Содержание
· Введение
· Влияние авиации на нижние слои тропосферы.
· Характеристики двигателей истребителей Су-27 и Су-57.
· Принцип работы турбореактивного двигателя.
· Характеристики двигателя коммерческого авиалайнера Airbus A319.
· Принцип работы турбовентиляторного двигателя.
· Сравнительная таблица характеристик двигателей.
· Заключение.
· Список литературы.
Введение
Актуальность выбранной темы исследования состоит в том, что один из самых активных источников загрязнения является транспорт. Хотя, авиация и уступает автомобильному транспорту по количеству выбрасываемых в воздух загрязняющих веществ, она ежедневно влияет на экологию верхней тропосферы и нижней стратосферы.
Специфика влияния авиации на окружающую среду состоит в значительном шумовом воздействии и выбросе загрязняющих веществ. В отличие от других видов транспорта авиация покрывает огромные расстояния, воздействуя на качество воздуха в локальном, региональном и глобальном отношении. Современная индустрия, очень сильно изменяет природные комплексы, а их негативные изменения сказываются на здоровье населения.
Источники эмиссий, связанные с авиацией, способны распространяться и приводить к ухудшению качества воздуха в ближайших населенных пунктах. Эти эмиссии представляют потенциальный риск общественному здоровью и окружающей среде, поскольку могут вызывать увеличение концентрации приземного озона, приводить к выпадению кислотных дождей.
За последние несколько десятилетий были достигнуты значительные успехи в вопросе сокращения эмиссий в связи с повышением экологичности авиационных топлив (частичная замена керосина на сжиженный природный газ или биотопливо) и техническими усовершенствованиями авиационных двигателей (увеличение их тяговой эффективности, подразумевающим уменьшение потребление топлива).
Национальные и международные программы мониторинга качества воздуха постоянно требуют от уполномоченных авиационных и правительственных организаций проводить контроль качества воздуха вблизи аэропортов. Особое внимание также уделяется влиянию авиации на окружающую среду, связанному с качеством воды, уборкой отходов, потреблением энергии, и воздействию на локальную экологию вблизи аэропортов[1].
Гипотеза:Чем мощнее двигатель, тем больше у него расход топлива, следовательно, более экологически грязный.
Объектом исследования являются: двигатели истребителей Су-27 и Су-57, и двигатель коммерческого авиалайнера Airbus A319
Проблема исследования: влияние авиации на воздушный бассейн и выбросы загрязняющих веществ.
Цель исследования:изучить и сравнить мощности двигателей истребителей старого образца (четвертого поколения) и инновационного (пятого поколения) с мощностью двигателя коммерческого авиалайнера, и их влияние на воздушный бассейн.
Задачи исследования:
1. Изучить характеристики и принцип работы двигателей истребителей Су-27 и Су-57.
2. Сравнить характеристики двигателей самолетов-истребителей между собой.
3. Изучить характеристики и принцип работы двигателя коммерческого авиалайнера Airbus A319.
4. Сравнить характеристики 3 двигателей между собой.
5. Доказать или опровергнуть гипотезу.
Влияние авиации на нижние слои тропосферы
Особенности влияния авиации на нижние слои тропосферы:
1. Авиационный шум – самый важный фактор негативного отношения к авиации населения на территориях, соседствующих с аэропортом. Под его воздействие попадает сравнительно большое число людей, проживающих в окрестностях, а также работники аэропорта и пассажиры. Авиационный шум отрицательно воздействует на здоровье людей (чаще всего это ухудшение слуха, стрессовые состояния, проблемы, связанные с концентрацией внимания) [1].
2. Эмиссия авиационных двигателей, влияющая на качество местного воздуха. В результате сжигания авиационными двигателями углеродного топлива образуется газообразная эмиссия и эмиссия твердых частиц (ТЧ). В выхлопных газах двигателей в состав эмиссии твердых частиц в основном входят ультратонкие частицы сажи или углерода, также известные как нелетучие твердые частицы (нлТЧ) [2].
Характеристики двигателей истребителей Су-27 и Су-57.
Истребитель Су-27
Су-27 обладает двигателем АЛ-31Ф. Двигатель АЛ-31Ф — базовый двигатель серии авиационных высокотемпературных турбореактивных двухконтурных двигателей с форсажными камерами.
Разработан под руководством А. М. Люльки в НПО «Сатурн». АЛ — первые буквы имени и фамилии: Архип Люлька, модель — 31, Ф — форсажная камера.
АЛ-31Ф — базовый двухконтурный двухвальный турбореактивный двигатель со смешением потоков внутреннего и наружного контуров за турбиной, общей для обоих контуров форсажной камерой и регулируемым сверхзвуковым всережимным реактивным соплом. Двигатель - модульный.
Состоит из компрессора низкого давления, компрессора высокого давления, турбины высокого и низкого давления; лопатки турбин и сопловых аппаратов охлаждаемые (плёночное охлаждение).
Максимальная сила тяги двигателя АЛ-31Ф равна 12500 кгс. Ресурс длительности полёта 1000 часов.
В конструкции двигателя широко применяются титановые сплавы (до 35 % массы) и жаропрочные стали. Лопатки турбин имеют полости в виде лабиринтов, для охлаждения газы подаются из диска в лопатку и проходят через отверстия по кромкам (плёночное воздушное охлаждение), для крепления лопатки к диску используется хвостовик ёлочного типа. После турбины установлен 11-лепестковый смеситель. Для обеспечения стабильной работы ФК установлен затурбинный кок, плавно переводящий поток из кольцевого в круглое сечение, с антивибрационными отверстиями, а также в форсажной камере установлены антивибрационные продольные экраны.
Двигатель имеет электрическую систему зажигания. Пусковая система может запускать двигатель как на земле, так и в полёте. Для запуска двигателя на земле используется пусковое устройство, расположенное в выносной коробке двигателя.
На обычных режимах работы двигателя для экономии топлива охлаждение турбин частично отключается.
Двигатели сохранят работоспособность при попадании самолёта в штопор и при пуске ракет. Двигатель в полёте может использоваться на всех режимах без ограничений. Время приёмистости из режима малого газа до режима “максимал” на малой высоте 3—5 секунд, на средней - 5 с, на большой высоте - 8 с. Номинальная частота вращения ротора высокого давления - 13 300 об./мин [3].
Истребитель Су-57
На первых серийных образцах Су-57 эксплуатируется двигатель АЛ-41Ф1. Двигатель АЛ-41Ф1 — авиационный турбореактивный двухконтурный двигатель «первого этапа» со смешением потоков, форсажной камерой и управляемым вектором тяги, разработанный в ОКБ им. А.Люльки — филиале ПАО "ОДК- УМПО" для истребителей пятого поколения. Основан на двигателях для истребителей четвёртого поколения АЛ-31Ф, АЛ-31ФП и АЛ-31Ф-1С.
Несмотря на схожую с АЛ-31Ф схему, двигатель нового поколения АЛ-41Ф1на 80 % состоит из новых узлов. Основные из них: компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, плазменная система зажигания, камера сгорания, компрессор с увеличенным до 932 мм диаметром, форсажная камера сгорания.
Благодаря обновлению конструкции основных узлов максимальная сила тяги двигателя АЛ-41Ф1 равна 15000 кгс; увеличился ресурс до 4000 часов и повысилась надёжность, снизился расход топлива.
Впервые была реализована плазменная система зажигания, благодаря чему обеспечена возможность бескислородного запуска двигателя.
При создании Су-57 была поставлена задача: обеспечить бескислородный запуск двигателя. Плазменная система розжига установлена в основной камере сгорания и в форсажной. По словам генерального конструктора - директора ОКБ им. А. Люльки Евгения Марчукова, ноу-хау заложено в самой форсунке с плазменной системой: в ней одновременно с подачей керосина организуется дуга плазмы.
Система управления двигателя — электронно-цифровая, автоматически регулирует впрыск топлива, подачу воздуха и зажигание. Предусмотрен один центробежный регулятор, благодаря которому, в случае отказа всей электроники (например, из-за воздействия ядерного взрыва), двигатель, работая на пониженном режиме, позволит вернуть самолёт на базу [4].
Принцип работы турбореактивного двигателя
Турбореактивный двигатель (ТРД) — газотурбинный двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется кинетическую энергию струй газов, вытекающих из реактивного сопла. Основная область применения — авиация. Механической основой любого ТРД всегда является турбокомпрессор.
Принцип работы
Компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней сжатый воздух смешивается с топливом, которое воспламеняется. Горячие газы, образовавшиеся в результате горения, расширяются, заставляя вращаться турбину, которая расположена на одном валу с компрессором. Остальная часть энергии перемещается в сужающееся сопло. В результате направленного истечения газа из сопла на двигатель действует реактивная тяга. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до 1500-2000 градусов Цельсия.
Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура.
Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом.
Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки, и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.
Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.
Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.
Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя.
ТРД в разрезе:
1. Забор воздуха
2. Компрессор низкого давления
3. Компрессор высокого давления
4. Камера сгорания
5. Расширение рабочего тела в турбине и сопле
6. Горячая зона
7. Турбина
8. Зона входа первичного воздуха в камеру сгорания
9. Холодная зона
10. Входное устройство
Степень повышения полного давления в компрессоре является одним из важнейших параметров ТРД, поскольку от него зависит эффективный КПД двигателя.
Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину, расширяется, приводя её в движение и отдавая ей часть своей энергии, а после неё расширяется в сопле и истекает из него, создавая реактивную тягу.
Благодаря компрессору ТРД может «трогать с места» и работать при низких скоростях полёта, что для двигателя самолёта является совершенно необходимым, при этом давление в тракте двигателя и расход воздуха обеспечиваются только за счёт компрессора.
При повышении скорости полёта давление в камере сгорания и расход рабочего тела растут за счёт роста напора встречного потока воздуха, который затормаживается во входном устройстве и поступает на вход низшего каскада компрессора под давлением более высоким, чем атмосферное, при этом повышается и тяга двигателя.
Температура, которую может выдерживать турбина, ограничена, что накладывает ограничение на количество тепловой энергии, подводимой к рабочему телу в камере сгорания, а это ведёт к уменьшению работы, производимой им при расширении [5].
Характеристики двигателя коммерческого авиалайнера Airbus A319
Airbus (Аэробус) 319 является членом семейства узкофюзеляжных, коммерческих, пассажирских, двухмоторных реактивных авиалайнеров Airbus A320 (А318/А319/А320/А321), производимых Airbus. Окончательная сборка самолета происходит в Гамбурге, Германия, и Тяньцзине, Китай.
A319 представляет собой вариант Airbus A320 с укороченным фюзеляжем. Самолет имеет общий рейтинг типа со всеми другими вариантами семейства Airbus A320, что позволяет существующим пилотам семейства A320 управлять самолетом без необходимости дальнейшего обучения.
Вариант A319neo с аналогичным укороченным фюзеляжем предлагает новые, более эффективные двигатели в сочетании с усовершенствованным корпусом и добавлением винглетов (дополнительные элементы на концах крыльев самолета), названных Airbus «акулами».
По состоянию на ноябрь 2021 года всего поставлено 1488 самолетов Airbus A319, из которых 1380 находятся в эксплуатации [6].
Данный самолет оснащен турбовентиляторным двигателем CFM56-5A
Двигатель CFM56-5A
Серия CFM56-5A была предназначена для самолётов Airbus A320 для полётов на короткие и средние расстояния. Тяга составляет от 98 кН до 118 кН. Эта серия была первой среди семейства CFM56-5. Двигатели серии являются производными от двигателей второй и третьей серии.
Характеристики двигателя CFM56-5A:
· степень двухконтурности — 6,0
· степень повышения давления в компрессоре — 31,2
· расход воздуха — 386 кг/сек
· статическая тяга — 111 кН[6].
CFM56 — серия турбовентиляторных авиадвигателей производства концерна CFM International (объединение французской компании SNECMA и американской General Electric).
Обе компании, входящие в концерн CFM, ответственны за производство разных компонентов двигателя, у каждой из них есть своя линия конечной сборки. GE отвечает за компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину высокого давления, SNECMA отвечает за вентилятор, турбину низкого давления и коробку приводов[7].
Принцип работы турбовентиляторного двигателя
Турбовентиляторным двигателем обычно называют турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД) с высокой степенью двухконтурности. В данном типе двигателей используется одноступенчатый вентилятор большого диаметра, обеспечивающий высокий расход воздуха через двигатель на всех скоростях полёта, включая низкие скорости при взлёте и посадке. По причине большого диаметра вентилятора, сопло внешнего контура таких ТРДД становится достаточно тяжёлым и его часто выполняют укороченным, со спрямляющими аппаратами (неподвижными лопатками, поворачивающими воздушный поток в осевом направлении). Экономичность турбовентиляторных двигателей обусловлена тем, что в отличие от обычного ТРДД энергия реактивной струи в виде давления и высокой температуры не теряется на выходе из двигателя, а преобразуется во вращение вентилятора, который создает дополнительную тягу, тем самым повышается КПД. В турбовентиляторном двигателе вентилятор может создавать до 70-80 % всей тяги двигателя.
Устройство внутреннего контура таких двигателей подобно устройству турбореактивного двигателя (ТРД), последние ступени турбины которого являются приводом вентилятора.
Внешний контур таких ТРДД, как правило, представляет собой одноступенчатый вентилятор большого диаметра, за которым располагается спрямляющий аппарат из неподвижных лопаток, которые разгоняют поток воздуха за вентилятором и поворачивают его, приводя к осевому направлению, заканчивается внешний контур соплом.
По причине того, что вентилятор таких двигателей, как правило, имеет большой диаметр, и степень повышения давления воздуха в вентиляторе невысока — сопло внешнего контура таких двигателей достаточно короткое. Расстояние от входа в двигатель до среза сопла внешнего контура может быть значительно меньше расстояния от входа в двигатель до среза сопла внутреннего контура. По этой причине достаточно часто сопло внешнего контура ошибочно принимают за обтекатель вентилятора[8].
Сравнительная таблица характеристик двигателей
Вывод
Принцип работы турбореактивного двигателя существенно отличается от принципа работы турбовентиляторного двигателя. Входе исследования мы выяснили, что шумовое воздействие коммерческих авиалайнеров меньше, чем у истребителей, но высота их полета обычно разная, поэтому точно ответь какое судно более шумное - нельзя. Расход топлива 2 разных турбореактивных двигателей эксплуатируемые на истребителях показал, что турбовентиляторный является более экологически чистым двигателем, но в основном такие двигатели эксплуатируются на коммерческих авиалайнерах, из-за чего уступают в характеристиках истребителям. Таким образом, мы пришли к выводу, что турбовентиляторный двигатель обладает большей мощностью и является менее грязным. Следовательно, мы опровергаем поставленную нами гипотезу в начале исследования.
Список литературы
1. Труды Гидрометцентра России
http://method.meteorf.ru/publ/tr/tr365/ivan_a.pdf
2. Международная организация гражданской авиации АССАМБЛЕЯ — 39-Я СЕССИЯ.
https://www.icao.int/Meetings/a39/Documents/WP/wp_051_ru.pdf
3. Информация из Википедии о двигателе АЛ-31Ф https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%9B-31%D0%A4
4. Информация из Википедии о двигателе АЛ-41Ф https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%9B-41%D0%A41
5. Информация из Википедии о турбореактивном двигателе https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C
6. Информация из Википедии о самолете Airbus A319 https://en.wikipedia.org/wiki/Airbus_A319
7. Информация из Википедии о двигателе CFM56 https://ru.wikipedia.org/wiki/CFM_International_CFM56
8. Информация из Википедии о турбовентиляторном двигателе https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B8%D0%BB%D1%8F%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C