ETA Vorlesung. Abgas- und Lärmemissionen von Flugzeugen
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- Otto Frank
- vor 8 Jahren
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1 ETA Vorlesung Abgas- und Lärmemissionen von Flugzeugen M. Pfitzner, LRT-10 Abgas- / LärmemissionenL
2 - Entwicklung Flugverkehr - Abgas- / Lärmproblematik - Funktionsweise Flugtriebwerk - Triebwerkskomponenten - thermodynamischer Wirkungsgrad - Verbrennungsprozess - Umsatzgleichung der vollständigen Verbrennung - Schadstoffe: NO x, CO, UHC, Ruß - Schadstoff-Entstehung / Umwandlung - Schadstoff-Emissions-Zulassungsvorschriften (ICAO) - zusätzliche Steuern / zukünftige Entwicklung Gliederung (1)
3 - Schall, Schalldruck, Lärm, Flugzeuglärm - Lärmeinstrahlung am Flughafen ( Footprint ) - Lärmquellen am Flugzeugrumpf / -flügel - Lärmquellen am Triebwerk - Strahllärm: Entstehungsmechanismus, Richtungs- / Frequenzverhalten - Lärmzulassungskriterien: FAR 36 - Lärmminderungsmaßnahmen: Flugzeug, Triebwerk Gliederung (2)
4 Entwicklung des Flugverkehrs (Stand: 1999)
5 Funktion und Komponenten von Flugtriebwerken
6 Flugtriebwerk mit Gondel und Schubumkehrer
7 Antrieb / Vortrieb Luftversorgung (Zelle / Anti-Icing-System) Stromversorgung Flugzeug (Boden: APU) Funktionen Flugtriebwerk
8 Überschall-Triebwerk (militärisch) Unterschall-Triebwerk (zivil) Triebwerkstypen
9 modernes Zivil-Flugtriebwerk
10 Gondel Nebenstromkanal Komponenten Flugtriebwerk
11 m c m h Gondel Nebenstromkanal Nebenstromverhältnis (bypass ratio): m BPR = m c h Nebenstrom-Verhältnis (bypass ratio, BPR)
12 Definition Wirkungsgrad: η th = (Netto-Leistung / Wärmezufuhr) maximal möglicher Wirkungsgrad (Carnot): η th = 1 T 2 / T 4 idealer Wirkungsgrad Gasturbine: T2 1 η th,gt = 1 = 1 T3 πv κ 1 κ Wirkungsgrad Gasturbine
13 Temperatur T T p = p κ 1 κ Luft: κ ~ Druck 1 2 p p 3 2 =π V 5 Kerntriebwerk Druck- und Temperaturverlauf (qualitativ)
14 Wirkungsgrad Fluggasturbine
15 Brennstoff: Kerosin Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, Summenformel ca. C 12 H 26 Schadstoffemissionen: Ruß / Rauch (feste Teilchen, engl.: soot) unverbrannte (nicht vollständig verbrannte) Kohlenwasserstoffe (flüssig und/oder gasförmig, engl. UHC = unburnt hydrocarbons) Kohlenmonoxid: CO, gasförmig Stickoxide: NO x = Gemisch aus NO und NO 2, gasförmig auch: CO 2, H 2 O (Dampf, Nebel, Eis), SO x, Öl Schadstoffe von Triebwerken
16 Wiederzünden Wandtemperatur Temperatur Austrittsprofil Magerverlöschen Emissionen: NOx Ruß CO UHC Fluggasturbine: Auslegungskriterien Brennkammer
17 Luft = 21% Sauerstoff (O 2 ) + 78% Stickstoff (N 2 ) + 1% Argon (Ar) % CO 2 (Volumenprozente) Argon in Stickstoff oder CO 2 eingerechnet Globale Umsatzgleichung: Brennstoff + Oxidator + inerte Stoffe Produkte + inerte Stoffe m 79 m m 79 CH + n+ O + N nco + HO+ n+ N n m Kerosin: n ~ 12, m ~ 26 Umsatzgleichung bei Kohlenwasserstoff-Verbrennung
18 Atomgewichte: C ~ 12, N ~ 14, O ~ 16, Ar ~ 44 Molgewichte: O 2 ~ 32, N 2 ~ 28, CO 2 ~ 44, H 2 O ~ 18, C 12 H 26 ~ 170 Luft (21 % O % N2 + 1 % Ar): 0.21 * * * 44 ~ 29 1 Kmol Luft = 22,7 m³ ~ 29 kg! vollständige Verbrennung: MolC12H Mole O Mole N Mole CO + Mole H O Mole N Vollständiger Umsatz von Kohlenwasserstoffen
19 1 kg Kerosin ~ 1 kg C 12 H 26 ~ 1/170 Kmol C 12 H 26 ~ Kmol C 12 H 26 benötigt: ( /4) / 170 ~ Kmol O kg O 2 ( /4) / 170 * (79% / 21%) ~ Kmol N kg N kg Luft produziert: 12 / 170 ~ Kmol CO kg CO 2 (26/2) / 170 ~ Kmol H 2 O kg H 2 O kg Produkte Edukte und Produkte bei Kerosin-Verbrennung
20 stöchiometrische Verbrennung: Luft- / Brennstoff-Mischung so, daß weder Sauerstoff noch Brennstoff übrigbleibt Kerosin: pro kg Brennstoff (C 12 H 26 ) genau 14,94 kg Luft (Φ = 1) Äquivalenzverhältnis Φ einer Luft- / Brennstoff-Mischung: x kg Kerosin in y kg Luft: Φ = (x/y) / 14,94 Φ= 1: stöchiometrische Verbrennung Φ > 1: fett, zuviel Brennstoff Φ < 1: mager, zuwenig Brennstoff Äquivalenzverhältnis
21 Φ < 1: mager Φ > 1: fett Verbrennungsgase als Funktion von Φ (Propan)
22 Brennkammer Eintrittstemperatur: T 3,max ~ K Verbrennungs-Spitzentemperaturen (Φ =1): T stöch. ~ K Brennkammer Austrittstemperatur: T 4,max ~ K Φ Austritt ~ typische Komponenten - Betriebstemperaturen
23 NO x : hohe Temperatur (> 1800 K), lange Verweilzeit (> einige ms) CO, UHC: fettes Gemisch, niedrige Temperatur (Löschen) Ruß / Rauch: Entstehung: sehr fette Zone, schnell Oxidation: mager, genügend heiß, lange CO 2 : nur durch besseren Wirkungsgrad Triebwerk / Flugzeug zu reduzieren (oder H 2 -reiche Brennstoffe) Entstehungsbedingungen Schadstoffe
24 Thermische NO - Produktionsrate
25 typische Abhängigkeit der Emissionen vom Schub
26 Flugzulassungs - Behörden
27 30%, 4 Min. 85%, 2.2 Min. 7%, 26 Min. 100%, 0.7 Min. D p / F oo = ( Gesamtemission Schadstoff [g] ) / ( Zulassungs-Schub [lb] ) Gewichteter Mittelwert des Schadstoffs [g] in Flughafennähe (kein Reiseflug), NO x, CO, UHC ICAO Triebwerkszulassung Schadstoff - Emissionen
28 NO x - Zulassungskriterien
29 CO - Zulassungskriterien
30 UHC - Zulassungskriterien
31 Ruß - Zulassungskriterien
32 NO x CO 2 -Schere
33 Zukünftige Entwicklungen Abgasemissionen: Verschärfung Richtlinien (ICAO, lokal) aber: Safety first Magerverbrennungs Technologie weitere Technologien: stationäre Gasturbinen: sehr scharfe Regulatorien (~ 1 ppm NO x!) (meist Gasverbrennung CH 4, Vorvermischung; BK-Instabilitäten!) Automotoren: - Dreiwege-Kat (Φ=1-Betrieb, λ-sonde) - Diesel: Rußfilter - Magermotoren (Speicher-Kat?) - Brennstoff-Zusätze, Vor- / Nachbehandlung, Super (Plus) Weitere Reduktion von Schadstoff-Emissionen
34 Schall - Lärm Flugzeug Lärm Lärmentstehung / -ausbreitung Zulassungsbedingungen Fluglärm
35 Lärm Footprint Lärmbelastung am Flughafen
36 Lärmanteile Triebwerk: Fan Strahl Turbinen Verbrennung Lärmanteile Flugzeugrumpf / -zelle: Fahrwerk Klappen Flügel (Hinterkante, Spitze) Leitwerk Lärmarten Flugzeug
37 Dezibel-Skala: Lärm-Intensitätsverhältnis L von Schalldruck p 1 zu Schalldruck p 0 : L (p 1 / p 0 ) = 10 log 10 (p 1 / p 0 ) [db] doppelter Schalldruck: L = 10 log 10 (2) ~ 3 db doppelt so laut ~ 10 db = 10-facher Schalldruck! Hörbereich: W/m² 1 W/m² 0 db: Hörschwelle 120 db ~ Schmerzgrenze Schallpegel zu Lautstärke
38 db (A) Skala: Frequenzabhängigkeit der Wahrnehmung db(a) - Skala
39 D. G. Crighton: 1958 One B707 at Take-Off generates the same sound intensity as the whole World s population (ca people) shouting coherently together 1988 One B767 at Take-Off generates the same sound intensity as London s population (ca people) shouting coherently together 30 db Reduction = Improvement in Environmental Protection! BUT: Radiated Acoustic Power * Time of Take-Off of B707 = Energy to cook one egg! Flugzeuglärm Schallintensität und Schallenergie
40 Engines Haupt Lärmquellen Flugzeug
41 Schlierenaufnahme Strahllärm Strahllärm
42 niederfrequenter Strahllärm hochfrequenter Scherschichtlärm Strahllärm Entstehung
43 Skalierungsparameter: Strouhal Zahl Str = f * D / (U s -U ) Strahllärm - Frequenzabhängigkeit
44 Strahllärm - Schalldruck ~ U 8 Richtungsabhängigkeit Strahllärm - Schalldruck
45 Aerodynamische Lärmerzeugung an Oberflächen (Fanlärm, Turbinenlärm)
46 Anteile Triebwerkslärm
47 FAR 36 Lärmzulassungsmessungen
48 PNL Berechnung: k = Zeitintervall N(k) = 0.85* n(k) * n(i, k) 24 i= 1 i: 24 Frequenzbänder n(i,k): perceived noisiness (Noy-Tabelle) n(k) Noy-gewichteter Maximalwert PNL(k)= log N(k) / log 2 PNL Definition
49 PNL (db) Perceived Noise Level (db Skala)
50 EPNL Messung Flugzustand: EPNL= PNL max + 10 log (t 10 /20) + F (db) wobei: PNL max = maximaler wahrgenommener Lärm bei Flugzustand in PNdB t 10 = Dauer (Sekunden) von max. Lärmpegels - 10 db F = Korrektur für Ton-Lärm (als störender als Breitbandlärm empfunden) In der Praxis ist F ~ +3 db. EPNL Definition
51 FAR 36 Zulassungsanforderung Start
52 FAR 36 Zulassungsanforderung Seite
53 FAR 36 Zulassungsanforderung Anflug
54 FAR 36 Zulassungsanforderung Start Triebwerksdaten
55 Lärmtest eines Triebwerks im Golfball
56 EPNL Berechnung aus Einzelschallquellen
57 Aircraft type MTOW (t) Engines Seating (max) Noise Take-Off Noise Lateral Noise Approach B ,0 98,3 103,3 MD ,9 95,9 103,8 A ,4 94,8 97,3 B ,3 95,8 99,4 A ,6 97,4 98,6 B ,2 97,0 100,2 A ,0 97,2 99,1 A ,5 96,0 98,6 B ,8 93,1 95,0 A ,4 94,5 95,4 A ,6 94,8 96,0 B ,0 89,0 97,0 Avro RJ ,3 88,4 97,3 Fokker ,4 89,3 93,1 Canadair RJ ,6 82,2 92,1 Lärmemissionen verschiedener Flugzeugtypen (Jet)
58 Boeing 777 Lärmanteile (verschiedene Triebwerke)
59 Anteile der Lärmquellen bei einem modernen Zivilflugzeug
60 Methoden zur Lärm Verminderung an Flugzeug und Triebwerk
61 m m c h Bypass Ratio: m BPR = m c h Gondel Nebenstromkanal Triebwerkslärm Abhängigkeit vom Nebenstromverhältnis
62 Messung zur Lokalisierung von Lärmquellen
63 Lokalisierung von Flügellärmquellen
64 Reduktion von Lärmquellen am Flugzeugrumpf / -flügel
65 Maßnahmen zur Reduzierung von Triebwerkslärm
66 Aktive Lärmreduktion von Fanlärm
67 Test von aktiver Lärmbeeinflussung (DLR)
68 Optimierung Flugbetrieb Erhöhung Nebenstromverhältnis (Fanlärm) längerer Einlauf / umfangreichere Dämmung (Fanlärm) aktive Lärmreduktion (Fanlärm) Vollgondel / intern gemischtes Triebwerk (Strahl-, Fanlärm) Mischung des Abgasstrahls - Mischer (Strahllärm) Auslegung für minimalen Turbinenlärm (Schaufelzahl, cut-off) Optimierung Klappen / Bürstendichtungen Fahrwerk (z.b. Verkleidung) Technologien für f r Reduktion von Fluglärm
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