CC BY
12
УДК 533.6.011:004.94; 574:(621.43:629.7.08.051.2) DOI: 10.24412/1816-1863-2020-13051
CD
ЗАГАЗОВАННОСТИ Ермолаев И. К., к.т.н, старший научный К
Q
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВДУВА, Фадеев В. А., к.т.н., старший научный
сотрудник ФГУП ГосНИИАС, fadeevwa@yandex.ru, Москва, Россия
ОТСОСА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ
ПРИАЭРОДРОМНОЙ сотрудник Института ядерной физики ^
МГУ им. М. В. Ломоносова, о\
ТЕРРИТОРИИ В ПРОЦЕССЕ ermolaev19@yandex.ru, Москва, Россия
РАБОТЫ АЭРОПОРТА
Рассмотрены возможные способы снижения загазованности территории вокруг аэродрома с ис- т пользованием экранов, вдува жидкостных или газообразных компонентов, отсоса продуктов сгорания, истекающих из работающих авиадвигателей. Проведены модельные испытания с использованием изогнутых экранов-отбойников, пересекающихся веерных струй, вдува, отсоса за
работающими двигателями самолетов. Впервые в мировой практике в аэропорту Тамбова за са- 5
молетом ЯК-40 опробован гидродинамический экран со вдувом жидкости, а за самолетом ш
АН-24 — изогнутый экран-отбойник механического типа. Использование эффекта перехода го- ь
ризонтального истечения струй на закрученное вертикальное при применении изогнутых экра- т
нов-отбойников или вдува газообразных или жидкостных компонентов приведет к снижению за- Q
газованности окружающей территории вокруг аэропорта. s
Possible ways of reducing the gas content on the area around the airfield using screens, blowing liquid о
or gaseous components, and sucking out combustion products that flow from operating aircraft engines О
were considered. Model tests were carried out using curved screens-bumpers, intersecting fan jets, injec- д
tion, suction for working aircraft engines. It was the first time in world practice when a hydrodynamic К
screen with liquid injection was tested at the Tambov airport behind the YAK-40 aircraft, and a curved О
screen with a mechanical bump was tested behind the AN-24 aircraft. Using the effect of switching the О
horizontal flow of jets to a swirling vertical flow when using curved screens-bumpers or blowing gaseous X or liquid components, will reduce the gas content of the surrounding area around the airport.
n -i T3
О
о
ы ш
Ключевые слова: экология аэродромов, вдув, отсос, экраны-отбойники, пересекающиеся веер- с ные струи.
Keywords: ecology of airfields, injection, suction, screens-bumpers, overlapping fan-shaped jet.
Постоянный рост объемов перевозок воздушным транспортом приводит к увеличивающему загрязнению окружающей среды продуктами сгорания авиационных топлив, шуму от работающих авиадвигателей, в районе аэропорта и прилегающих к нему окрестных территорий [1, 2]. Общий выброс вредных веществ воздушными судами оценивается объемом топлива, израсходованного в зависимости от типа работающих авиадвигателей, режимов и времени их работы на различных этапах взлетно-посадочного цикла, интенсивности полетов. В частности, на долю эмиссии продуктов сгорания от работающих авиадвигателей приходится до 4 % всех выбросов газов в атмосферу [3]. Основное загрязнение воздушной среды связано с выбросом вредных веществ, входящих в состав продуктов сгорания авиационного топлива, таких как оксид углерода (СО), оксиды азота (N0), несгоревшие углеводороды (СпНт), дым (Б^ [1, 2].
Экспериментально установлено, что максимальные значения суммарной массы выбросов вредных веществ (до 80 %) практически полностью приходится на наземный участок взлетно-посадочного цикла самолетов, включающий работу двигателей на стоянке при запуске и опробовании работы авиадвигателей, при рулении самолета перед взлетом, на взлете, при посадке и рулении после посадки [2].
Учитывая такие факторы, как параметры окружающей среды, воздействие ветра для различных этапов взлетно-посадочного цикла, были разработаны математические модели для оценки зон экологического загрязнения окружающей среды в районе аэропорта [4—6]. Проведенные расчеты и модельные испытания по исследованию струй, истекающих за самолетом, показали, что струи в покоящейся среде распространяются на 500^10 000 м при ширине 45^450 м в зависимости от типа самолета, этапов взлетно-посадочного цикла, времени года и параметров ок-
51
о
т
I-
и
со О X
О ^
и а
О ^
О
о
и
Ш
IX
О ^
I-
и
и о
X
и о с
о
со ф
Ю ч;
О ^
и Ф т
О
52
ружающей среды [4]. Истекающие продукты сгорания с повышенной концентрацией вредных веществ могут распространяются при штиле на расстояние до 30 км.
Наличие бокового, попутного или встречного ветра приводит к изменению направления струй, истекающих от работающих авиадвигателей и перемещению вредных продуктов сгорания с учетом постоянно действующего ветрового воздействия [5].
Значительное внимание по защите окружающей среды от вредного воздействия авиации уделяют ООН и ИКАО. В частности, Комитет по охране окружающей среды от воздействия авиации Международной организации гражданской авиации (ИКАО) рекомендует в качестве одной из комплексных мер — использование специальных эксплуатационных приемов и средств по снижению интенсивности источника неблагоприятного воздействия. Одновременно ужесточаются нормативные требования по предельно допустимым уровням эмиссии газов на территории и вблизи аэропорта.
Для уменьшения неблагоприятного воздействия на окружающую среду продуктов сгорания, истекающих из авиадвигателей, в качестве специальных эксплуатационных приемов и средств может быть использовано следующее:
— применение различного вида изогнутых экранов-отбойников, особенно в местах запуска и опробования работы авиадвигателей;
— вдув газообразных или жидкостных компонентов перпендикулярно истекающим продуктам сгорания от струй авиадвигателей;
— отсос продуктов сгорания вдоль взлетно-посадочной полосы;
— вдув воздушных веерных струй перпендикулярно истекающим продуктам сгорания от струй авиадвигателей вдоль взлетно-посадочной полосы.
В процессе работы были рассмотрены и разработаны с использованием компьютерного моделирования возможные методы по снижению загазованности от «облаков» продуктов сгорания при применении изогнутых экранов — отбойников (в виде параболы, сегмента, П-образного экрана и т. п.) механического, гидродинамичес-
кого, газодинамического типа, на которых были проведены модельные испытания [6, 7].
Проведенные модельные испытания показали, что струи, натекающие на изогнутые экраны-отбойники, расположенные на расстоянии 1^2,5 длины модели самолета, приводят к возникновению нового явления. Сталкиваясь с изогнутым экраном-отбойником, струи от модели самолета, имеющие разные направления и разные отраженные скорости по длине изогнутого экрана, приводят к внутреннему закручиванию и завихрению потока, устремляющемуся вверх. Перемешиваясь с воздухом, поток устремляясь вверх, меняет направление с горизонтального на закрученное вертикальное, имея вид торнадо [7, 8]. Закручиваясь снаружи по часовой или против часовой стрелки, струи газа интенсивно смешиваются с окружающим воздухом снаружи и внутри и поднимаются на высоту свыше 20^вых, где ^вых — диаметр выходного сечения сопла (рис. 1). Таким образом снижается температура и концентрация вредных веществ в приземном слое атмосферы.
Для снижения загазованности в окрестностях аэропорта от «облаков» продуктов сгорания работающих авиадвигателей может быть использован вдув воздуха или воды через систему отверстий (3) в виде изогнутого экрана — отбойника газодинамического или гидродинамического типа (рис. 2), расположенного поперек и внутри взлетно-посадочной полосы (ВПП) через определенные расстояния (I) друг от друга. Включение каждого экрана — отбойника на ВПП производится через
Рис. 1. Испытания газодинамического экрана-отбойника за работающей моделью самолета
Рис. 2. Схема расположения системы отверстий для вдува воздуха или впрыска жидкости поперек ВПП: 1 — взлетно-посадочная полоса (ВПП); 2 — самолет на ВПП; 3 — отверстия для вдува; 4 — внутренняя полость для подвода воздуха или жидкости; 5 — узел регулирования подачи вдуваемого компонента; 6 — подвод вдуваемого компонента; Ь — расстояние между рядами отверстий на ВПП; I — расстояние между отверстиями
1^2 с после пересечения самолетом оси изогнутого экрана, а выключение — через 3^5 с после включения. Продукты сгорания, ударяясь о воздушный или водяной экран, устремляются вверх. Их перемешивание с воздухом снизит концентрацию вредных веществ в атмосфере и приведет к улучшению экологической обстановки в районе аэропорта. Вместо отверстий для вдува поперек взлетно-посадочной полосы (ВПП) могут быть использованы тонкие поперечные щели, включающиеся через 1 с после прохождения самолета.
Впервые в мировой практике в аэропорту Тамбова были проведены натурные испытания по снижению загазованности окрестностей аэропорта с помощью изогнутых параболических экранов-отбойников механического типа за самолетом Ан-24 и гидродинамического типа за самолетом ЯК-40 [6, 7], разработанные сотрудниками ГосНИИАС, МГУ им. М. В. Ломоносова и работниками аэропорта Тамбова.
Помимо вдува воздуха или впрыска воды может быть использован отсос продуктов сгорания через тонкие поперечные щели, расположенные поперек взлетно-посадочной полосы (ВПП). Отсос отработанных истекающих газов включается сразу же после прохождения поперечной щели самолетом. Картина модельных ис-
пытаний по отсосу продуктов сгорания через поперечную щель за моделью самолета представлена на рис. 3. Щели для отсоса могут быть расположены и с обеих сторон вдоль ВПП. Использование отсоса потребует создания системы для нейтрализации истекающих продуктов сгорания.
Одним из способов снижения загазованности вдоль поверхности земли в районе аэропорта от струй, взлетающих и идущих на посадку самолетов, является создание нескольких изогнутых поперечных воздушных экранов (6) из перекрестных веерных струй воздуха (5), расположенных с обеих сторон ВПП (1) через определенное расстояние друг от друга (рис. 4). Веерные струи должны подниматься на высоту до 30 м над центральной осью ВПП.
Рис. 3. Картина отсоса продуктов сгорания через поперечную щель, расположенную за моделью самолета
Рис. 4. Схема создания поперечных воздушных экранов из веерных струй: 1 — взлетно-посадочная полоса (ВПП); 2 — самолет на ВПП; 3 — подача воздуха для веерных струй; 4 — плоские сопла; 5 — веерная струя; 6 — экран из пересекающихся веерных струй
О) ^
о
О -1
х
а>
Г)
а
¡а
б
а>
ы
О ^
а
г> л
О г>
г>
-I
тз
о
-I
а>
О-
Г> -I 03
а
о ~о о ш
г> ^
о
X
о
ы
Г) -I
оз
а
53
3
о
m i-
U
w
CO
О X
О ^
и a
О
ср
О
о
са
U
Ш
IX
О
ср
I-
и
и о
X
и о
с
о
со Ф
vo
О ^
U
ш
т
о (Г)
Распределенная подача сжатого воздуха осуществляется через трубы (3), которые могут быть положены на землю или зарыты в землю вдоль ВПП. Истечение воздуха происходит через плоские сопла. Расположенные с обеих сторон ВПП веерные струи через плоские сопла (4) под углом от 10° до 45° истекают навстречу друг другу, образуя изогнутую воздушную поверхность — экран (6). Веерные струи, истекающие поперек ВПП, располагаются через каждые 300^400 м друг за другом вдоль ВПП. Они могут быть узкими по ширине и широкими по длине с небольшим сдвигом напротив друг друга.
Включение веерных струй осуществляется через 1^2 с после прохождения самолетом (2) каждого из воздушных экранов, а выключение происходит через 3^5 с (скорость взлета самолета ~ 60 м/с, скорость посадки ~ 55 м/с). Струи, выте-
кающие из авиадвигателей, сталкиваясь с поперечным изогнутым воздушным экраном из веерных струй воздуха, должны устремляться вверх, образуя восходящий закрученный вихревой поток. Подсасываемый воздух будет разбавлять продукты истечения из авиадвигателей, тем самым снижать температуру и концентрацию вредных веществ вдоль земной поверхности в окрестностях аэропорта.
Предложенные способы (экран, вдув, отсос, веерная система) позволят снизить загазованность в районе аэродрома и прилегающих к нему территорий от взлетающих и идущих на посадку самолетов. В тоже время предложенная веерная система может быть использована для окантовки взлетно-посадочной полосы в инфракрасном диапазоне, если струи воздуха направить перпендикулярно вверх.
Библиографический список
1. Международная организация гражданской авиации. Международные стандарты и рекомендуемая практика. Охрана окружающей среды // Приложение 16 к конверсии о международной гражданской авиации. Эмиссия авиационных двигателей. — Монреаль, 1993. — Т. 1. — 84 с.
2. Николайкина Н. Е., Николайкин Н. И., Матягина А. М. Промышленная экология. Инженерная защита биосферы от воздействия воздушного транспорта. — М.: Академкнига, 2006. — 239 с.
3. Защита окружающей среды при авиатранспортных процессах / Под редакцией В. Г. Ененкова — М.: Транспорт, 1986. — 198 с.
4. Инсаров В. В., Фадеев В. А., Щербенев А. К. Оценка зон загрязнения атмосферного воздуха выбросами вредных веществ от движущихся источников по результатам компьютерного моделирования // Вестник компьютерных и информационных технологий. — 2009. — № 4 — С. 10—19.
5. Фадеев В. А., Шарапов В. И. Разработка математических моделей распространения облаков продуктов сгорания авиадвигателей на отдельных этапах взлетно-посадочного цикла при воздействии ветра // Вестник компьютерных и информационных технологий. — 2010. — № 10. — С. 33—39.
6. Фадеев В. А., Шарапов В. И., Ермолаев И. К. Математическое моделирование и экспериментальная отработка методов снижения загазованности приземного слоя атмосферы в районе аэропорта // Вестник компьютерных и информационных технологий. — 2012. — № 7. — С. 16—20.
7. Шарапов В. И., Фадеев В. А., Исаков В. А., Ермолаев И. К., Фаворский А. П. Повышение экологической безопасности методом снижения загазованности приземного слоя атмосферы от работы авиационных двигателей в районе аэропорта и его окрестностях // Проблемы региональной экологии. — 2015. — № 2. — С. 115—121.
8. Фадеев В. А., Ермолаев И. К. Способ уменьшения приземной загазованности от работающих авиадвигателей самолетов. Описание изобретения к патенту Яи № 2427506 С1 // Бюллетень изобретений. — 2011. — № 24.
USE OF INJECTION, SUCTION TO REDUCE GAS POLLUTION NEAR THE AIRPORT TERRITORY IN THE COURSE OF THE AIRPORT OPERATION
54
V. A. Fadeev, PhD senior researcher Federal state unitary enterprise GosNIIAS, fadeevwa@yandex.ru, Moscow, Russia
I. K. Yermolaev, PhD senior researcher Institute of nuclear physics of Moscow state University. M. V. Lomonosov, ermolaev19@yandex.ru, Moscow, Russia
References
K
1. Mezhdunarodnaya organizaciya grazhdanskoj aviacii. Mezhdunarodnye standarty i rekomenduemaya prak- 0 tika. Ohrana okruzhayushchej sredy. Prilozhenie 16 k konversii o mezhdunarodnoj grazhdanskoj aviacii. ° Emissiya aviacionnyh dvigatelej [International civil aviation organization. International standards and rec- u ommended practices. Environmental protectionAnnex 16 to the international civil aviation conversion. e Aircraft engine emission]. — Montreal. — 1993. — Vol. 1. — 84 p. [in Russian]. n
2. Nikolaykina N. E. Nikolaykin N. I. Matahina A. M. Promyshlennaya ekologiya. Inzhenernaya zashchita q
biosfery ot vozdejstviya vozdushnogo transporta [Industrial ecology. Engineering protection of the biosphere
from air pollution transport's]. — Moscow: Akademkniga. — 2006. — 239 p. [in Russian].
Zashchita okruzhayushchej sredy pri aviatransportnyh processah [Protection of the environment in the air
n
O
transport processes] / Edited by Enenkov V. G. — Moscow: Transport. — 1986. — 198 p. [in Russian]. ^
4. Insarov V. V., Fadeev V. A., Shcherbenev A. K. Ocenka zon zagryazneniya atmosfernogo vozduha vybrosami C vrednyh veshchestv ot dvizhushchihsya istochnikov po rezul'tatam komp'yuternogo modelirovaniya [Assess- o ment of air pollution zones by emissions of harmful substances from moving sources based on the results T of computer modeling] // Vestnik komp'yuternyh i informacionnyh tekhnologij. — 2009. — No 4. — P. 10—19 [in Russian].
5. Fadeev V. A., Sharapov V. I. Razrabotka matematicheskih modelej rasprostraneniya oblakov produktov sgoraniya aviadvigatelej na otdel'nyh etapah vzlyotno-posadochnogo cikla pri vozdejstvii vetra [Development T of mathematical models distribution of clouds of combustion products of aircraft engines on individual ^ stages of the take-off and landing cycle when exposed to wind] // Vestnik komp'yuternyh i informacion- ^ nyh tekhnologij. — 2010. — No 10. — P. 33—39 [in Russian]. B
6. Fadeev V. A., Sharapov V. I., Ermolaev I. K. Matematicheskoe modelirovanie i eksperimental'naya otrabot- Q ka metodov snizheniya zagazovannosti prizemnogo sloya atmosfery v rajone aeroporta [Mathematical modeling and experimental testing of methods for reducing the gas content of the surface layer of the atmos- ° phere in the airport area] // Vestnik komp'yuternyh i informacionnyh tekhnologij. — 2012. — No 7. — O P. 16—20 [in Russian]. c
7. Sharapov V. I., Fadeev V. A., Isakov V. A., Ermolaev I. K., Favorsky A. P., Povyshenie ekologicheskoj k bezopasnosti metodom snizheniya zagazovannosti prizemnogo sloya atmosfery ot raboty aviacionnyh dvigatelej r v rajone aeroporta i ego okrestnostyah [Increase of environmental safety of the method of reducing gas con- ® tamination surface layer of the atmosphere from the operation of aircraft engines in the area of the airport o and its surroundings] // Problemy regional'noj ekologii. — 2015. — No 2. — P. 115—121 [in Russian]. ^
8. Fadeev V. A., Ermolaev I. K. Sposob umen'sheniya prizemnoj zagazovannosti ot rabotayushchih aviadvi- c gatelej samolyotov [Method for reducing ground-level gas pollution from operating aircraft engines] // De- B scription of the invention for patent: RU No 2427506 C1. Bulletin of inventions. — 2011. — No 24 Q [in Russian].
55
