ETA Vorlesung Abgas- und Lärmemissionen von Flugzeugen M. Pfitzner, LRT-10 Abgas- / LärmemissionenL
- 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)
- 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)
Entwicklung des Flugverkehrs 1968 2018 (Stand: 1999)
Funktion und Komponenten von Flugtriebwerken
Flugtriebwerk mit Gondel und Schubumkehrer
Antrieb / Vortrieb Luftversorgung (Zelle / Anti-Icing-System) Stromversorgung Flugzeug (Boden: APU) Funktionen Flugtriebwerk
Überschall-Triebwerk (militärisch) Unterschall-Triebwerk (zivil) Triebwerkstypen
modernes Zivil-Flugtriebwerk
Gondel Nebenstromkanal Komponenten Flugtriebwerk
m c m h Gondel Nebenstromkanal Nebenstromverhältnis (bypass ratio): m BPR = m c h Nebenstrom-Verhältnis (bypass ratio, BPR)
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
Temperatur T T p = p 3 3 2 2 κ 1 κ Luft: κ ~ 1.4 3 4 Druck 1 2 p p 3 2 =π V 5 Kerntriebwerk Druck- und Temperaturverlauf (qualitativ)
Wirkungsgrad Fluggasturbine
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
Wiederzünden Wandtemperatur Temperatur Austrittsprofil Magerverlöschen Emissionen: NOx Ruß CO UHC Fluggasturbine: Auslegungskriterien Brennkammer
Luft = 21% Sauerstoff (O 2 ) + 78% Stickstoff (N 2 ) + 1% Argon (Ar) + 0.03% 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 4 21 2 4 21 n m 2 2 2 2 2 Kerosin: n ~ 12, m ~ 26 Umsatzgleichung bei Kohlenwasserstoff-Verbrennung
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 % O2 + 78 % N2 + 1 % Ar): 0.21 * 32+0.78 * 28+0.01 * 44 ~ 29 1 Kmol Luft = 22,7 m³ ~ 29 kg! vollständige Verbrennung: 26 26 0.79 1MolC12H 26 + 12 + Mole O 2 + 12 + Mole N 2 4 4 0.21 26 26 0.79 12 Mole CO + Mole H O + 12 + Mole N 2 4 0.21 2 2 2 Vollständiger Umsatz von Kohlenwasserstoffen
1 kg Kerosin ~ 1 kg C 12 H 26 ~ 1/170 Kmol C 12 H 26 ~ 0.00588 Kmol C 12 H 26 benötigt: (12 + 26/4) / 170 ~ 0.1088 Kmol O 2 3.48 kg O 2 (12 + 26/4) / 170 * (79% / 21%) ~ 0.4093 Kmol N 2 11.46 kg N 2 14.94 kg Luft produziert: 12 / 170 ~ 0.0706 Kmol CO 2 3.106 kg CO 2 (26/2) / 170 ~ 0.0765 Kmol H 2 O 1.376 kg H 2 O 15.94 kg Produkte Edukte und Produkte bei Kerosin-Verbrennung
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
Φ < 1: mager Φ > 1: fett Verbrennungsgase als Funktion von Φ (Propan)
Brennkammer Eintrittstemperatur: T 3,max ~ 650 950 K Verbrennungs-Spitzentemperaturen (Φ =1): T stöch. ~ 2600 2900 K Brennkammer Austrittstemperatur: T 4,max ~ 1300 1900 K Φ Austritt ~ 0.3 0.4 typische Komponenten - Betriebstemperaturen
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
Thermische NO - Produktionsrate
typische Abhängigkeit der Emissionen vom Schub
Flugzulassungs - Behörden
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
NO x - Zulassungskriterien
CO - Zulassungskriterien
UHC - Zulassungskriterien
Ruß - Zulassungskriterien
NO x CO 2 -Schere
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
Schall - Lärm Flugzeug Lärm Lärmentstehung / -ausbreitung Zulassungsbedingungen Fluglärm
Lärm Footprint Lärmbelastung am Flughafen
Lärmanteile Triebwerk: Fan Strahl Turbinen Verbrennung Lärmanteile Flugzeugrumpf / -zelle: Fahrwerk Klappen Flügel (Hinterkante, Spitze) Leitwerk Lärmarten Flugzeug
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: 10-12 W/m² 1 W/m² 0 db: Hörschwelle 120 db ~ Schmerzgrenze Schallpegel zu Lautstärke
db (A) Skala: Frequenzabhängigkeit der Wahrnehmung db(a) - Skala
D. G. Crighton: 1958 One B707 at Take-Off generates the same sound intensity as the whole World s population (ca. 10 10 people) shouting coherently together 1988 One B767 at Take-Off generates the same sound intensity as London s population (ca. 10 7 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
Engines Haupt Lärmquellen Flugzeug
Schlierenaufnahme Strahllärm Strahllärm
niederfrequenter Strahllärm hochfrequenter Scherschichtlärm Strahllärm Entstehung
Skalierungsparameter: Strouhal Zahl Str = f * D / (U s -U ) Strahllärm - Frequenzabhängigkeit
Strahllärm - Schalldruck ~ U 8 Richtungsabhängigkeit Strahllärm - Schalldruck
Aerodynamische Lärmerzeugung an Oberflächen (Fanlärm, Turbinenlärm)
Anteile Triebwerkslärm
FAR 36 Lärmzulassungsmessungen
PNL Berechnung: k = Zeitintervall N(k) = 0.85* n(k) + 0.15* n(i, k) 24 i= 1 i: 24 Frequenzbänder n(i,k): perceived noisiness (Noy-Tabelle) n(k) Noy-gewichteter Maximalwert PNL(k)= 40.0+ 10 log N(k) / log 2 PNL Definition
PNL (db) Perceived Noise Level (db Skala)
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
FAR 36 Zulassungsanforderung Start
FAR 36 Zulassungsanforderung Seite
FAR 36 Zulassungsanforderung Anflug
FAR 36 Zulassungsanforderung Start Triebwerksdaten
Lärmtest eines Triebwerks im Golfball
EPNL Berechnung aus Einzelschallquellen
Aircraft type MTOW (t) Engines Seating (max) Noise Take-Off Noise Lateral Noise Approach B 747-400 386 4 524 99,0 98,3 103,3 MD 11 280 3 410 94,9 95,9 103,8 A 340-200 254 4 440 94,4 94,8 97,3 B 777-200 243 2 440 93,3 95,8 99,4 A 330-300 212 2 440 91,6 97,4 98,6 B 767-300 185 2 345 93,2 97,0 100,2 A 300-600 165 2 375 90,0 97,2 99,1 A 310-300 153 2 280 91,5 96,0 98,6 B 757-200 109 2 231 84,8 93,1 95,0 A 321-100 83 2 220 85,4 94,5 95,4 A 320-200 74 2 180 86,6 94,8 96,0 B 737-500 52 2 132 84,0 89,0 97,0 Avro RJ 85 44 4 112 84,3 88,4 97,3 Fokker 100 43 2 109 83,4 89,3 93,1 Canadair RJ 23 2 50 78,6 82,2 92,1 Lärmemissionen verschiedener Flugzeugtypen (Jet)
Boeing 777 Lärmanteile (verschiedene Triebwerke)
Anteile der Lärmquellen bei einem modernen Zivilflugzeug
Methoden zur Lärm Verminderung an Flugzeug und Triebwerk
m m c h Bypass Ratio: m BPR = m c h Gondel Nebenstromkanal Triebwerkslärm Abhängigkeit vom Nebenstromverhältnis
Messung zur Lokalisierung von Lärmquellen
Lokalisierung von Flügellärmquellen
Reduktion von Lärmquellen am Flugzeugrumpf / -flügel
Maßnahmen zur Reduzierung von Triebwerkslärm
Aktive Lärmreduktion von Fanlärm
Test von aktiver Lärmbeeinflussung (DLR)
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