SAMOLOT A ŚRODOWISKO HAŁAS I EMISJA SPALIN

Transkrypt

1 POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Katedra Awioniki i Sterowania SAMOLOT A ŚRODOWISKO HAŁAS I EMISJA SPALIN Tomasz KIJEWSKI Seminarium Dyplomowe 2001/2002 LOTNICTWO - PILOTAŻ Streszczenie Hałas ma różny wpływ na organizm ludzki i występują różne poziomy hałasu z różnorakich źródeł. Istnieje wiele przyczyn wprowadzenia przez ICAO Aneksu 16, czy też wprowadzenia przepisów amerykańskich FAR 36 przez FAA. Wprowadzono również jednostkę do pomiaru hałasu emitowanego przez samolot. Oprócz tego stosowane jest specjalne rozmieszczenie punktów pomiaru hałasu i wykreślane są tzw. krzywe izofoniczne dla poszczególnych lotnisk. Prowadzone są działania usuwające skutki hałasu w obrębie lotnisk (procedury antyhałasowe startu i lądowania, trasy minimalnego hałasu, konstrukcja portów lotniczych, procedury prób silników, wały ziemne, ekrany akustyczne, pasy zieleni, lotniskowe tłumiki hałasu). Oprócz tego prowadzone są działania usuwające przyczyny hałasu w obrębie układów napędowych (mechaniczne tłumiki hałasu, odległość między wieńcami, kratownice wlotowe, kierownice wylotowe, prędkość obrotowa wentylatora, akustyczne zamknięcie wlotu, prędkość wylotowa spalin). Przyczyny powstawania hałasu w sprężarce, turbinie, wentylatorze, czy za dyszą wylotową są takie same a mianowicie tzw. pulsacje ciśnienia. Hałas samolotów turbośmigłowych nieco różni się swoją charakterystyką od hałasu silników odrzutowych. Hałas ten jest gorzej znoszony przez człowieka, ponieważ częstotliwość dźwięków generowanych przez silniki turbośmigłowe jest nieco inna od tej generowanej przez silniki odrzutowe. Poziom substancji szkodliwych w emitowanych spalinach z lotniczych silników jest niewielki. Wpływ silników lotniczych na atmosferę jest mniej szkodliwy niż innych dziedzin przemysłu. Jedną z metod zmniejszania szkodliwej emisji jest modyfikacja komór spalania. 1. Wstęp Nie należy rozpatrywać hałasu lotniczego oddzielnie od innych źródeł tego zjawiska. Od lat 70-tych nastąpił bardzo duży postęp zarówno w projektowaniu tłumików hałasu samych silników lotniczych jak i lotniskowych urządzeń tłumiących. Obecnie stosowanie tłumików mechanicznych hałasu nie jest już potrzebne w czasie samego lotu, gdyż konstrukcja obudowy kanału zewnętrznego jest tak dobrana w nowoczesnych silnikach dwuprzepływowych, że tłumiki są zbędne. Na lepsze rozwiązanie czekają jeszcze nowoczesne silniki turbośmigłowe, jeżeli chodzi o redukcję ich hałasu w czasie lotu lub częściową zmianę generowanych częstotliwości dźwięków. Emisyjność szkodliwych związków silników lotniczych jest najniższa w porównaniu z innymi źródłami a wynika to z faktu, że znaczna część sprężanego powietrza w silnikach odrzutowych jest tylko przepompowywana a same loty odbywają się na dużych wysokościach. 2. Hałas 2.1. Wpływ hałasu na człowieka [1], [4], [6]. Hałas nie był zbyt dokuczliwy do początków lotnictwa odrzutowego. W latach 50-tych sprzeciw ludności zamieszkującej w pobliżu lotnisk wywołało pojawienie się samolotu Boeing 707 wytwarzającego przy starcie dB 1. Hałas od zawsze towarzyszy człowiekowi, ale niebezpieczna sytuacja występuje wtedy, gdy 1 db decybel poziom ciśnienia akustycznego, T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 1

2 jest on powyżej pewnego poziomu i staje się uciążliwy. Oddziałuje wówczas ujemnie na układ nerwowy i narząd słuchu człowieka powodując rozproszenie uwagi, uniemożliwiając pracę i wypoczynek, wywołując zmęczenie, ból głowy, apatię i może przy większym natężeniu prowadzić do trwałego uszkodzenia słuchu. Poziom dźwięku 65dB nie jest szkodliwy dla człowieka, poziom dźwięku dB jest szkodliwy dla systemu nerwowego, poziom dźwięku powyżej 100dB powoduje ciężkie zakłócenia systemu nerwowego i trwałe uszkodzenie słuchu, poziom 130dB stanowi granicę bólu, poziom 160dB powoduje mechaniczne uszkodzenie narządów słuchu. Wzrost poziomu hałasu o 10dB jest odbierany przez człowieka jako dwukrotne jego zwiększenie. Przykładowy poziom emisji hałasu: - ulica miasta o niedużym ruchu - 60dB, - ruchliwa ulica dużego miasta 75-85dB, - hala fabryczna 80-90dB, - pociąg ekspresowy 110dB, - narzędzia pneumatyczne 120dB, - śmigło naddźwiękowe 136dB, - silnik turboodrzutowy 140dB, - silnik turboodrzutowy z dopalaczem 150dB. Im dalsza jest odległość o źródła hałasu tym jego poziom jest mniej odczuwalny w skutkach rys Wprowadzenie Aneksu 16. Z powodu protestów ICAO 2 opracowało Aneks 16 określający dopuszczalny poziom hałasu dla wszystkich samolotów. Opierając się na Aneksie 16 wiele państw wydało swoje przepisy a najostrzejsze są amerykańskie oznaczone jako FAR Na rysunku 1 pokazano dopuszczalne poziomy hałasu wg aneksu 16. Metoda pomiaru różni się zależnie od maksymalnej masy startowej 4 i przyjęto rozgraniczenie 5700 kg. Do pomiaru hałasu emitowanego przez samoloty przyjęto nową jednostkę tzw. efektywny poziom hałasu odczuwalnego (Effective Perceived Noise Level) EPN 5 db. Jednostka ta umożliwia sprowadzenie hałasu lotniczego złożonego z dźwięków o różnych natężeniach i częstotliwości do jednej wielkości. W celu pomiaru hałasu samolotu w czasie jego lądowania, startu czy wznoszenia punkty pomiaru rozmieszczone są w dwóch miejscach na osi drogi startowej (w odległości 2 km przed i 6,5 km za jej początkiem) oraz z boku pasa startowego w odległości 0,45 (lub 0,65) km rys. 2. Na wielu lotniskach obecnie występuje pomiar ciągły z rejestracją wyników. Działanie zmierzające do ograniczenia hałasu lotniczego podzielić można na dwa rodzaje: - usuwające skutki, czyli realizowane w obrębie lotnisk, - usuwające przyczyny, czyli realizowane w obrębie układów napędowych. Do określania uciążliwości hałasu przyjęto tzw. ogólną ekspozycję hałasu 6, czyli jakby całkowitą energię dźwięku otrzymaną w ciągu dnia w danym punkcie na ziemi. Na tej podstawie wyznacza się punkty, w których ogólna ekspozycja jest taka sama. Połączenie tych punktów tworzy krzywe izofoniczne. Każda krzywa izofoniczna 7 ma swój wskaźnik wielkości ogólnej ekspozycji hałasu. Najbardziej intensywny hałas występuje wokół dróg startowych rys. 5. Intensywność ta i obszar oddziaływania dość szybko maleje w bok od osi pasa a 1 db odpowiada ciśnieniu akustycznemu p spełniającemu warunek: p lg = 1 gdzie p0 = 2 10 [ N m ] p 0 2 ICAO International Civil Aviation Organization Międzynarodowa Organizacja Lotnictwa Cywilnego. 3 FAR Federal Aviation Regulations (US) Federalne Przepisy Lotnicze. 4 Maksymalna masa startowa maksymalny ciężar całkowity samolotu do startu. 5 EPN - Effective Perceived Noise Level - efektywny poziom hałasu odczuwalnego. Jest to nowa jednostka przyjęta przez ICAO specjalnie do pomiaru hałasu emitowanego przez samolot. Jednostki [db] i [EPN db] różnią się tym, że dla tej drugiej metodyka pomiarów i przeliczeń jest zdecydowanie bardziej skomplikowana. 6 Ogólna ekspozycja hałasu całkowita energia dźwięku otrzymana w ciągu dnia w danym punkcie na ziemi. 7 Krzywa izofoniczna linia łącząca punkty o takiej samej ogólnej ekspozycji hałasu. T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 2

3 wydłużony jest wzdłuż niego w wyniku stosowanych kątów podejścia i wznoszenia samolotów. Obszary wokół lotnisk podzielone są na dwa lub trzy obszary uciążliwości hałasu. Pierwsza strefa obejmuje obszar występowania hałasu na poziomie 75 db, druga obejmuje obszar o poziomie 67 db, trzecia zaś strefa, jeżeli jest uwzględniana to zawiera obszar dopuszczalnego hałasu o natężeniu 52 db co pokazano na Rys Mapa przedstawiające przykładowy rozkład hałasu wokół lotniska. Strefy hałasu na lotnisku wojskowym w Krzesinach na terenie Poznania: Mapa. 1. Poziom równoważny hałasu w otoczeniu lotniska Krzesiny w porze dziennej skala 1: [7]. Mapa. 2. Zagrożenie hałasem na terenie Polski [8] Działania bierne ograniczające hałas. Dąży się do maksymalnego ograniczenia powierzchni dwóch pierwszych stref (patrz Rys. 3.) a ich przebieg wytycza się w ten sposób, aby obejmowały jak najmniej terenów o gęstej zabudowie. W tym celu T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 3

4 zmieniono procedury startu i lądowania. Nowe procedury mają tak dobrany tor lotu wznoszenia i podejścia do lądowania samolotu, aby nad obszarem chronionym był on na możliwie dużej wysokości i kontynuował lot w sposób zapewniający minimalną emisję hałasu. Sposób startu i lądowania dostosowany jest do rodzaju zabudowy otoczenia konkretnego lotniska. Obniża to w pewnym stopniu maksymalny poziom hałasu na powierzchni ziemi, ale przede wszystkim umożliwia zmniejszenie, nawet kilkakrotne, powierzchni najbardziej zagrożonych stref. Dodatkowo ustalono tzw. trasy minimalnego hałasu, łączące lotnisko z korytarzami powietrznymi. Trasy te wytyczone są nad obszarami mało zabudowanymi, parkami, terenami leśnymi itp. Stosuje się też zabezpieczenie personelu lotniska i pasażerów na terenie lotniska przed hałasem powodowanym pracą silników na ziemi. Stanowiska dla samolotów znajdujące się najbliżej budynków są tak zaprojektowane, by wyloty silników skierowane były w przeciwną stronę. Nie dokonuje się prób silników w porcie a na terenie bazy technicznej. Buduje się specjalne wały ziemne i ekrany akustyczne oraz stosuje się pasy zieleni. Wał zaproponowany przez ICAO ma 100m szerokości i 8m wysokości. Skuteczność wałów zwiększa się przez ich zadrzewienie. Przykładowy stopień tłumienia: - wał o szerokości 100m-obniża hałas o 25-30dB, - pas zieleni o szerokości 25-30m-obniża hałas o 10-12dB. Stosuje się też lotniskowe przewoźne tłumiki hałasu, które są podstawiane do wylotów i wlotów silników odrzutowych rys. 13. Działanie ich zbliżone jest do działania tłumików mechanicznych zabudowanych na silnikach. Wspomniane działania są tylko bierną obroną przed istniejącym hałasem i zmniejszają tylko uciążliwość lotniska dla otoczenia Działania czynne ograniczające hałas. Radykalne skutki daje dopiero bezpośrednie oddziaływanie na źródło hałasu, czyli silnik i elementy samego płatowca, czyli wypuszczone podwozie, otwarte pokrywy, elementy mechanizacji skrzydeł itp. Przy czym wyciszenie płatowca jest trudniejsze niż wyciszenie samego napędu. Zespołami podstawowymi wywołującymi hałas w silniku odrzutowym są: dysza wylotowa, turbina i sprężarka (wentylator, jeżeli silnik jest dwuprzepływowy co pokazano na Rys. 4.). Dysza i turbina emitują hałas w kierunku wylotu silnika, sprężarka emituje hałas w kierunku wlotu silnika, natomiast wentylator emituje hałas zarówno poprzez wlot jak i wylot. Dysza wytwarza częstotliwości niskie, turbina i sprężarka wytwarzają częstotliwości wysokie zbliżone do świstu. Rozróżnia się metody zwalczania hałasu silnika: - bierne czyli ograniczanie stopnia przedostawania się hałasu do otoczenia, - czynne czyli ingerencja w przyczyny powstawania tego hałasu. Odnośnie silników starszych, które są już w eksploatacji możliwe jest tylko oddziaływanie bierne polegające na stosowaniu specjalnych dźwiękochłonnych wykładzin w kanałach oraz polegające na stosowaniu mechanicznych tłumików hałasu Mechaniczne tłumiki hałasu. Mechaniczne tłumiki hałasu działają na zasadzie wymuszenia intensyfikacji mieszania spalin z powietrzem poprzez rozdrobnienie strumienia lub poprzez zassanie do niego dodatkowej masy powietrza z otoczenia. Istnieje wiele odmian tłumików rys. 5, najczęściej jednak spotyka się tłumiki wielorurowe powodujące podział strumienia spalin na kilkanaście mniejszych, co umożliwia w efekcie szybsze mieszanie się z powietrzem, interferencję akustyczną (wzajemne wyciszanie) między obszarami mieszania i zmianę częstotliwości na wyższą, ulegającą szybszemu wytłumieniu; sektorowe (z dyszami sektorowymi) działające na tej samej zasadzie, oraz eżektorowe powodujące zassanie powietrza z atmosfery i wymieszanie go ze spalinami. Stosuje się również dosyć często układy mieszane tłumików wielorurowych lub sektorowych z eżektorowymi. Zastosowanie tłumika zmniejsza hałas o 3-15 db, przy jednoczesnym wzroście masy napędu o 2-3 % i spadku ciągu o 2-4 %. Wyższe wielkości obniżenia hałasu przy jednocześnie niskich spadkach ciągu uzyskuje się przez zastosowanie tłumików eżektorowych dzięki rekompensacji obniżenia prędkości wypływu spalin dodatkową masą powietrza zasysaną do strumienia. Dosyć często w celu obniżenia hałaśliwości silników już eksploatowanych wytwórnie opracowują bardziej efektywne tłumiki, dostarczane jako zestawy do samodzielnego montażu przez linie lotnicze. Przykładem może być zestaw nazwany hush-kit, opracowany w 1974 r. przez Rolls-Royce. Spełnia on wymagania normy ICAO i jest przeznaczony dla silników Rolls-Royce Spey Mk DW. Podobne zestawy opracowywane są również obecnie. Np. na rys. 5a. pokazano specjalny kombinowany łopatkowo - eżektorowy tłumik dla silników do samolotu Concorde. W nowoczesnych konstrukcjach stosowane są zarówno bierne jak i czynne metody zwalczania hałasu. Na rys. 8. i rys. 8a. pokazano bierne zwalczanie hałasu dla silników Rolls-Royce. Na rys. 9. pokazano czynne zwalczanie hałasu dla silników Pratt & Whitney Wpływ wieńców łopatek i kierownic na hałas. Przyczyna powstawania hałasu emitowanego przez sprężarkę (wentylator) i turbinę jest taka sama, a T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 4

5 mianowicie pulsacje ciśnienia wynikające z przechodzenia każdego z wieńców łopatek przez strumień czynnika za poprzednim. Istnieją sposoby ograniczania tego zjawiska, całkowicie wyeliminować go jednak nie można, wynika to, bowiem ze sposobu pracy tych zespołów. Jedna z metod to zwiększenie odległości między wieńcami, co jest możliwe w bardzo ograniczonym zakresie, ze względu na zachowanie prawidłowości ich współpracy. Praktyczną realizacją tego zagadnienia jest usunięcie kratownic wlotowych w silnikach w silnikach wentylatorowych i odsunięcie wieńca kierownic wylotowych na dużą odległość od wirnika wentylatora Wpływ wentylatora na hałas. Dosyć skuteczną metodą jest również taka regulacja silnika, aby wymagany ciąg uzyskiwany był przy możliwie małej prędkości obrotowej wentylatora lub sprężarki. Efekt ten pozwalają z łatwością uzyskać trójwirnikowe silniki wentylatorowe (RB.211), w których prędkość obrotową wentylatora można zmniejszyć w trakcie podejścia do lądowania, bez zakłócenia pracy kolejnych stopni. Poziom hałasu obniża się wówczas o 3-4 db Wpływ sprężarki na hałas. Czasem również tak dobiera się prędkość przepływu powietrza na pierwszym stopniu sprężarki, aby utrudnić przedostawanie się hałasu pod prąd (w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu w silniku) jest to tzw. akustyczne zamknięcie wlotu Wpływ dyszy wylotowej na hałas. Głównym źródłem hałasu silników turboodrzutowych jest jednak dysza wylotowa. Przyczyną tego są intensywne pulsacje, wynikające z mieszania się z otaczającym powietrzem wypływającego z niej z dużą prędkością strumienia spalin. Natężenie hałasu zależy od różnicy prędkości między spalinami a otoczeniem, co powoduje, że w czasie lotu z dużymi prędkościami hałas jest mniejszy. Znaczenie tego zjawiska jest jednak minimalne dla ludności zamieszkującej tereny wokół lotnisk, gdyż w czasie startu i lądowania prędkość lotu jest właśnie niewielka. Nasuwającym się natychmiast rozwiązaniem jest zmniejszenie prędkości wylotowej spalin. Dla silnika jednoprzepływowego jest to jednak możliwe tylko wtedy, gdy jest on wyposażony w regulowaną dyszę; poprzez maksymalne jej rozwarcie. W każdym innym przypadku, przy stałym natężeniu przepływu powodowałoby to spadek ciągu Dwa rozwiązania konstrukcyjne silnika dwuprzepływowego pod względem ograniczenia hałasu. Radykalnym rozwiązaniem tego problemu stało się wprowadzenie silników dwuprzepływowych. Silnik ten pozwala zmniejszyć prędkość wypływu spalin, przy jednoczesnym wzroście natężenia przepływu, a więc bez zmniejszania ciągu. Prędkość wypływu spalin z kanału wewnętrznego jest w tym przypadku zawsze mniejsza niż z odpowiadającego mu silnika jednoprzepływowego, ze względu na odprowadzenie większej ilości energii do napędu wentylatora. Prędkość wypływu czynnika z kanału zewnętrznego jest natomiast bardzo mała, ponieważ wentylator powoduje jedynie niewielki spręż powietrza 8. Część wylotowa tych silników bywa konstruowana bądź w postaci dłuższej osłony kanału zewnętrznego niż wewnętrznego, tworzącej tzw. mieszalnik, bądź z krótkim kanałem zewnętrznym. W pierwszym przypadku spaliny zostają zmieszane z powietrzem wewnątrz silnika, przy czym znajdujące się w kanale wewnętrznym zawirowywacze powodują szybkie rozdrobnienie strumienia spalin i efektywniejszy proces mieszania. Prędkość wylotowa gazów jest wypadkową prędkości w kanale zewnętrznym i wewnętrznym. W drugim przypadku szybszy strumień wewnętrzny otoczony jest przez wolniejszy zewnętrzny, który ekranuje go i powoduje stopniowe mieszanie z otoczeniem. W obu przypadkach wynikiem jest obniżenie średniej prędkości wylotowej spalin, dzięki czemu silniki te są cichsze o ok db Przewaga silnika dwuprzepływowego nad jednoprzepływowym. Start i lądowanie samolotu odbywa się przy dwóch różnych zakresach pracy silnika. Przy starcie wymagany jest pełny ciąg, i wówczas decydującym źródłem hałasu jest w silniku jednoprzepływowym jest dysza wylotowa. Przy lądowaniu silnik pracuje na zmniejszonym ciągu, zwykle w granicach % ciągu maksymalnego. W tym zakresie pracy zmniejsza się nieco hałas powodowany dyszą, natomiast nabiera znaczenia wywoływany przez turbinę. Wprowadzenie silników dwuprzepływowych o małym stosunku natężeń przepływu spowodowało 8 Spręż powietrza jest to stosunek ciśnienia powietrza na wyjściu do ciśnienia powietrza na wejściu: (1) π = p 2 p H T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 5

6 zmniejszenie wpływu dyszy na wytwarzanie hałasu do wielkości uzyskiwanych przez dobre tłumiki w silniku jednoprzepływowym. Wadą ich jest natomiast zwiększony wpływ wentylatora na hałas przy pracy na małym ciągu podczas lądowania. Jednak w wyniku zmniejszania prędkości wylotowej spalin spadek poziomu hałasu od dyszy jest szybszy niż wzrost hałasu od wentylatora i całkowity hałas generowany przez silnik się zmniejsza. Z tego powodu dąży się do dalszego wzrostu stosunku natężeń przepływu w silnikach dwuprzepływowych. Obecnie stosuje się silniki wentylatorowe o dużym stopniu dwuprzepływowości 9 (tzn. powyżej 3), gdzie występuje układ jednostopniowy bez kierownic wlotowych i gdzie stopień kierownic wylotowych odsunięty jest daleko za płaszczyznę. W wyniku tego wyeliminowane jest wzajemne oddziaływanie wieńców łopatkowych. Opisane modyfikacje silników spowodowały powstanie najcichszych silników w historii napędu odrzutowego. Dynamikę zmian pokazano na rys. 6. oraz na rys. 6a. Na rys. 11. widać różnice pomiędzy silnikiem jedno- i dwuprzepływowym pod względem emitowanego hałasu Hałas w samolotach turbośmigłowych. W samolotach turbośmigłowych źródłem hałasu jest przede wszystkim praca śmigła. Wynika to z odrywania się strumienia powietrza na profilach łopat, z wirów spływających z końcówek oraz ze ściśliwości powietrza. W samolotach wielosilnikowych dodatkowo pojawia się hałas wywołany okresową zmianą natężenia z powodu nakładania się hałasu generowanego przez śmigła przy nierównych prędkościach obrotowych. Hałas zmniejsza się poprzez odpowiedni dobór czynników mających wpływ na jego natężenie oraz poprzez synchronizację pracy silników. Napęd turbośmigłowy pod względem hałasu jest korzystniejszy dla lotniska i jego otoczenia, ale jest poważnym problemem dla pasażerów. Na rys. 7. pokazano rozkład poziomu hałasu w takim samolocie. Częstotliwość dźwięków generowanych przez śmigło jest gorzej znoszona przez organizm człowieka niż ta generowana przez silnik turboodrzutowy. 3. Emisja spalin 3.1. Substancje szkodliwe emitowane z silników lotniczych. Paliwo dla silników turbinowych stanowi nafta z różnymi domieszkami. Komory spalania są wysokosprawne i zapewniają dużą efektywność przy małej emisji substancji szkodliwych do otoczenia. Substancje szkodliwe to głównie: - dwutlenek węgla, - tlenek węgla, - tlenki azotu, - dwutlenek siarki, - nie spalone węglowodory, - dym Średnie zużycie powietrza na 1 godzinę. Średnie zużycie powietrza w ciągu godziny: - człowiek 0,08kg, - samochód średniolitrażowy 55kg, - parowóz 32 t, - silnik odrzutowy t, przy czym w samym procesie spalania bierze udział t/h a reszta jest przepompowywana. Istotną rolę odrywa tutaj też ilość spalanego paliwa na jedną godzinę lotu przez dany samolot. Przykładowo B767 spala 5 t paliwa /h a Ił 86 spala 9 t paliwa /h Porównanie szkodliwości silników lotniczych z innymi rodzajami zanieczyszczeń. Silnik lotniczy jest jednym z najczystszych, jeżeli chodzi o emisję spalin rys.15. W Stanach Zjedno- 9 Stopień dwuprzepływowości jest to stosunek podziału strumieni, czyli stosunek masowego natężenia strumienia w kanale zewnętrznym do masowego natężenia strumienia w kanale wewnętrznym: o m II (2) µ = o m I T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 6

7 czonych przy bardzo intensywnym ruchu lotnictwo powoduje 3 % zanieczyszczeń (w tym 1 % lotnictwo komunikacyjne). Dla porównania transport samochodowy w tym kraju jest sprawcą 40 % zanieczyszczeń, a ciepłownictwo 20 %. Poza tym zanieczyszczenia z silników lotniczych rozcieńczają się bardzo szybko w olbrzymich masach powietrza w porównaniu z innymi typami zanieczyszczeń, które są raczej skumulowane w określonym miejscu. Skupiskami takimi są oczywiście tereny przemysłowe i duże miasta Zagrożenia ze strony silników lotniczych dla atmosfery. Emisja lotniczych silników jest natomiast bardzo groźna dla środowiska w lotach naddźwiękowych na wysokości km. Wynika to z tego, że emitowane tlenki azotu powodują katalityczny rozpad ozonu oraz z faktu, że emitowany dwutlenek siarki zmienia przezroczystość powietrza. Również loty samolotów długodystansowych na wysokościach km częściowo przyczyniają się do zmiany stanu atmosfery w tej czułej strefie. Jednak atmosfera posiada zdolność regeneracyjną i w ciągu następnej dekady lotnictwo nie zagraża jeszcze zbyt intensywnym zmianom składu atmosfery. Gorzej sprawa wygląda na terenie samych lotnisk. Rozkład wypływu spalin z silników odrzutowych przy ziemi pokazano na rys.14. Większość ulic największych miast posiada większe stężenie substancji szkodliwych niż lotniska, jednak mimo wszystko wprowadza się odpowiednie procedury ruchowe tak, aby samolot nie uruchamiał silników zbyt wcześnie oraz aby nie czekał na skołowanie do miejsca postoju zbyt długo Wprowadzane usprawnienia konstrukcyjne stosowanych silników lotniczych. Oprócz tego modyfikowane są cały czas komory spalania silników lotniczych np.: - komora o równoległych strefach spalania, - komora o spalaniu dwustrefowym szeregowym, - komora ze wstępnym przygotowaniem mieszanki, - komora z katalizatorami. Wizualnie silniki lotnicze z tego powodu są trochę krótsze od starszych modeli i mają nieco większą średnicę. Kierunki rozwoju komór spalania widać na rys. 12. Tabele 1-3 pokazują przykładowe dane statystyczne o emisji spalin z silników lotniczych, które zostały zebrane w ciągu ostatnich lat. T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 7

8 Rys.1. [4] T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 8

9 Rys.2. [4] Rys.4. [4] Rys.3. [4] Rys.5. [4] T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 9

10 Rys.5a. [4] Rys.6. [4] Rys.7. [4] Rys.6a. [4] T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 10

11 Rys.8. [4] Rys.8a. [4] Rys.9. [4] T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 11

12 Rys.10. [4] Rys.11. [5] T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 12

13 Rys.12. [4] Rys.13. [5] T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 13

14 Rys.15. [4] Rys.14. [5] Tab.1. POSTĘP W PODWYŻSZANIU SPRAWNOŚCI SPALANIA ORAZ OBNIŻANIU EMISJI W SILNIKACH TURBOODRZUTOWYCH [2]. L A T A Parametr h start [%] h bieg jałowy [%] CO [%] HC [%] NO x [%] Liczba zadymienia [%] CO g/kn HC g/kn NO x g/kn Tab.2. Wielkości emisji wybranych silników lotniczych [2]. Typ silnika Zastosowanie CO CO 2 [10 3 ] HC NO x PT Tłokowe lotnicze średnio ,4-3, ,1-8 Turboodrzutowe średnio , ,1-6 Limity EPA/ICAO [g/kn] ,6 PW-124B Start wznoszenie przelot dolot kołowanie ,3 38 9,6 16,8 LZ 17, T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 14

15 Tab.3. Zużycie paliwa w (kg) dla ważniejszych samolotów w poszczególnych fazach typowego lotu (a - g, patrz [3] strona 7). B B B ER B ER ATR-72 a b c d e f g Wyróżnia się następujące części składowe typowego lotu: - a) kołowanie przed startem, - b) start i wznoszenie do wysokości 1500 stóp, - c) wznoszenie do wysokości operacyjnej, - d) przelot na wysokości operacyjnej, - e) schodzenie do lądowania, - f) zbliżenie do lądowania i lądowanie, - g) kołowanie po wylądowaniu. Tab.4. Eksploatacyjne zakresy indeksów emisji silników lotniczych i trakcyjnych [3] strona 8. Wskaźnik emisji g/kg pal = kg/ton pal Emisja SSW TSB LSB LST CO CO HC NO x PT C SO SSW - szybkoobrotowe silniki wysokoprężne TSB - trakcyjne silniki benzynowe LSB - lotnicze silniki benzynowe LST - lotnicze silniki turboodrzutowe T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 15

16 4. Zakończenie Procedury antyhałasowe wprowadzone dla operacji startów i odlotów oraz dla operacji podejść i lądowań samolotów skutecznie zmniejszyły powierzchnię stref wysokiego hałasu wokół lotnisk. Jeżeli chodzi o osoby podróżujące to aktualnie w każdym samolocie pasażerskim fotele w środkowej części kadłuba blisko środka ciężkości i jednocześnie w pewnej odległości od silników są miejscem o najniższym poziomie hałasu. Jedynym wyjątkiem jest Concorde, gdzie wszyscy podróżujący wraz z załogą siedzą w strefie pomiędzy falą czołową, czyli dziobową a falą ogonową w locie naddźwiękowym. Dźwięki towarzyszące przekraczaniu bariery dźwięku i lotom naddźwiękowym nie zależą od hałasu emitowanego przez zespół napędowy poruszającego się źródła. Wszystkie nowe lotniska i terminale są budowane dla zapewnienia niskiego poziomu hałasu a już istniejące są modyfikowane pod tym kątem. Lotnictwo jako źródło zanieczyszczeń zagraża atmosferze, ale zagrożenie to jest o kilka rzędów wielkości niższe w porównaniu z innymi dziedzinami przemysłu, transportu i gospodarki. Obecnie są prowadzone intensywne badania nad nowymi typami paliwa do silników lotniczych w tym również nad ciekłym wodorem (LH 2 ), które to paliwo jest bardzo przyjazne dla środowiska. Literatura 1. Dzierżanowski Paweł, Kordziński Walerian, Łyżwiński Mieczysław, Otyś Jerzy, Szczeciński Stefan, Wiatrek Ryszard: Turbinowe silniki odrzutowe. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa Rozdział 10. Strony Ekert Karol, Jeż Marian: Emisja spalin silników lotniczych. Sprawozdanie Instytutu Lotnictwa Nr BT1.247/94. Część 1,Część 2. Strona 18-tabela nr 4 (Tab.1.), Strona 28-tabela nr 4 (Tab.2.), Strona 38-tabela nr 1 (Tab.3.). 3. Jeż Marian: Estymacja emisji spalin ważniejszych silników lotniczych użytkowanych w Polsce. Sprawozdanie Instytutu Lotnictwa Nr BT1.291/96. Strona 7-8-tabela nr 2 (Tab.3.), Strona 8-9-tabela nr 3 (Tab.4.). 4. Makowski Tomasz, Wojdalski Włodzimierz: Samoloty Transportowe i Komunikacyjne świata. Wydawnictwo Czasopism i Książek Technicznych SIGMA NOT, Warszawa Rozdział 7. Strony Rajpert Tadeusz: Hałas lotniczy i sposoby jego zwalczania. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa Strona 90-rys (Rys.11.), Strona 295-rys (Rys.13.), Strona 105-rys (Rys.14.). 6. Przewodniczący komitetu redakcyjnego prof. dr hab. inż. Szczeciński Stefan: Ilustrowany Leksykon Lotniczy NAPĘDY. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa Hałas-Strona 73. Spalanie- Strona strona główna na temat hałasu na lotnisku cywilnym na Ła- -wicy i na lotnisku wojskowym w Krzesinach na terenie Po- -znania, - mapa. 1, Pozostałe mapy dla okolic lotniska w Poznaniu znaleźć można na stronach internetowych: Dane zostały ściągnięte z sieci Internet dnia mapa. 2. Zagrożenie hałasem na terenie Polski. Dane zostały ściągnięte z sieci Internet dnia T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 16

17 AIRCRAFT AND THE ENVIRONMENT NOISE AND EXHAUST GAS EMISSION Tomasz KIJEWSKI Noise have an effects on human body and there are different levels of emission of the noise from varied sources. The are many reasons of introducing Annex 16 by ICAO or FAR 36 by FAA and there is one universal unit used to measure emitted level of noise. The specific arrangement of points to measure noise from aircrafts are applied. Many activities are used to remove the results of noise inside airports areas such as anti-noise procedures for airplanes, minimum noise routes, earthy shafts, acoustic screens, green strips, aerodrome noise suppressors. Also many activities to remove the reasons of noise within power transmission systems of the aircrafts are used such as mechanic noise suppressors, suitable distances between blade rings, maximum distance of outlet guide vanes from fan, the elimination of prestator blades, specific rotational speed of compressor, the acoustic close of the inlet to engine method, the reducing of exhaust velocity, the reducing of rotational speed of the fan. The reason of raising a noise in compressor, turbine, fan or in exhaust nozzle is the same and it is called pressure fluctuations. The noise of turboprop airplanes is a little different. The impact of noise in such aircrafts is worse to tolerate by human because of the frequency of sounds generated by turboprops are different than the sounds generated by jet engines. The level of harmful substances in exhaust emitted by aircrafts is low. The influence of aircraft engines on the atmosphere is complex. Use of modifications in combustors is one of the ways to reduce emission into the air. T. Kijewski Samolot a środowisko hałas i emisja spalin. TK - 17