RU2467360C1 - Method of forming model for predicting formation of condensation trails of aircraft with specific type of gas-turbine engine using quantitative indicators for formation of condensation trails and possibility of reducing impact of engine emission on greenhouse effect - Google Patents
Method of forming model for predicting formation of condensation trails of aircraft with specific type of gas-turbine engine using quantitative indicators for formation of condensation trails and possibility of reducing impact of engine emission on greenhouse effect Download PDFInfo
- Publication number
- RU2467360C1 RU2467360C1 RU2011121372/28A RU2011121372A RU2467360C1 RU 2467360 C1 RU2467360 C1 RU 2467360C1 RU 2011121372/28 A RU2011121372/28 A RU 2011121372/28A RU 2011121372 A RU2011121372 A RU 2011121372A RU 2467360 C1 RU2467360 C1 RU 2467360C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- engine
- formation
- temperature
- calculated
- aircraft
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of aviation and ecology and can be used to identify conditions for the adverse effect of aircraft engine emissions on climate change and to develop ways to reduce this effect.
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.Modern estimates of anthropogenic environmental impacts show that aviation makes a significant contribution to air pollution. The combustion products emitted by aircraft engines increase the concentration of carbon dioxide, water vapor, methane, nitrogen oxides, etc. and contain aerosols and particles, which in turn initiate the formation and development of cirrus clouds. As a result, all these factors increase the “greenhouse” effect of the atmosphere. In this context, the expected increase in air traffic may have a significant impact on the development, extent and frequency of cirrus cloud formation.
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.One of the most significant factors in the influence of aviation on the formation and development of cirrus clouds is the condensation trails (traces) of aircraft, which are formed as a result of condensation and freezing of water vapor contained in the exhaust jet of aircraft engines. Condleds are formed at the same heights as cirrus clouds, in structure they are close to them and they are even called artificial cirrus clouds (Cirrus tractus). According to estimates from the beginning of the 1990s, the area covered by the trail can be on average about 0.1% of the earth's surface, but varies greatly by region, and by 2050 it can be expected to increase to 0.5%. The expected increase will occur as a result of both an increase in air traffic and an increase in the efficiency of aircraft engines. But much more significant is that under appropriate meteorological conditions (increased humidity at low temperatures, usually below -40 ° C) in the upper layers of the troposphere and lower layers of the stratosphere, conduces can serve as a triggering mechanism (“trigger” effect) for formation and especially for intensive development of cirrus clouds existing near the route of the airway.
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.In order to reduce the level of pollution created by aviation (noise, emission of gaseous substances and aerosols), ICAO recommends promoting the introduction of, in addition to technical, additional means and methods (rules, restrictions) that contribute to reducing the harmful effects on the environment.
Кондследы образуются при определенном сочетании ряда факторов: давления p и температуры атмосферного воздуха tнв на соответствующей высоте Н, скорости полета Vucm, температуры выхлопных газов за турбиной Тт и за камерой смешения (при ее наличии), коэффициента избытка воздуха αкс (αсм).Tracks are formed with a certain combination of a number of factors: pressure p and atmospheric air temperature t нв at the corresponding height Н, flight speed V ucm , exhaust gas temperature behind the turbine Т т and behind the mixing chamber (if any), excess air coefficient α кс (α cm ).
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 енв - парциальное давление водяного пара атмосферного воздуха Ев, Ел - величины парциального давления насыщенного пара над водой и надо льдом, даны зависимости енв, Ев, Ел 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.As is known, the process of formation of condleds is described by the currently accepted Schmidt-Appleman hypothesis (model) (see Review-articfle article by Schumann U., Meteorol. Zeitschrift, February, 1996), a graphical interpretation of which is shown in Fig. 1, where e Нв - partial pressure of water vapor of atmospheric air Е в , Е л - values of the partial pressure of saturated steam above water and above ice, the dependences of е нв , Е в , Е л on temperature are given. Physically, during the cooling process of the mixed exhaust stream, a CS begins to form when the temperature of the stream drops to the dew point (point t ' in Fig. 1) and upon further cooling, vapor supersaturation occurs (above water), as a result of which condensate is released. This process continues until the humidity decreases due to further mixing of the jet with the surrounding air (dilution) to a value at which supersaturation stops despite a decrease in temperature (point t '' in Fig. 1). Subsequently, the trail continues to exist as long as the vapor pressure remains above the saturation pressure above the ice. When the vapor pressure drops below this value, the conductor rapidly evaporates.
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 H0гр. в работе не указан.The intensity of the formation of traces and their density (the so-called power) depends on the amount of supersaturation over water. In turn, the amount of supersaturation depends mainly on the temperature of the air and pressure (altitude). The angle of inclination of direct mixing also depends on the thermophysical characteristics of a particular type and design of the aircraft engine. Thus, it is practically possible to avoid the formation of stable traces by changing the flight altitude along the route. In the Impact of Cruise Altitude on Contrails, in the collection of publications of the conference “Proceedings of the AAC - Conference, June 30 to July 3, 2003, Fridrichshafen, Germany” by C. Fichter et al., Data are presented on the effect of changes in flight altitude on conductor formation and, accordingly, the thermal balance of the atmosphere in different seasons and on average per year. Thus, a decrease in altitude of 6,000 feet (1,800 m) relative to some base value leads to a decrease in the formation of condoms to 80% in July, to 20% in January and about 40% on average per year; an increase in altitude of 2,000 feet (600 m) increases conductor formation by ~ 25% in July, has little effect in January, and increases by a few percent on average per year. From these data it follows that a change in the level of the echelon can significantly affect the formation of condleds. A method for determining the boundary height of the formation of condoms H 0gr. not specified in the work.
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 Тсм.ср. между и Тсм (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).However, the Schmidt-Appleman model and subsequent modifications to this model assume a uniform mixing of the exhaust stream with atmospheric air. In this case, the total (inhibited) jet temperature T * is taken in the calculations. To verify the validity of the described model, the authors of the application performed a detailed numerical gas-dynamic calculation of the process of mixing the exhaust jet with the atmosphere based on the solution of the complete system of equations of gas dynamics taking into account turbulent mixing. The calculation results show that the gradient of change in humidity of the mixed jet (the tangent of the slope of the direct mixing), calculated at full temperature, is significantly underestimated in comparison with the gas-dynamic calculation (line 1 in figure 2). At the same time, the calculation performed for the static temperature of the jet gives a significantly overestimated value of the gradient (
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 tнв, парциальное давление водяного пара атмосферного воздуха енв, температуру газов за турбиной tT 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 hм, температуры tм 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 H0гр..Closest to the proposed method is the method contained in patent No. 2312379 of January 11, 2006, "A method for predicting the quantitative indicators of condensation traces emitted by aircraft engines, to assess their compliance with an environmentally acceptable level of emissions", in which the height H is measured in a cruise flight, pressure P, t outdoor temperature, the partial pressure of water vapor outside HB e, gas temperature after the turbine t T and the rotational speed of the engine type under test, calculating the temperature grad ent moisture mixed exhaust jet B 0 (slope of a straight line blending). The disadvantage of this method is that when calculating the parameters that determine the conditions for the formation of traces: temperature gradient of humidity B 0 , steam supersaturation index h m , temperature t m , etc. the temperature of the mixed jet is taken as for a one-dimensional mixing process, which, as shown above, can lead to an underestimated value of the total supersaturation index h ∑ , in addition, the effect of deviations of the temperature of the atmosphere from the ISA and the engine operation parameters on the temperature of the mixed jet is not taken into account, i.e. ultimately, by the value of the boundary height of formation of a stable conductor H 0gr. .
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.The expected technical result from the use of the present invention is the possibility of a more reliable and more accurate determination of the boundary height of formation of stable conductors for an aircraft with a specific type, design, and location scheme of gas turbine engines on an aircraft, which will make it possible to give recommendations for the type of aircraft under consideration to operate flights in the altitude range without the formation of sustainable trace, i.e. with minimal impact on the formation of the greenhouse effect.
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 tнв°С (TнвК), относительной влажности φнв,% атмосферного воздуха, скорости (числа М) полета, полной температуры газа за турбиной низкого давления частоты вращения ротора n - режима работы двигателя, расхода топлива GT, фиксации наличия или отсутствия образования конденсационных следов (КС), вычисление полной температуры газа за камерой смешения , вычисление температурного градиента влажности смешанной струи газа и атмосферы В0ср. - тангенса угла наклона «прямой смешения», вычисление парциального давления водяного пара в атмосфере hнв, Па, вычисление показателя пересыщения влажности при смешении струи газа с «сухой» атмосферой hм, вычисление количественного показателя суммарного пересыщения пара h∑=hм+hнв, дополнительно вычисляют среднюю температуру смешанной струи Тсм.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 Тсм.ср. и φнв 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 формулеTo achieve the expected technical result in the method of generating a forecast model for the formation of condensation traces (CS) of aircraft with a specific type of gas turbine engine using quantitative indicators for the formation of CS and the possibility of reducing the effect of engine emissions on the greenhouse effect, including the measurement in cruising flight of an aircraft with a specific type of gas turbine engine (GTE) parameters: altitude H, pressure p, outdoor temperature t nv ° C (T nv K), relative humidity φ nv ,% atmosp air, speed (number M) of flight, full gas temperature behind the low pressure turbine rotor speed n - engine operating mode, fuel consumption G T , fixing the presence or absence of the formation of condensation traces (CS), calculating the total gas temperature behind the mixing chamber , calculation of the temperature gradient of humidity of a mixed stream of gas and atmosphere B 0av. - the slope of the slope of the “direct mixing”, the calculation of the partial pressure of water vapor in the atmosphere h nv , Pa, the calculation of the moisture supersaturation index when mixing the gas stream with the “dry” atmosphere h m , the calculation of the quantitative indicator of the total vapor supersaturation h ∑ = h m + h HB , additionally calculate the average temperature of the mixed jet T see cm. according to the calculation results using a mathematical model of the flow fields during two-dimensional mixing of a gas jet and atmosphere, taking into account the flow around the engine nacelle and the change in the velocity of the mixed stream along the mixing length with further averaging of the values of T cm.s. and φ nv over the sections along the mixed jet and the construction of a “direct mixing” of a gas and atmosphere jet, similar to “direct mixing” for uniform mixing for a turbojet bypass engine with a mixing chamber according to the formula
- статическая температура газа за камерой смешения двигателя. - static gas temperature behind the engine mixing chamber.
Вычисляют температурный градиент влажности в смешанной струе В0ср. для заданных значений высоты и скорости полета самолета с учетом характеристик конкретного типа двигателя по формулеCalculate the temperature gradient of humidity in the mixed stream B 0av. for given values of the height and speed of the aircraft, taking into account the characteristics of a particular type of engine according to the formula
Mn - относительная масса паровыделения, равная 0,084 кг/кг, p и Tнв - давление и температура, соответствующие международной стандартной атмосфере (МСА) на расчетной высоте Н, αсм - коэффициент избытка воздуха за камерой смешения задается на основании расчетных характеристик двигателя.M n is the relative mass of vapor emission equal to 0.084 kg / kg, p and T nv are the pressure and temperature corresponding to the international standard atmosphere (ISA) at the calculated height N, α cm - the excess air coefficient behind the mixing chamber is set based on the calculated characteristics of the engine.
Вычисляют температуру tм.cp., соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе по формулеCalculate the temperature t m.cp. corresponding to the maximum supersaturation of the vapor in the mixed stream according to the formula
Вычисляют для каждой заданной высоты суммарный количественный показатель пересыщения пара по формулеFor each given height, the total quantitative indicator of steam supersaturation is calculated by the formula
E(tм.ср.) - парциальное давление насыщенного пара при температуре tм.ср.; - парциальное давление пара при температуре tнв; φнврасч. - относительная влажность атмосферного воздуха, равная 60%, которая соответствует насыщению надо льдом, что является условием образования устойчивых КС.E (t m.s. ) - the partial pressure of saturated steam at a temperature t m.s. ; - partial vapor pressure at a temperature t nv; φ nvrasch. - relative humidity of atmospheric air equal to 60%, which corresponds to saturation above ice, which is a condition for the formation of stable CS.
По рассчитанным значениям h∑ для соответствующих заданных высот Н при Tнв=ТнвМСА строят графическую зависимость h∑=f(H), затем вычисляют величину граничной высоты образования КС Н0гр.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 Tсм.ср. с учетом особенностей конкретного самолета с конкретным типом двигателя.Based on the calculated values of h ∑ for the corresponding given heights of H at T nv = T nvMSA, a graphical dependence h ∑ = f (H) is constructed, then the value of the boundary height of the formation of KS H 0g.MSA is calculated , which is determined from the condition h ∑ load calculation. = 0. Then calculate the indicator of the total supersaturation of moisture h спexp. For each specific experiment, taking into account the measured parameters in flight, according to formulas 1-4, taking into account the specific type of engine, the boundary value of the total supersaturation index h ∑гр.exp. for a particular type of engine in magnitude h спexp. calculated in the presence and absence of a CS. Compare the values of the indicators h ∑gr.calc. and h ∑group exp. : with difference h ∑gr.exp. by h Σgr.rasch. = 0 clarify the calculation of T cm. taking into account the characteristics of a particular aircraft with a specific engine type.
Для ТРДД без камеры смешения:For turbofan engines without a mixing chamber:
- среднюю температуру смешанной струи Тсм.ср. вычисляют по формуле- the average temperature of the mixed jet T cm.s. calculated by the formula
m - степень двухконтурности двигателя задается на основании расчетных характеристик двигателя;m - the bypass ratio of the engine is set based on the design characteristics of the engine;
температурный градиент влажности в смешанной струе В0ср. для заданных значений высоты и скорости полета самолета с учетом характеристик конкретного типа двигателя вычисляют по формулеtemperature gradient of humidity in a mixed stream B 0av. for given values of the height and speed of the aircraft, taking into account the characteristics of a particular type of engine, is calculated by the formula
- αТНД - коэффициент избытка воздуха на выходе из турбины низкого давления задается на основании расчетных характеристик двигателя;- α HP - the coefficient of excess air at the outlet of the low pressure turbine is set based on the design characteristics of the engine;
- показатель суммарного пересыщения влажности h∑эксп. для каждого конкретного эксперимента с учетом замеренных параметров в полете вычисляют по формулам 5, 6, 3, 4.- the indicator of the total supersaturation of humidity h спexp. for each specific experiment, taking into account the measured parameters in flight, it is calculated by the
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.Thus, it is possible to more reliably and more accurately determine the boundary height of formation of stable condoms for an aircraft with a specific type, design, and layout of gas turbine engines and identify the adverse effects of aircraft engine emissions on climate change and develop ways to reduce this effect.
Предлагаемый способ поясняется чертежами:The proposed method is illustrated by drawings:
на фиг.1 показаны прямые смешения при охлаждении выхлопной струи в атмосфере;figure 1 shows direct mixing during cooling of the exhaust stream in the atmosphere;
на фиг.2 показано состояние струи в координатах «температура - парциальное давление»;figure 2 shows the state of the jet in the coordinates "temperature - partial pressure";
на фиг.3 - показатель пересыщения пара смешанной струи;figure 3 is an indicator of the supersaturation of the vapor of the mixed stream;
на фиг.4 - представлены результаты эксперимента для определения граничного значения показателя суммарного пересыщения пара;figure 4 - presents the results of the experiment to determine the boundary value of the index of total supersaturation of steam;
на фиг.5 - приведена граница образования устойчивых КС.figure 5 - shows the boundary of the formation of stable CS.
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
В крейсерских полетах на различных высотах измеряют давление р, температуру наружного воздуха tнв°С (ТнвК), относительную влажность φнв,% атмосферного воздуха, скорость (число М) полета, полную температуру газа за турбиной низкого давления частоту вращения ротора n (режим работы двигателя), расход топлива GT. С использованием этих данных по расчетным характеристикам конкретного двигателя определяют полную температуру газа за камерой смешения , вычисляют среднюю температуру смешанной струи Tсм.ср.. Способы вычисления средней температуры струи несколько различаются для ТРДД с камерой и без камеры смешения:In cruising flights at various altitudes, pressure p, outdoor temperature t nv ° C (T nv K), relative humidity φ nv ,% of atmospheric air, flight speed (number M), total gas temperature behind the low-pressure turbine are measured rotor speed n (engine operation mode), fuel consumption G T. Using these data, the total gas temperature behind the mixing chamber is determined from the design characteristics of a particular engine , calculate the average temperature of the mixed jet T cm cf. . The methods for calculating the average temperature of the jet are somewhat different for turbofan engines with and without a mixing chamber:
- для турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) с камерой смешения внутреннего и наружного контуров по формуле- for a turbojet bypass engine (turbofan engine) with a chamber for mixing internal and external circuits according to the formula
- статическая температура газа за камерой смешения двигателя; - static gas temperature behind the engine mixing chamber;
- для ТРДД без камеры смешения- for turbofan engines without mixing chamber
m - степень двухконтурности двигателя задается на основании расчетных характеристик двигателя, вычисляют температурный градиент влажности смешанной струи газа и атмосферы B0ср. m - the bypass ratio of the engine is set based on the calculated characteristics of the engine, calculate the temperature gradient of humidity of the mixed gas stream and the atmosphere B 0 av.
- для ТРДД с камерой смешения по формуле- for turbofan engines with a mixing chamber according to the formula
- для ТРДД без камеры смешения по формуле- for turbofan engines without mixing chamber according to the formula
Мn - относительная масса паровыделения, равная для применяемого в настоящее время авиатоплива 0,084 кг/кг, р и Тнв - давление и температура, соответствующие международной стандартной атмосфере (МСА) на расчетной высоте Н, αТНД - коэффициент избытка воздуха на выходе из турбины низкого давления задается на основании расчетных характеристик двигателя, αсм - коэффициент избытка воздуха за камерой смешения задается на основании расчетных характеристик двигателя, вычисляют температуру tм.ср., соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе (см. фиг.3) по формулеM n is the relative mass of steam, equal to 0.084 kg / kg for currently used aviation fuel, p and T nv are the pressure and temperature corresponding to the international standard atmosphere (MCA) at the estimated height H, α HPP is the coefficient of excess air at the turbine exit low pressure is set on the basis of the calculated characteristics of the engine, α cm is the coefficient of excess air behind the mixing chamber is set on the basis of the calculated characteristics of the engine, the temperature t m.s. corresponding to the maximum supersaturation of steam in a mixed stream (see figure 3) according to the formula
вычисляют для каждой заданной высоты суммарный показатель пересыщения пара по формулеcalculate for each given height the total indicator of steam supersaturation according to the formula
Е(tм.ср.) - парциальное давление насыщенного пара при температуре tм.ср., - парциальное давление водяного пара в атмосфере, φнврасч. - 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, Tнв=ТнвМСА, строят графическую зависимость h∑=f(H) и из условия h∑гp.расч.=0 определяют величину граничной высоты образования КС Н0гр.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 Тсм.ср с учетом особенностей конкретного самолета с конкретным типом двигателя.E (t m.s. ) - the partial pressure of saturated steam at a temperature of t m.s. , - partial pressure of water vapor in the atmosphere, φ nvrasch. - the relative humidity of atmospheric air, equal to 60%, which corresponds to saturation above ice, which is a condition for the formation of stable conductors, using the calculated values of h ∑ for the corresponding given heights H at a temperature corresponding to the ISA, T nv = T nvMSA , build a graphical dependence h ∑ = f (H) and from the condition h ∑гp.calc. = 0 determine the value of the boundary height of the formation of CS N 0g.MSA in a standard atmosphere, then calculate the index of total moisture supersaturation h спexp. , for each specific experiment, taking into account the measured parameters in flight according to formulas 1-6, taking into account the specific type of engine, determine the boundary value of the indicator of the total supersaturation of steam h ∑group.exp. for a specific type of engine, compare the values of the indicators h ∑gr.calc. and h ∑gr.exp. : with difference h ∑gr.exp. by h Σgr.rasch. Refine T cm.sr taking into account the characteristics of a particular aircraft with a specific engine type.
ПримерExample
Прогнозируется величина показателя суммарного пересыщения, характеризующая условия образования конденсационных следов, при полетах на высотах 8…13 км для оценки граничной высоты образования КС.The total supersaturation indicator is predicted, which characterizes the conditions for the formation of condensation traces when flying at altitudes of 8 ... 13 km to estimate the boundary height of the formation of the spacecraft.
На указанных высотах выполнены измерения давления (Р) и температуры (tнв) атмосферного воздуха, температуры газов за турбиной (tT), частоты вращения (оборотов) двигателей, расход топлива, парциальное давление пара в окружающем воздухе (eнв). На основании этих данных и расчетных характеристик данного типа двигателя определены коэффициент избытка воздуха (αсм) и полная температура смешанной струи на срезе сопла двигателя.At the indicated heights, measurements were made of pressure (P) and temperature (t nv ) of atmospheric air, gas temperature behind the turbine (t T ), engine speed (revolutions), fuel consumption, partial vapor pressure in ambient air (e nv ). Based on these data and the calculated characteristics of this type of engine, the coefficient of excess air (α cm ) and the total temperature are determined mixed jet at the nozzle exit of the engine.
Полученные данные приведены в таблице 1.The data obtained are shown in table 1.
Вычисляем показатель пересыщения пара в смешанной струе h∑ We calculate the supersaturation index of the mixed jet h ∑
где градиент изменения парциального давления пара в смешанной струе (тангенс угла наклона линии смешения) вычисляем по формуле:where the gradient of the partial vapor pressure in the mixed stream (the tangent of the angle of inclination of the mixing line) is calculated by the formula:
где Мn - относительная масса паровыделения, равная 0,084 кг/кг, EВ(tм) - парциальное давление насыщенного пара над водой при температуре tм; температуру tм, соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе, определяем по формулеwhere M n is the relative mass of steam equal to 0.084 kg / kg, E B (t m ) is the partial pressure of saturated steam above water at a temperature of t m ; temperature t m , corresponding to the maximum supersaturation of steam in a mixed stream, is determined by the formula
tм=9,142·lnB0ср.-45,57°С.t m = 9.142 lnB 0 avg. -45.57 ° C.
Зависимость EВ от температуры имеется в справочной и специальной литературе, а также с удовлетворительной точностью аппроксимируется формулой Магнуса The dependence of E B on temperature is available in the reference and specialized literature, and is also approximated with satisfactory accuracy by the Magnus formula
где а=7,63 и в=241,9; Тсм.ср. - средняя температура смешанной струи определяется по формулеwhere a = 7.63 and b = 241.9; T see average - the average temperature of the mixed jet is determined by the formula
где - статическая температура газа за камерой смешения двигателя, вычисляют температурный градиент влажности в смешанной струе В0ср. для заданных значений высоты и скорости.Where - the static temperature of the gas behind the mixing chamber of the engine, calculate the temperature gradient of humidity in the mixed stream In 0 av. for given values of height and speed.
Результаты расчетов сведены в таблицу 2 и представлены на фиг.4.The calculation results are summarized in table 2 and are presented in figure 4.
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.According to the results of the experiment, presented in figure 4, determine the boundary value of the indicator of the total supersaturation of steam h ∑gr.express. . As can be seen from figure 4, h ∑gr.exp. ≈0, i.e. condensation traces are formed at h ∑gr.exp. > 0, for h ∑group exp. ≤0 - condensation traces are very weak or absent.
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 (енв), равному насыщению надо льдом при соответствующей температуре, что является условием образования устойчивых КС.To determine the boundary height of the formation of CS, the calculation of the indicators of the total supersaturation of steam h ∑ calc. at altitudes of 9, 10, 11 km according to the design characteristics of this engine in a standard atmosphere according to the formulas 1 ... 3; the relative humidity for the calculations is taken to be 60%, which corresponds to the partial pressure of the vapor in the ambient air (e nv ), equal saturation is necessary with ice at the appropriate temperature, which is the condition for the formation of stable CS.
Полученные данные приведены в таблице 3 и на фиг.5.The data obtained are shown in table 3 and figure 5.
Вычисляют величину граничной высоты образования КС Н0гр.МСА, которая определяется из условия h∑гр.расч.=0, что соответствует границе образования устойчивых конденсационных следов. В данном примере H0гр.МСА≈10,3 км.Calculate the value of the boundary height of the formation of KS N 0gr.MSA , which is determined from the condition h ∑gr.calc. = 0, which corresponds to the boundary of the formation of stable condensation traces. In this example, H 0g . MSA ≈10.3 km.
Claims (1)
- 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 В0ср 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 Мn - относительная масса паровыделения, равная 0,084 кг/кг, p и Тнв - давление и температура, соответствующие международной стандартной атмосфере (МСА) на расчетной высоте Н, αсм - коэффициент избытка воздуха за камерой смешения задается на основании расчетных характеристик двигателя;
- без камеры смешения по формуле:
где αтнд - коэффициент избытка воздуха на выходе из турбины низкого давления задается на основании расчетных характеристик двигателя;
вычисляют температуру tсм.ср, соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе по формуле:
вычисляют для каждой заданной высоты суммарный количественный показатель пересыщения пара по формуле:
где Е(tсм.ср) - парциальное давление насыщенного пара при температуре tсм.ср; - парциальное давление пара при температуре tнв; φнв.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 Тнв=Тнв.МСА строят графическую зависимость h∑=f(H), затем вычисляют величину граничной высоты образования КС Н0гр.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 Тсм.ср с учетом особенностей конкретного самолета с конкретным типом двигателя. A method for generating a forecast model for the formation of condensation traces of aircraft with a specific type of gas turbine engine using quantitative indicators for the formation of condensation traces and the possibility of reducing the effect of engine emissions on the greenhouse effect, including measuring cruise flight of an aircraft with a specific type of gas turbine engine (GTE) of parameters: height H, pressure p, the outdoor temperature t ° C HB (T nv K) φ relative humidity HB% air, the speed (Mach number) field and full gas temperature for the low-pressure turbine LPT t ° C , rotor speed n - engine operating mode, fuel consumption G T , fixing the presence or absence of the formation of condensation traces (CS), calculating the total gas temperature behind the mixing chamber , calculation of the temperature gradient of humidity of a mixed stream of gas and atmosphere В 0av - the slope of the direct mixing angle, calculation of the partial pressure of water vapor in the atmosphere h нв , Pa, calculation of the supersaturation index when mixing the gas stream with a “dry” atmosphere h M , calculation total score supersaturation h Σ = h M + h HB, characterized in that the calculated average temperature of the mixed stream sm.sr T to be calculated using a mathematical model of the flow fields when the two-dimensional cm shenii jet of gas and the atmosphere within the engine nacelle and the flow velocity of the mixed flow changes along the length of the mixing with a further averaging the values of T and φ sm.sr HB loft along miscible jet and construction "direct mixing" of the gas jet and the atmosphere similar to the "direct mixing" with uniform mixing for a turbojet bypass engine (turbofan engine), depending on the presence or absence of a mixing chamber:
- with a mixing chamber according to the formula:
Where - static gas temperature behind the engine mixing chamber;
- without mixing chamber according to the formula:
where m is the bypass ratio of the engine is set based on the design characteristics of the engine;
calculate the temperature gradient of humidity in the mixed stream B 0 cp for the given values of the height and speed of the aircraft, taking into account the characteristics of a particular type of engine depending on the presence or absence of a mixing chamber:
- with a mixing chamber according to the formula:
where M n is the relative mass of vapor emission equal to 0.084 kg / kg, p and T nv are the pressure and temperature corresponding to the international standard atmosphere (ISA) at the calculated height N, α cm is the excess air coefficient behind the mixing chamber is set based on the calculated characteristics of the engine ;
- without mixing chamber according to the formula:
where α tnd - the coefficient of excess air at the outlet of the low pressure turbine is set based on the design characteristics of the engine;
calculate the temperature t cm.sr , corresponding to the maximum supersaturation of the vapor in the mixed stream according to the formula:
calculate for each given height the total quantitative indicator of steam supersaturation according to the formula:
where E (t cm cf ) is the partial pressure of saturated steam at a temperature of t cm cf ; - partial vapor pressure at a temperature t nv ; φ nv.calc — the relative humidity of atmospheric air equal to 60%, which corresponds to saturation above ice, which is a condition for the formation of stable CS;
from the calculated values of h ∑ for the corresponding given heights H at T nv = T nv.MSA, a graphical dependence h ∑ = f (H) is built, then the value of the boundary height of the formation of CS N 0 gr.MSA is calculated , which is determined from the condition h ∑ gr. = 0, then the total calculated rate of supersaturation humidity h Σeksp for each experiment with the parameters measured in flight by formulas 1-4 with the particular type of engine, determine limit value indicator total supersaturation h Σgr.eksp for a particular type move in! ator largest h Σeksp calculated with the existence and absence of the COP values are compared Σgr.rasch parameters h and h Σgr.eksp: the difference Σgr.eksp h from h = 0 Σgr.rasch clarify the calculation of T sm.sr taking into account the characteristics of a particular aircraft with a specific engine type.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011121372/28A RU2467360C1 (en) | 2011-05-27 | 2011-05-27 | Method of forming model for predicting formation of condensation trails of aircraft with specific type of gas-turbine engine using quantitative indicators for formation of condensation trails and possibility of reducing impact of engine emission on greenhouse effect |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011121372/28A RU2467360C1 (en) | 2011-05-27 | 2011-05-27 | Method of forming model for predicting formation of condensation trails of aircraft with specific type of gas-turbine engine using quantitative indicators for formation of condensation trails and possibility of reducing impact of engine emission on greenhouse effect |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2467360C1 true RU2467360C1 (en) | 2012-11-20 |
Family
ID=47323349
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011121372/28A RU2467360C1 (en) | 2011-05-27 | 2011-05-27 | Method of forming model for predicting formation of condensation trails of aircraft with specific type of gas-turbine engine using quantitative indicators for formation of condensation trails and possibility of reducing impact of engine emission on greenhouse effect |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2467360C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2532995C1 (en) * | 2013-05-14 | 2014-11-20 | Открытое акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" | Formation of model for forecasting of airliner gas turbine engine condensation trails (ct) and condensation fleecy clouds (cfc) with help of ct and cfc formation quantitative statistic for ecologic optimization of airliner flights in various world zones and reduction on engine emission influence on hothouse effects |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0622639A3 (en) * | 1993-04-30 | 1995-11-22 | Ibm | Meteorological workstation. |
EP1008867A3 (en) * | 1998-12-10 | 2001-10-04 | Honeywell Inc. | Aircraft turbulence encounter reporting system |
RU2286588C2 (en) * | 2005-02-18 | 2006-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Лётно-исследовательский институт им. М.М. Громова" | Method of estimation of conditions of forming condensation trails by aircraft with different types of engines |
RU2271315C9 (en) * | 2003-11-12 | 2007-01-20 | Открытое акционерное общество "ОКБ Сухого" | Method of aircraft air-conditioning and system for control of this process |
RU2312379C9 (en) * | 2006-01-11 | 2008-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова" | Method of predicting quantitative parameters of condensation trails emitted by aircraft engines for estimation of their compliance with permisible ecological level of emissions |
-
2011
- 2011-05-27 RU RU2011121372/28A patent/RU2467360C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0622639A3 (en) * | 1993-04-30 | 1995-11-22 | Ibm | Meteorological workstation. |
EP1008867A3 (en) * | 1998-12-10 | 2001-10-04 | Honeywell Inc. | Aircraft turbulence encounter reporting system |
RU2271315C9 (en) * | 2003-11-12 | 2007-01-20 | Открытое акционерное общество "ОКБ Сухого" | Method of aircraft air-conditioning and system for control of this process |
RU2286588C2 (en) * | 2005-02-18 | 2006-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Лётно-исследовательский институт им. М.М. Громова" | Method of estimation of conditions of forming condensation trails by aircraft with different types of engines |
RU2312379C9 (en) * | 2006-01-11 | 2008-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова" | Method of predicting quantitative parameters of condensation trails emitted by aircraft engines for estimation of their compliance with permisible ecological level of emissions |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2532995C1 (en) * | 2013-05-14 | 2014-11-20 | Открытое акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" | Formation of model for forecasting of airliner gas turbine engine condensation trails (ct) and condensation fleecy clouds (cfc) with help of ct and cfc formation quantitative statistic for ecologic optimization of airliner flights in various world zones and reduction on engine emission influence on hothouse effects |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11530651B2 (en) | Staged combustion | |
Kinsey et al. | Physical characterization of the fine particle emissions from commercial aircraft engines during the Aircraft Particle Emissions eXperiment (APEX) 1–3 | |
Jeßberger et al. | Aircraft type influence on contrail properties | |
Bulzan et al. | Gaseous and particulate emissions results of the NASA alternative aviation fuel experiment (AAFEX) | |
Markowski et al. | Model to assess the exhaust emissions from the engine of a small aircraft during flight | |
Yu et al. | Evaluation of PM emissions from two in-service gas turbine general aviation aircraft engines | |
Gawron et al. | Measurement of exhaust gas emissions from miniature turbojet engine | |
RU2467360C1 (en) | Method of forming model for predicting formation of condensation trails of aircraft with specific type of gas-turbine engine using quantitative indicators for formation of condensation trails and possibility of reducing impact of engine emission on greenhouse effect | |
Harlass et al. | Measurement report: In-flight and ground-based measurements of nitrogen oxide emissions from latest generation jet engines and 100% sustainable aviation fuel | |
Pawlak et al. | Determination of CO2 emissions for selected flight parameters of a business jet aircraft | |
Clark et al. | Liquid Water Content Instrumentation Study at the NRC AIWT | |
RU2379718C1 (en) | Method to forecast cirrus cloud formation caused by cruising aircraft with gas turbine engines | |
RU2286588C2 (en) | Method of estimation of conditions of forming condensation trails by aircraft with different types of engines | |
RU2312379C9 (en) | Method of predicting quantitative parameters of condensation trails emitted by aircraft engines for estimation of their compliance with permisible ecological level of emissions | |
Davison et al. | Validation of a Compact Isokinetic Total Water Content Probe for Wind Tunnel Characterization at NASA Glenn Icing Research Tunnel and at NRC Ice Crystal Tunnel | |
Casalino et al. | Lattice Boltzmann based aeroacoustic simulation of turbofan noise installation effects | |
Califf et al. | Use of a turbofan engine to measure ice crystal cloud concentration in-flight | |
Weijun et al. | Calculation and analysis of pollutants during takeoff and landing based on airborne data | |
Markowski et al. | Evaluation of relations operating and ecological parameters of turbine engines | |
RU2006141934A (en) | METHOD FOR DETERMINING THE TURBINE OF A TURBOREACTIVE TWO-CIRCUIT ENGINE | |
RU2532995C1 (en) | Formation of model for forecasting of airliner gas turbine engine condensation trails (ct) and condensation fleecy clouds (cfc) with help of ct and cfc formation quantitative statistic for ecologic optimization of airliner flights in various world zones and reduction on engine emission influence on hothouse effects | |
Hervy et al. | Improvement of an altitude test facility capability in glaciated icing conditions at DGA Aero-engine Testing | |
Li et al. | Influence of fuel composition, engine power and operation mode on exhaust gas particulate size distribution and gaseous emissions from a gas turbine engine | |
Broeren et al. | Additional Large-Drop Ice Accretion Test Results for a Large Scale Swept Wing Section from January 2022 | |
Hervy | New SLD Icing Capabilities at DGA Aero-E ngine Testing |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170528 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180913 |