Basiswissen Luft- und Raumfahrt - Universität der Bundeswehr

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UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
ETA – Vorlesung
„Abgas- und Lärmemissionen von Flugzeugen“
M. Pfitzner, LRT-10
Abgas- / Lärmemissionen
- Entwicklung Flugverkehr - Abgas- / Lärmproblematik
- Funktionsweise Flugtriebwerk
- Triebwerkskomponenten
- thermodynamischer Wirkungsgrad
- Verbrennungsprozess
- Umsatzgleichung der vollständigen Verbrennung
- Schadstoffe: NOx, 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
c
m
h
m
Gondel
Nebenstromkanal
Nebenstromverhältnis (bypass ratio):
c
m
BPR =
h
m
Nebenstrom-Verhältnis (bypass ratio, BPR)
Definition Wirkungsgrad: ηth = (Netto-Leistung / Wärmezufuhr)
maximal möglicher Wirkungsgrad (Carnot):
idealer Wirkungsgrad Gasturbine:
ηth = 1 – T2 / T4
ηth,GT = 1 −
Wirkungsgrad Gasturbine
κ−1
⎞ κ
⎛ 1
T2
= 1− ⎜
⎟
π
T3
⎝ V⎠
κ−1
⎞ κ
T3 ⎛ p3
=⎜ ⎟
T2 ⎝ p 2 ⎠
Temperatur
Luft: κ ~ 1.4
3
p3
= πV
p2
Druck
1
4
5
2
Kerntriebwerk – Druck- und Temperaturverlauf (qualitativ)
Wirkungsgrad Fluggasturbine
Brennstoff: Kerosin
Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, Summenformel ca. C12H26
Schadstoffemissionen:
• Ruß / Rauch (feste Teilchen, engl.: soot)
• unverbrannte (nicht vollständig verbrannte) Kohlenwasserstoffe
(flüssig und/oder gasförmig, engl. UHC = unburnt hydrocarbons)
• Kohlenmonoxid: CO, gasförmig
• Stickoxide: NOx = Gemisch aus NO und NO2, gasförmig
auch: CO2, H2O (Dampf, Nebel, Eis), SOx, Öl
Schadstoffe von Triebwerken
Wandtemperatur
Wiederzünden
Temperatur
Austrittsprofil
Magerverlöschen
Emissionen:
NOx
Ruß
CO
UHC
Fluggasturbine: Auslegungskriterien Brennkammer
Luft = 21% Sauerstoff (O2) + 78% Stickstoff (N2) + 1% Argon (Ar) + 0.03% CO2
(Volumenprozente)
Argon in Stickstoff oder CO2 eingerechnet
Globale Umsatzgleichung:
Brennstoff + Oxidator + inerte Stoffe Æ Produkte
+
inerte Stoffe
m ⎞⎛
m
m ⎞ ⎛ 79 ⎞
⎛
⎛ 79 ⎞ ⎞
⎛
Cn H m + ⎜ n + ⎟ ⎜ O 2 + ⎜ ⎟ N 2 ⎟ → n CO 2 + H 2 O + ⎜ n + ⎟ ⎜ ⎟ N 2
4 ⎠⎝
2
4 ⎠ ⎝ 21 ⎠
⎝
⎝ 21 ⎠ ⎠
⎝
Kerosin: n ~ 12, m ~ 26
Umsatzgleichung bei Kohlenwasserstoff-Verbrennung
Atomgewichte: C ~ 12, N ~ 14, O ~ 16, Ar ~ 44
Molgewichte:
O2 ~ 32,
N2 ~ 28,
Luft (21 % O2 + 78 % N2 + 1 % Ar):
CO2 ~ 44,
H2O ~ 18,
C12H26 ~ 170
0.21 * 32+0.78 * 28+0.01 * 44 ~ 29
1 Kmol Luft = 22,7 m³ ~ 29 kg !
vollständige Verbrennung:
26 ⎞
26 ⎞ ⎛ 0.79 ⎞
⎛
⎛
1 M ol C 12 H 26 + ⎜ 12 +
M
ole
O
12
+
+
2
⎟
⎜
⎟⎜
⎟ M ole N 2 →
4 ⎠
4 ⎠ ⎝ 0.21 ⎠
⎝
⎝
26 ⎞ ⎛ 0.79 ⎞
⎛ 26 ⎞
⎛
12 M ole C O 2 + ⎜
⎟ M ole H 2 O + ⎜ 12 +
⎟⎜
⎟ M ole N 2
4 ⎠ ⎝ 0.21 ⎠
⎝ 2 ⎠
⎝
Vollständiger Umsatz von Kohlenwasserstoffen
1 kg Kerosin ~ 1 kg C12H26 ~ 1/170 Kmol C12H26 ~ 0.00588 Kmol C12H26
benötigt:
(12 + 26/4) / 170
~ 0.1088 Kmol O2
≅
(12 + 26/4) / 170 * (79% / 21%)
~ 0.4093 Kmol N2
≅ 11.46 kg N2
≅ 14.94 kg Luft
12 / 170
~ 0.0706 Kmol CO2
≅
(26/2) / 170
~ 0.0765 Kmol H2O
≅ 1.376 kg H2O
≅ 15.94 kg Produkte
3.48 kg O2
produziert:
3.106 kg CO2
Edukte und Produkte bei Kerosin-Verbrennung
stöchiometrische Verbrennung:
Luft- / Brennstoff-Mischung so, daß weder Sauerstoff noch Brennstoff übrigbleibt
Kerosin: pro kg Brennstoff (C12H26) genau 14,94 kg Luft (Φ = 1)
Äquivalenzverhältnis Φ einer Luft- / Brennstoff-Mischung:
Φ = (x/y) / 14,94
x kg Kerosin in y kg Luft:
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:
T3,max ~ 650 … 950 K
Verbrennungs-Spitzentemperaturen (Φ =1):
Tstöch. ~ 2600 … 2900 K
Brennkammer – Austrittstemperatur:
T4,max ~ 1300 … 1900 K
ΦAustritt ~ 0.3 … 0.4
typische Komponenten - Betriebstemperaturen
•
NOx:
hohe Temperatur (> 1800 K),
lange Verweilzeit (> einige ms)
•
CO, UHC: fettes Gemisch, niedrige Temperatur (Löschen)
•
Ruß / Rauch:
– Entstehung:
– Oxidation:
•
sehr fette Zone, schnell
mager, „genügend“ heiß, lange
CO2: nur durch besseren Wirkungsgrad Triebwerk / Flugzeug
zu reduzieren (oder H2-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.
Dp / Foo = ( Gesamtemission Schadstoff [g] ) / ( Zulassungs-Schub [lb] )
Gewichteter Mittelwert des Schadstoffs [g] in Flughafennähe (kein Reiseflug), NOx, CO,
UHC
ICAO Triebwerkszulassung Schadstoff - Emissionen
NOx - Zulassungskriterien
CO - Zulassungskriterien
UHC - Zulassungskriterien
Ruß - Zulassungskriterien
NOx – CO2 - Schere
Zukünftige Entwicklungen Abgasemissionen:
• Verschärfung Richtlinien (ICAO, lokal)
aber:
Safety first
• Magerverbrennungs – Technologie
weitere Technologien:
• stationäre Gasturbinen: sehr scharfe Regulatorien (~ 1 ppm NOx !)
(meist Gasverbrennung CH4, 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 p1 zu Schalldruck p0:
L (p1 / p0) = 10 log10 (p1 / p0) [dB]
doppelter Schalldruck: L = 10 log10 (2) ~ 3 dB
„doppelt so laut“ ~ 10 dB = 10-facher Schalldruck !
Hörbereich: 10-12 W/m² … 1 W/m²
0 dB: Hörschwelle
Æ
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. 1010 people) shouting coherently together
1988
One B767 at Take-Off generates the same sound intensity as London‘s
population (ca. 107 people) shouting coherently together
Æ
BUT:
30 dB Reduction = Improvement in Environmental Protection !
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 / (Us - U∞)
Strahllärm - Frequenzabhängigkeit
Strahllärm - Schalldruck ~ U8
Richtungsabhängigkeit
Strahllärm - Schalldruck
Aerodynamische Lärmerzeugung an Oberflächen
(Fanlärm, Turbinenlärm)
Anteile Triebwerkslärm
FAR 36 Lärmzulassungsmessungen
PNL Berechnung:
k = Zeitintervall
24
N(k) = 0.85* n(k) + 0.15*
∑ n(i, k)
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= PNLmax+ 10 log (t10/20) + F (dB)
wobei:
• PNLmax = maximaler wahrgenommener Lärm bei Flugzustand in PNdB
• t10 = 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
c
m
c
m
Bypass Ratio: BPR =
h
m
h
m
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 Reduktion von Fluglärm

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