять на образование кондследов. Способ определения граничной высоты образования кондследов H_0гр. в работе не указан.

Однако модель Шмидта - Эплмэна и последующие модификации этой модели предполагают равномерное по объему смешение выхлопной струи с атмосферным воздухом. При этом в расчетах принимается полная (заторможенная) температура струи Т^*. Для проверки правомерности описанной модели авторами заявки был выполнен подробный численный газодинамический расчет процесса смешения выхлопной струи с атмосферой на основе решения полной системы уравнений газовой динамики с учетом турбулентного смешения. Результаты расчетов показывают, что градиент изменения влажности смешанной струи (тангенс угла наклона прямой смешения), рассчитываемый по полной температуре, получается существенно заниженным по сравнению с газодинамическим расчетом (прямая 1 на фиг.2). В то же время расчет, выполненный для статической температуры струи, дает существенно завышенное значение градиента (прямая 2 на фиг.2). Практически вполне приемлемая точность получается при расчете градиента для некоторой осредненной температуры смешанной струи Т_см.ср. между и Т_см (прямая 3) - как видно из фигуры, прямая 3 проходит между прямыми 4, полученными для указанного выше точного численного расчета (две прямые 4 получены параметрически для вариации расчетной длины начального участка смешанной струи на 3 калибра сопла в ту и другую стороны).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, содержащийся в патенте № 2312379 от 11 января 2006 г. «Способ прогнозирования количественных показателей конденсационных следов, эмитируемых авиационными двигателями, для оценки их соответствия экологически допустимому уровню эмиссии», в котором в крейсерском полете измеряют высоту Н, давление Р, температуру t_нв, парциальное давление водяного пара атмосферного воздуха е_нв, температуру газов за турбиной t_T и частоту вращения проверяемого типа двигателя, вычисляют температурный градиент влажности смешанной выхлопной струи B₀ (тангенс угла наклона прямой смешения). Недостаток способа в том, что при расчетах параметров, определяющих условия образования кондследов: температурного градиента влажности В₀, показателя пересыщения пара h_м, температуры t_м и др. температура смешанной струи принимается как для одномерного процесса смешения, что, как показано выше, может приводить к заниженному значению суммарного показателя пересыщения h , кроме того, не учитывается влияние отклонений температуры атмосферы от МСА и параметров работы двигателей на температуру смешанной струи, т.е. в конечном счете на величину граничной высоты образования устойчивого кондследа H_0гр..

Ожидаемый технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в возможности более достоверного и более точного определения граничной высоты образования устойчивых кондследов для самолета с конкретным типом, конструкцией и схемой расположения газотурбинных двигателей на самолете, что позволит выдать рекомендации для рассматриваемого типа самолета выполнять полеты в диапазоне высот без образования устойчивых конследов, т.е. с минимальным влиянием на образование парникового эффекта.

Для достижения ожидаемого технического результата в способе формирования модели прогноза образования конденсационных следов (КС) самолетов с конкретным типом газотурбинного двигателя с использованием количественных показателей для образования КС и возможности снижения влияния эмиссии двигателей на парниковый эффект, включающем измерение в крейсерском полете самолета с конкретным типом газотурбинного двигателя (ГТД) параметров: высоты H, давления p, температуры наружного воздуха t_нв°С (T_нвК), относительной влажности _нв,% атмосферного воздуха, скорости (числа М) полета, полной температуры газа за турбиной низкого давления частоты вращения ротора n - режима работы двигателя, расхода топлива G_T, фиксации наличия или отсутствия образования конденсационных следов (КС), вычисление полной температуры газа за камерой смешения , вычисление температурного градиента влажности смешанной струи газа и атмосферы В_0ср. - тангенса угла наклона «прямой смешения», вычисление парциального давления водяного пара в атмосфере h_нв, Па, вычисление показателя пересыщения влажности при смешении струи газа с «сухой» атмосферой h_м, вычисление количественного показателя суммарного пересыщения пара h =h_м+h_нв, дополнительно вычисляют среднюю температуру смешанной струи Т_см.ср. по результатам расчета с использованием математической модели полей течения при двухмерном смешении струи газа и атмосферы с учетом обтекания мотогондолы двигателя и изменения скорости смешанного потока по длине смешения с дальнейшим осреднением значений Т_см.ср. и _нв по сечениям вдоль смешиваемой струи и построением «прямой смешения» струи газа и атмосферы, аналогичной «прямой смешения» при равномерном смешении для турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) с камерой смешения по формуле

- статическая температура газа за камерой смешения двигателя.

Вычисляют температурный градиент влажности в смешанной струе В_0ср. для заданных значений высоты и скорости полета самолета с учетом характеристик конкретного типа двигателя по формуле

M_n - относительная масса паровыделения, равная 0,084 кг/кг, p и T_нв - давление и температура, соответствующие международной стандартной атмосфере (МСА) на расчетной высоте Н, _см - коэффициент избытка воздуха за камерой смешения задается на основании расчетных характеристик двигателя.

Вычисляют температуру t_м.cp., соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе по формуле

Вычисляют для каждой заданной высоты суммарный количественный показатель пересыщения пара по формуле

E(t_м.ср.) - парциальное давление насыщенного пара при температуре t_м.ср.; - парциальное давление пара при температуре t_{нв; нврасч.} - относительная влажность атмосферного воздуха, равная 60%, которая соответствует насыщению надо льдом, что является условием образования устойчивых КС.

По рассчитанным значениям h для соответствующих заданных высот Н при T_нв =Т_нвМСА строят графическую зависимость h =f(H), затем вычисляют величину граничной высоты образования КС Н_0гр.МСА, которая определяется из условия h _{гр.расч.}=0. Затем вычисляют показатель суммарного пересыщения влажности h _эксп. Для каждого конкретного эксперимента с учетом замеренных параметров в полете по формулам 1-4 с учетом конкретного типа двигателя определяют граничное значение показателя суммарного пересыщения пара h _{гp.эксп.} для конкретного типа двигателя по величине h _эксп., рассчитанной при существовании и отсутствии КС. Сравнивают величины показателей h _{гр.расч.} и h _{гр.эксп.}: при отличии h _{гр.эксп.} от h _{гр.расч.}=0 уточняют расчет T_см.ср. с учетом особенностей конкретного самолета с конкретным типом двигателя.

Для ТРДД без камеры смешения:

- среднюю температуру смешанной струи Т_см.ср. вычисляют по формуле

m - степень двухконтурности двигателя задается на основании расчетных характеристик двигателя;

температурный градиент влажности в смешанной струе В_0ср. для заданных значений высоты и скорости полета самолета с учетом характеристик конкретного типа двигателя вычисляют по формуле

- _ТНД - коэффициент избытка воздуха на выходе из турбины низкого давления задается на основании расчетных характеристик двигателя;

- показатель суммарного пересыщения влажности h _эксп. для каждого конкретного эксперимента с учетом замеренных параметров в полете вычисляют по формулам 5, 6, 3, 4.

Таким образом, достигают возможности более достоверного и более точного определения граничной высоты образования устойчивых кондследов для самолета с конкретным типом, конструкцией и схемой расположения газотурбинных двигателей и выявляют условия неблагоприятного влияния эмиссии авиадвигателей на изменение климата и разработки способов уменьшения этого влияния.

Предлагаемый способ поясняется чертежами:

на фиг.1 показаны прямые смешения при охлаждении выхлопной струи в атмосфере;

на фиг.2 показано состояние струи в координатах «температура - парциальное давление»;

на фиг.3 - показатель пересыщения пара смешанной струи;

на фиг.4 - представлены результаты эксперимента для определения граничного значения показателя суммарного пересыщения пара;

на фиг.5 - приведена граница образования устойчивых КС.

Способ осуществляется следующим образом.

В крейсерских полетах на различных высотах измеряют давление р, температуру наружного воздуха t _нв°С (Т_нвК), относительную влажность _нв,% атмосферного воздуха, скорость (число М) полета, полную температуру газа за турбиной низкого давления частоту вращения ротора n (режим работы двигателя), расход топлива G_T. С использованием этих данных по расчетным характеристикам конкретного двигателя определяют полную температуру газа за камерой смешения , вычисляют среднюю температуру смешанной струи T_см.ср. . Способы вычисления средней температуры струи несколько различаются для ТРДД с камерой и без камеры смешения:

- для турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) с камерой смешения внутреннего и наружного контуров по формуле

- статическая температура газа за камерой смешения двигателя;

- для ТРДД без камеры смешения

m - степень двухконтурности двигателя задается на основании расчетных характеристик двигателя, вычисляют температурный градиент влажности смешанной струи газа и атмосферы B_0ср.

- для ТРДД с камерой смешения по формуле

- для ТРДД без камеры смешения по формуле

М_n - относительная масса паровыделения, равная для применяемого в настоящее время авиатоплива 0,084 кг/кг, р и Т_нв - давление и температура, соответствующие международной стандартной атмосфере (МСА) на расчетной высоте Н, _ТНД - коэффициент избытка воздуха на выходе из турбины низкого давления задается на основании расчетных характеристик двигателя, _см - коэффициент избытка воздуха за камерой смешения задается на основании расчетных характеристик двигателя, вычисляют температуру t_м.ср., соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе (см. фиг.3) по формуле

вычисляют для каждой заданной высоты суммарный показатель пересыщения пара по формуле

Е(t_м.ср.) - парциальное давление насыщенного пара при температуре t_м.ср., - парциальное давление водяного пара в атмосфере, _{нврасч.} - относительная влажность атмосферного воздуха, равная 60%, которая соответствует насыщению надо льдом, что является условием образования устойчивых кондследов, по рассчитанным значениям h для соответствующих заданных высот Н при температуре, соответствующей МСА, T_нв=Т_нвМСА, строят графическую зависимость h =f(H) и из условия h _{гp.расч.}=0 определяют величину граничной высоты образования КС Н_0гр.МСА в условиях стандартной атмосферы, затем вычисляют показатель суммарного пересыщения влажности h _эксп., для каждого конкретного эксперимента с учетом замеренных параметров в полете по формулам 1-6 с учетом конкретного типа двигателя, определяют граничное значение показателя суммарного пересыщения пара h _{гр.эксп.} для конкретного типа двигателя, сравнивают величины показателей h _{гр.расч.} и h _{гp.эксп.}: при отличии h _{гр.эксп.} от h _{гр.расч.} выполняют уточнение Т_см.ср с учетом особенностей конкретного самолета с конкретным типом двигателя.

Пример

Прогнозируется величина показателя суммарного пересыщения, характеризующая условия образования конденсационных следов, при полетах на высотах 8 13 км для оценки граничной высоты образования КС.

На указанных высотах выполнены измерения давления (Р) и температуры (t_нв) атмосферного воздуха, температуры газов за турбиной (t_T), частоты вращения (оборотов) двигателей, расход топлива, парциальное давление пара в окружающем воздухе (e _нв). На основании этих данных и расчетных характеристик данного типа двигателя определены коэффициент избытка воздуха ( _см) и полная температура смешанной струи на срезе сопла двигателя.

Полученные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1
H, км	8,717	10,176	12,644	9,690	10,161	11,352
Наличие КС	есть	есть	есть	нет	нет	нет
Р, кПа	32,051	25,725	17,345	27,71	25,787	21,399
tнв, °C	-50,9	-56,0	-63,9	-48,2	-45,4	-46,9
енв , Па	3,07	1,197	0,49	3,47	1,44	2,58
см	19	18,7	12,4	22,66	18,5	11,9
, K	390	387,4	466,2	366,5	398,1	491,9

Вычисляем показатель пересыщения пара в смешанной струе h

где градиент изменения парциального давления пара в смешанной струе (тангенс угла наклона линии смешения) вычисляем по формуле:

где М_n - относительная масса паровыделения, равная 0,084 кг/кг, E_В(t_м ) - парциальное давление насыщенного пара над водой при температуре t_м; температуру t_м, соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе, определяем по формуле

t_м=9,142·lnB_0ср.-45,57°С.

Зависимость E_В от температуры имеется в справочной и специальной литературе, а также с удовлетворительной точностью аппроксимируется формулой Магнуса

где а=7,63 и в=241,9; Т_см.ср. - средняя температура смешанной струи определяется по формуле

где - статическая температура газа за камерой смешения двигателя, вычисляют температурный градиент влажности в смешанной струе В_0ср. для заданных значений высоты и скорости.

Результаты расчетов сведены в таблицу 2 и представлены на фиг.4.

Таблица 2
H, км	8,717	10,176	12,644	9,690	10,161	11,352
Тсм.ср., K	357	354,7	428,2	334,7	364,3	451,8
B 0cp., Па/K	1,66	1,33	0,848	1,48	1,35	1,06
tM, °C	-41,9	-44	-48,3	-42,75	-44	-46,1
h , Па	2	4,26	5,9	-2,63	-9,5	-6,45

По результатам эксперимента, представленным на фиг.4, определяют граничное значение показателя суммарного пересыщения пара h _{гp.эксп.}. Как видно из фиг.4, h _{гр.эксп.} 0, т.е. конденсационные следы образуются при h _{гр.эксп.}>0, при h _{гр.эксп.} 0 - конденсационные следы очень слабые или отсутствуют.

Для определения граничной высоты образования КС выполнен расчет показателей суммарного пересыщения пара h _расч. на высотах 9, 10, 11 км по расчетным характеристикам данного двигателя в условиях стандартной атмосферы по формулам 1 3; относительная влажность для расчетов принята равной 60%, что соответствует парциальному давлению пара в окружающем воздухе (е_нв), равному насыщению надо льдом при соответствующей температуре, что является условием образования устойчивых КС.

Полученные данные приведены в таблице 3 и на фиг.5.

Таблица 3
H, км	Р, кПа	tнв, °C	енв, Па	см	, K	Т см.ср., K	B0cp., Па/K	tM, °C	h расч., Па
9	30,8	-43	7,8	12,8	472	435	1,52	-42,75	-5,64
10	26,5	-50	3,8	12,7	465	429	1,3	-44,2	-1,21
11	22,7	-56	1,8	12,7	459	424	1,1	-45,9	3,07

Вычисляют величину граничной высоты образования КС Н_0гр.МСА, которая определяется из условия h _{гр.расч.}=0, что соответствует границе образования устойчивых конденсационных следов. В данном примере H_0гр.МСА 10,3 км.