Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol. 10, 3-4 EXHAUST POLLUTANT IN HELICOPTER S TAKE-OFF AREA Krzysztof Brzozowski, Akademia Techniczno-Humanistyczna, 43-309 Bielsko-Biała ul. Willowa 2, tel./fax +48 (0-33) 8100095, kbrzozowski@ath.bielsko.pl Wojciech Kotlarz Wyższa Szkoła Oficerska Sił Powietrznych, 08-521 Dęblin, tel. +48 (0-81) 8837430, fax +48 (0-81) 8837418, wojtekk@wsosp.deblin.pl Abstract. The paper presents the exhaust pollutant in helicopter s take-off area during the typical flights in Polish Air Force Academy. The terrain shape and the characteristic climate for Dęblin airport were included. Data on emission of exhaust pollutant were obtained by measurements. Each helicopter is treated as an individual, moving point source of emission. The finite element volume method is used to solve the problem of exhaust pollutant dispersion. Results of computer simulation are presented. SKAŻENIA POWIETRZA WYSTĘPUJĄCE NA POLU WZLOTÓW ŚMIGŁOWCÓW WYWOŁANE PRACĄ SILNIKÓW TURBINOWYCH Streszczenie. W artykule przedstawiono skażenia powietrza występujące na polu wzlotów śmigłowców wywołane pracą turbinowych silników śmigłowcowych. Rozpatrzono charakterystyczne dla Wyższej Szkoły Oficerskiej Sił Powietrznych w Dęblinie warianty ustawienia śmigłowców do lotów szkolnych z uwzględnieniem typowych zadań i warunków lotniska. Śmigłowce potraktowano jako pojedyncze źródła emisji o zmiennym natężeniu. Rozkłady stężeń otrzymano w oparciu o model numeryczny rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń wykorzystujący metodę objętości skończonych. 1. Ogólna organizacja i ustawienie śmigłowców do lotów Od jesieni 2002r w Wyższej Szkole Oficerskiej Sił Powietrznych loty śmigłowców (podstawowym śmigłowcem WSOSP jest Mi-2) odbywają się z lotniska Dęblin. Loty wykonują aktualni piloci oraz podchorążowie kierowani na szkolenie praktyczne w powietrzu. Śmigłowce umieszczone są na linii startu (ustawienie związane jest z aktualnym kierunkiem wiatru - rys.1 przedstawia ustawienie dla kierunku 118 i zbliżonych) w odległościach około 50 metrów od siebie. Do uruchomień silników używa się zazwyczaj 2 lub 3 samochodowych urządzeń rozruchowych (LZZ). Każde z LZZ uruchamia nie więcej, niż 3-4 śmigłowce. W zależności od rodzaju wykonywanych zadań oraz od liczby śmigłowców biorących udział w lotach, linia startu może zostać rozłożona na kilka sposobów [1,2]: jeżeli śmigłowce mają do wykonania loty po kręgu, do strefy lub loty po trasie to linia startu składa się tylko z bramek (rys.1). Bramkę tworzą dwie chorągiewki ustawione w odległości 10 15 metrów. Bramki rozłożone są na jednej prostej, odległość między nimi wynosi około 50 metrów - nie mniej niż dwie średnice wirnika śmigłowców biorących udział wlotach; w przypadku wykonywania lotów grupowych lub w szykach wyznacza się bramki wysunięte odległość między bramkami również wynosi około 50 metrów, ale bramki rozłożone są przemiennie w dwóch liniach odległych od siebie o 50 metrów; w wypadku wykonywania nauki manewrów i zwrotów w zawisie wyznaczane są
miejsca zwane kwadratami wybrane bramki, rozbudowane są do kwadratu o wymiarach 50x50m. Śmigłowce wykonują w nich: starty i lądowania, zawisy, poziome przemieszczenia, obroty na niewielkiej wysokości nie przekraczając wyznaczonego chorągiewkami obszaru (rys.2). Rys. 1. Ustawienie śmigłowców do lotów The helicopter s position to flights Rys. 2. Ustawienie śmigłowców do nauki manewrów i zwrotów w zawisie The helicopter s position to school training flights close to ground Biorąc pod uwagę zadania lotnicze realizowane w WSOSP oraz skażenia powietrza występujące na polu wzlotów śmigłowców wywołane pracą silników turbinowych
(najdłuższy czas pracy śmigłowców stojących na płaszczyźnie lotniska lub wykonujących zawisy) rozpatrzono trzy najbardziej charakterystyczne warianty przygotowania do lotów i ich przebiegu (dwa warianty obliczeniowe): Próby przedlotowe; Uruchomienia i rozlot śmigłowców; Uruchomienia, wyloty i wykonywanie manewrów w kwadratach. 1.1. Próby przedlotowe, uruchomienia i rozlot śmigłowców. Próby przedlotowe Śmigłowce umieszczone są w jednej linii (rys.1). Uruchomienie rozpoczynają śmigłowce stojące w bramkach 1, 5, 8 (licząc od lewej strony linii lewej strony rysunku), a następnie 2, 6, 9, itd. W chwili uruchamiania w 3, 7 i 10 bramce, śmigłowce 1, 5 i 8 wykonują już próbę w zawisie (sprawdzenie sterowności śmigłowca na wysokości kilku metrów), a śmigłowce 2, 6 i 9 znajdują się na zakresie biegu jałowego (MG). Uruchomienie śmigłowca odbywa się średnio co 3 5 minut, ponieważ do czasu uruchomienia obu silników należy doliczyć czas podłączenia i odłączenia LZZ do/od śmigłowca oraz czas przejazdu od jednej do drugiej bramki. Na każdym ze śmigłowców wykonuje się taką samą próbę - przebieg w czasie i utrzymywane parametry. Różne są tylko czasy początków uruchomień poszczególnych śmigłowców i ich silników. Próba przedlotowa ma następujący przebieg czasowy [2,3]: a) 0 0 0 40 rozruch pierwszego silnika (zakresy przejściowe, do uzyskania prędkości obrotowej MG); b) 0 45 1 25 rozruch drugiego silnika; w tym czasie pierwszy silnik jest podgrzewany na zakresie MG (n TS = 57 ±3 % obr/min max); po uruchomieniu drugiego silnika LZZ jest odłączany i przemieszcza się do następnej bramki; c) 1 25 3 00 podgrzewanie silników (sprawdzenie urządzeń płatowca, instalacji, przyrządów pilotażowo-nawigacyjnych itp.) obydwa silniki pracują na zakresie MG (n TS = 57 ±3 % obr/min max); d) 3 00 3 15 zwiększanie obrotów silników do zakresu mocy startowej (przyspieszanie silnika) (n TS = 96 % obr/min max; P = 294,2-5,8 kw); e) 3 15 8 00 próba w zawisie (sprawdzenie sterowania śmigłowca, poprawności pracy instalacji i przyrządów pilotażowo-nawigacyjnych) (n TS = 96 % obr/min max; P = 294,2-5,8 kw); f) 8 10 10 00 lądowanie i chłodzenie silników na ziemi po próbie, przygotowanie do wyłączenia śmigłowca; obydwa silniki pracują na zakresie MG (n TS = 57 ±3 % obr/min max). Średni czas próby 10 minut. Podgrzewanie silników w okresie zimowym jest dłuższe o około 1-2 minuty niż w lecie. Chłodzenie silników do wyłączenia w lecie może odbywać się 1-2 minuty dłużej niż w zimie. Uruchomienia i rozlot śmigłowców Ustawienie jak dla próby przedlotowej (rys.1). Uruchomienia i rozlot odbywają się najczęściej nie w kolejnych bramkach, ale w zależności od zgłoszonych gotowości załogi śmigłowców wykonują pojedyncze zadania typu lot po kręgu, wylot do strefy itp. Przykładowa schemat rozruchów może być następujący: rozpoczynają śmigłowce stojące w bramkach 1, 5 i 8, a następnie 2, 6 i 9, itd. Uruchomienia odbywają się zazwyczaj z akumulatorów pokładowych - tylko w przypadku nieudanego uruchomienia, używane jest LZZ. Po uruchomieniu śmigłowce pracują na zakresie MG, czekając na zgodę na start. Start odbywa się z konieczną separacją śmigłowców tzn. z zachowaniem koniecznej przerwy czasowej tak, aby śmigłowce wykonujące np. lot po kręgu nie przebywały w zbyt bliskiej odległości. Zazwyczaj stosuje się kilkunastosekundową separację. Kolejność startu
odpowiada zazwyczaj kolejności uruchomień (tzn. 1, 5 i 8 itd.), lecz nie jest to regułą. Tego typu loty mają zazwyczaj następujący przebieg czasowy [2,3]: a i b) - bez zmian; c) 1 25 2 00 podgrzewanie silników obydwa silniki pracują na zakresie MG (n TS = 57 ±3 % obr/min max), Podgrzewanie trwa krócej ze względu na krótki czas przerwy w pracy silnika (od wyłączenia po próbie przedlotowej upłynęło nie więcej jak 30 minut). Sporadycznie zdarza się jednak iż czas wydłuża się, ponieważ ze względu na aktualną sytuację w powietrzu śmigłowiec po uruchomieniu oczekuje na zgodę do startu przez kilka minut; d) 2 00 2 15 zwiększanie obrotów silników do zakresu mocy startowej -przyspieszanie silnika (n TS = 96 % obr/min max; P = 294,2-5,8 kw); e) od 2 15 start śmigłowca do wykonywania zadania (n TS = 96 % obr/min max; P = 294,2-5,8 kw). Wznoszenie i nabieranie prędkości, a następnie po wejściu na krąg (w zależności od wykonanego zadania) lot po kręgu, do strefy lub na trasę. 1.2. Uruchomienia, wyloty i wykonywanie manewrów w kwadratach. Uruchomienia do lotów i rozlot odbywają się podobnie jak w pkt.1.1. z tą różnicą, że na linii startu cztery bramki zamienione są na kwadraty 50x50m (rys.2.). Wykonywane są w nich manewry w zawisie według schematu: po uruchomieniu i podgrzaniu silników śmigłowiec wykonuje zawis. Następnie na zakresie startowym (n TS = 96 % obr/min max; P = 294,2-5,8 kw) przez 5-6 minut realizuje się serię manewrów (obroty i poziome przemieszczania śmigłowca) w obrębie kwadratu. Potem śmigłowiec ląduje i na zakresie MG chłodzi silniki 5 minut i znów wykonuje zadanie w zawisie. Taki schemat wykonywany jest kilkukrotnie, a następnie śmigłowiec zwalnia kwadrat wykonując lot po kręgu. Jego miejsce w kwadracie zajmuje inny śmigłowiec, który według powyższego schematu wykonuje zadanie w kwadracie itd. Tego typu loty mają zazwyczaj następujący przebieg czasowy [2,3] (dla śmigłowców w bramkach): a i b) - bez zmian; c) 1 25 2 00 podgrzewanie silników obydwa silniki pracują na zakresie MG (n TS = 57 ±3 % obr/min max). Podgrzewanie trwa krócej - krótki czas przerwy w pracy silnika; d) 2 00 2 15 zwiększanie obrotów silników do zakresu mocy startowej (przyspieszanie silnika) (n TS = 96 % obr/min max; P = 294,2-5,8 kw); e) 2 15 7 30 wznoszenie śmigłowca na wysokość kilku metrów i wykonywanie zadania w kwadracie wiszeń śmigłowiec wykonuje serię manewrów i przemieszczanie w obrębie kwadratu (n TS = 96 % obr/min max; P = 294,2-5,8 kw); f) 7 30 12 30 lądowanie i chłodzenie silników na zakresie MG (n TS = 57 ±3 % obr/min max); g) czynności z punktów e) i f) powtarzane są 3-4 razy; h) po wykonaniu zadania w kwadracie wiszeń następuje start śmigłowca (n TS = 96 % obr/min max; P = 294,2-5,8 kw) - wznoszenie i nabieranie prędkości, a następnie po wejściu na krąg (w zależności od wykonanego zadania) lot po kręgu, do strefy lub na trasę. 2. Stężenia zanieczyszczeń powietrza emitowanych podczas pracy turbinowych silników lotniczych Modele deterministyczne rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w powietrzu bazują na równaniu adwekcji dyfuzji wyprowadzonym w oparciu o prawo zachowania masy. Równanie adwekcji dyfuzji w ogólnej formie może być zapisane w postaci [4,5,6]:
φ 2 + U φ + φ U = D φ + I, (1) t gdzie φ oznacza stężenie zanieczyszczenia w punkcie o współrzędnych ( x, y, z), U jest wektorem prędkości powietrza, φ U oznacza turbulentny strumień stężeń, D jest współczynnikiem dyfuzji molekularnej, I uwzględnia możliwość występowania źródeł emisji oraz przemian chemicznych, osiadania i pochłaniania zanieczyszczeń. Głównym problemem w modelowaniu rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń pozostaje określenie intensywności wymiany masy poprzez strumień wywołany ruchami turbulentnymi ośrodka. Klasyczny sposób domknięcia równania adwekcji dyfuzji polega na wprowadzeniu na zasadzie analogii do prawa Ficka hipotezy proporcjonalności turbulentnego strumienia stężeń do gradientu stężenia średniego. Równanie (1) można zatem zapisać w postaci: φ 2 + U φ µ φ = D φ + I. (2) t Ponieważ współczynnik dyfuzji molekularnej D jest pomijalnie mały w porównaniu ze współczynnikami dyfuzji turbulentnej [6], otrzymuje się: gdzie µ ma na diagonali niezerowe elementy φ + U φ = µ φ + I, (3) t ( ) µ, x, µ y µ z (współczynniki dyfuzji turbulentnej atmosfery odpowiednio w kierunku x, y, z ). Zastosowana metoda domykania równania adwekcji-dyfuzji jest metodą domykania na poziomie pierwszego rzędu. Modele z domknięciem pierwszego rzędu nazywane są również modelami teorii K lub modelami teorii gradientów. Do rozwiązania równania (3) można użyć różnych kilku metod dyskretyzacji. Najbardziej popularnymi są: metoda różnic skończonych (MRS), metoda elementów skończonych (MES) oraz metoda objętości skończonych (MOS). W prezentowanym artykule model numeryczny zbudowano w oparciu o metodę objętości skończonych [7]. Po scałkowaniu równania (3) po poszczególnych objętościach kontrolnych otrzymano układ równań różniczkowych zwyczajnych. Układ zdekomponowano względem zmiennych przestrzennych co pozwoliło na zwiększenie efektywności numerycznej algorytmu. Szczegółowy opis dla zastosowanej metody objętości skończonych w tym sposoby definiowania warunków brzegowych znaleźć można w pracy [5]. Model rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń, wymaga określenia dwu podstawowych parametrów, determinujących proces dyspersji w powietrzu: prędkości wiatru U i współczynników dyfuzji turbulentnej µ. W pracy wykorzystano tzw. preprocesor meteorologiczny, wyznaczający pionowe profile wiatru, współczynniki dyfuzji i rozkłady temperatur w oparciu o teorię podobieństwa warstwy przyziemnej Monina-Obuchova [4,6,8]. Do opisu emisji związków szkodliwych spalin zastosowano model pozornych źródeł punktowych, dyskretyzujący smugę zanieczyszczeń wyrzucanych z silników śmigłowców. Każdy śmigłowiec potraktowano jako chwilowe źródło zanieczyszczeń o zmiennym natężeniu. Natężenie emisji dla prędkości obrotowych innych niż te dla których było zdeterminowane pomiarowo, wyznaczano w oparciu o wielomian aproksymacyjny zbudowany w bazie Czebyszewa i normę w sensie najmniejszych kwadratów [9].
Opracowane algorytmy umożliwiają prognostyczne obliczanie stężeń takich składników spalin jak tlenek węgla czy węglowodory. Prezentowane natomiast w artykule wyniki dotyczą wyłącznie obliczonego rozkładu stężeń tlenku węgla (CO) na wybranej wysokości ponad płytą lotniska. 3. Wyniki obliczeń Dla przeprowadzenia obliczeń wykonano plan rejonu lotniska - uwzględniający ukształtowanie terenu, rozmieszczenie przeszkód terenowych (ich kształt i wysokość) zarówno w obrębie lotniska jak i w jego najbliższym otoczeniu. W celu odtworzenia warunków klimatycznych wykonano lotniczo klimatyczną charakterystykę lotniska Dęblin dla ostatnich 5-ciu lat. Na jej podstawie określono najczęściej występują warunki atmosferyczne dla trzech pór roku: lata, zimy i jesienio-wiosny. Ponieważ pilotów wojskowych przygotowuje się do wykonywania zadań w każdych warunkach, obliczenia przeprowadzono dla dnia i w nocy - uwzględniając zachowywanie się powierzchniowej warstwy atmosfery. (tab.1) Tab.1. Charakterystyczne warunki klimatyczne lotniska Dęblin The characteristic climate for Dęblin airport Okres / pora Temperatura [ 0 C] Prędkość wiatru [m/s] Kierunek wiatru Ciśnienie [hpa] Dzień Noc Dzień Noc Dzień Noc Dzień Noc ZIMA 1 0,5 2,9 2,4 W/SW W/SW 1001,7 1001,8 JESIENIO- 7,3 4,5 3,4 2,4 W E 1000,5 1000,6 WIOSNA LATO 18,1 13,6 2,8 1,5 W/NW E 1000,8 1000,9 Rys. 3. Koncentracja CO na lotnisku podczas próby przedlotowej śmigłowców dotyczy chwili w której występuje maksymalna suma stężeń w rozpatrywanym obszarze Instantaneous calculated concentration of carbon monoxide Dane poziomów emisji składników toksycznych spalin silników śmigłowca Mi-2 (dwa silniki) uzyskano podczas próby silnika GTD-350 zabudowanego na hamowni Akademii
Marynarki Wojennej w Gdyni. W badaniach wykorzystano komputerowy system pomiarowy emisji spalin wylotowych opracowany w Instytucie Technicznej Eksploatacji Okrętów AMW. Jego podstawę stanowią analizatory spalin firmy HORIBA serii MEXA-9000. Rys. 4. Koncentracja CO na lotnisku podczas próby przedlotowej śmigłowców wartość średnia stężeń w czasie podczas prób wszystkich śmigłowców (t = 1400s) Averaged calculated concentration of carbon monoxide Rys. 5. Koncentracja CO na lotnisku podczas lotów i wykonywaniu manewrów śmigłowców w kwadratach - dotyczy chwili w której występuje maksymalna suma stężeń w rozpatrywanym obszarze Instantaneous calculated concentration of carbon monoxide Na rys. 3 i 4 przedstawiono wyniki obliczeń na wysokości około 2 metrów ponad płytą lotniska dla próby przedlotowej śmigłowców i warunków atmosferycznych zgodnych z
panującymi podczas badań na hamowni w AMW (t H = 3 0 C, p H = 1040 hpa) oraz dla stanu atmosfery typowego dla świtu lub zmierzchu - brak wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią ziemi a atmosferą. Przyjęto wiatr z kierunku N z prędkością 1,5 m/s. Na rys. 5 i 6 przedstawiono z kolei wyniki obliczeń dla lotów i wykonywania manewrów śmigłowców kwadratach w czasie lata podczas dnia dla warunków atmosferycznych zgodnie z Tab.1 obliczonych również dla wysokości około 2 metrów ponad płytą lotniska. Rys.6. Koncentracja CO na lotnisku podczas lotów i wykonywaniu manewrów śmigłowców w kwadratach - wartość średnia w czasie trwania zadania. Averaged calculated concentration of carbon monoxide 4. Podsumowanie i wnioski Wszystkie przeprowadzone obliczenia prognostyczne z braku szczegółowych danych o wymianie ciepła pomiędzy powierzchnią ziemi, a atmosferą wykonano w oparciu o założenie stałej wartości strumienia ciepła dla danej pory dnia. Następnie iteracyjnie wyznaczono parametry skalujące w oparciu o zmodyfikowany algorytm w stosunku do zaprezentowanego w pracy [5]. Analiza wyników obliczeń prognostycznych uzyskanych dla tlenku węgla, dla różnych wariantów ustawień śmigłowców na płycie lotniska jednoznacznie wskazuje na większe prawdopodobieństwo powstawania dużej koncentracji CO w powietrzu w warunkach lotów nocnych. Można to tłumaczyć mniejszą średnią prędkością wiatru w porównaniu z prędkością w czasie dnia dla danego okresu roku oraz warunkami panującymi w przyziemnej warstwie atmosfery. W warunkach nocnych (dla przyjętej równowagi stałej) rozpraszanie poprzez ruchy turbulentne jest zdecydowanie słabsze co nie sprzyja zmniejszaniu stężeń, a jedynie umożliwia unoszenie stężonych zanieczyszczeń na większe odległości. W takich warunkach, w przypadku słabych wiatrów lub cisz dopuszczalne 30-minutowe średnie wartości stężeń substancji zanieczyszczających powietrze mogą być przekroczone. Mając jednak na uwadze, że dane meteorologiczne z których korzystano w obliczeniach dotyczą wartości uśrednionych,
nie należy wykluczać możliwości wystąpienia wysokich stężeń zanieczyszczeń również podczas dnia w warunkach równowagi chwiejnej atmosfery. % dopuszczalnego stężenia CO 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 Jesieniowiosna (W) Lato (NW) Lato (W) Zima (SW) Zima (W) Rys.7. Różnica procentowa pomiędzy obliczonym średnim stężeniem 30-minutowym a stężeniem dopuszczalnym w danych warunkach meteorologicznych podczas dnia Relative percentage deviation of CO concentrations for different meteorological data (daytime) in relation to the permissible 30-minute concentration of CO 140 % dopuszczalnego stężenia CO 120 100 80 60 40 20 0 Jesienio-w iosna (E ) L a to (E ) Z im a (S W ) Zim a (W ) Rys.8. Różnica procentowa pomiędzy obliczonym średnim stężeniem 30-minutowym a stężeniem dopuszczalnym w danych warunkach meteorologicznych podczas nocy Relative percentage deviation of CO concentrations for different meteorological data (night-time) in relation to the permissible 30-minute concentration of CO Stężenia maksymalne obliczone podczas poszczególnych zadań lotniczych wskazują próby przedlotowe, jako to zadanie dla którego prognozowane wartości są większe lub co najmniej równe odpowiednio w każdym z rozpatrywanych przypadków. Niemniej jednak, to druga z realizowanych prób związana jest z dłuższym czasem ekspozycji obsługi naziemnej na związki szkodliwe spalin. Wykonane obliczenia umożliwiają w tym przypadku określenie średnich wartości 30 minutowych. Na rys.7 i rys.8 odniesiono procentowo obliczone podczas wykonywania manewrów w kwadratach maksymalne wartości stężenia CO w
analizowanym obszarze (uśrednione dla czasu 30 minut) dla poszczególnych warunków meteorologicznych w stosunku do wartości 30-minutowego stężenia dopuszczalnego. Analiza danych przedstawionych na rys.7 i rys.8 potwierdza istnienie większego prawdopodobieństwa przekraczania wartości stężenia dopuszczalnego w niektórych miejscach na płycie lotniska w warunkach nocnych. Uzyskane w pracy wyniki należy traktować jako punkt wyjścia do dalszych badań i analiz. Niemniej jednak wprowadzenie reguły wykonywania lotów z bramek wysuniętych jest wskazane. Prace wykonano w ramach projektu badawczego Nr OT00C00921, finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w Warszawie. Literatura: [1] Instrukcja użytkowania lotniska i rejon lotów. Dęblin 2003 [2] Śmigłowiec Mi-2. Metodyka szkolenia lotniczego. DWL Warszawa 1979 [3] Opis techniczny dla silnika GTD-350 dla śmigłowca Mi-2. WSK PZL-Rzeszów 1978 [4] Zannetti P. :Air pollution modeling. Theories, computational methods and available software. Van Nostrand Reinhold, New York 1990 [5] Brzozowska L., Brzozowski K., Wojciech S.: Computational Modelling of car Pollutant Dispersion. WN Śląsk, Katowice 2001 [6] Sorbjan Z.: Turbulencja i dyfuzja w dolnej atmosferze. PWN, Warszawa 1983 [7] Shaw C.T. :Using Computational Fluid Dynamics. Prentice Hall 1992 [8] COST Action 710 - Final report: Harmonisation of the pre-processing of meteorological data for atmospheric dispersion models. Luxemburg 1998 [9] Legras J.: Praktyczne metody analizy numerycznej. WNT Warszawa 1971