航空發(fā)動機CO排放適航審定計算方法研究

謝 福，閆國華，劉錦虎

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津300300）

全球氣候變化日益惡劣與氣體污染物排放有直接而密切的關(guān)系，聯(lián)合國氣候變化框架公約主導(dǎo)下的對全球氣體污染物控制，已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的重要措施。與此對應(yīng)，國際民航組織環(huán)境保護(hù)委員會，對于民航發(fā)動機排泄排放物的規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，以歐盟為主導(dǎo)的國際航空排放交易制度的建立，對我國大飛機制造業(yè)和民航業(yè)發(fā)展的影響巨大而深遠(yuǎn)。因此，我國商用發(fā)動機，必須在研制和適航取證之前，開展適航符合性驗證等方面的研究論證工作。

國外對民用航空發(fā)動機氣態(tài)物排放適航審定的研究比較早，SAE ARP就明確地規(guī)定了民用航空發(fā)動機排放物計算方法。中國民用航空規(guī)章CCAR—34只是規(guī)定了燃油排泄和排氣排出物排出標(biāo)準(zhǔn)，要求具體的采樣與測量系統(tǒng)和程序，應(yīng)符合國際民航組織附件16第二卷《航空發(fā)動機的排放物》。因此，開展航空發(fā)動機排放物適航審定研究，刻不容緩。本文以CO發(fā)動機排放物為例，開展發(fā)動機在亞音速飛行中適航符合性的研究。

1 排氣污染的標(biāo)準(zhǔn)

為了控制發(fā)動機排放對環(huán)境造成的影響，ICAO在1993年頒布了航空發(fā)動機的排放標(biāo)準(zhǔn)（CEAP），其中涉及航空發(fā)動機的排放污染為：CO，HC，NOX冒煙，標(biāo)準(zhǔn)主要考慮發(fā)動機起飛、爬升、下降、進(jìn)場以及滑行等階段。排氣污染參數(shù)定義在LTO循環(huán)期間排放污染物與起飛推力之比，用Dp/F∞來表示，其單位為g/kN，參數(shù)

亞音速飛行的航空發(fā)動機，在LTO循環(huán)中功率和狀態(tài)工作時間規(guī)定如表1。

表1 航空發(fā)動機的LTO循環(huán)

在表中，F(xiàn)∞為在海平面（International Standard Atmosphere，ISA）靜止?fàn)顟B(tài)發(fā)動機不噴水以正常工作狀態(tài)起飛時，可用的最大功率或額定推力[1]。

2002年，中國民用航空局對作不同飛行的渦扇和渦噴發(fā)動機的CO污染物排放規(guī)定為：2002年4月19日及其后制造的額定輸出等于或大于26.7 kN（6000 lbf）的發(fā)動機CO污染物排放值不得超過[2]

CO：Dp/F∞=118 g/kN

2 計算方法

2.1 原理

LTO循環(huán)是飛機在高空降落至機場又重新起飛至高空的一個封閉工作過程，ICAO規(guī)定，一個理想的LTO循環(huán)，包括4個工作狀態(tài)：進(jìn)場、滑行、起飛和爬升，并且將爬升定義為起飛結(jié)束到飛機沖出大氣邊界層，本研究采用ICAO規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)。LTO循環(huán)過程如圖1[3]。

圖1 LTO循環(huán)過程

2.2 SAE ARP公式計算[4]

每摩爾航油在航空發(fā)動機燃燒室燃燒所需要的空氣

其中：P1到 P9分別是 CO2，N2，O2，H2O，CO，CxHy，NO2，NO和 SO2的摩爾數(shù)。

根據(jù)公式（1）得出原子碳平衡、氫原子平衡、氧原子平衡、氮原子平衡、硫原子平衡：

燃燒產(chǎn)物中 CO2、CO、CxHy、NOX、NO摩爾數(shù)與燃燒產(chǎn)物總摩爾數(shù)之比：

燃燒總產(chǎn)物摩爾數(shù)

綜合上述公式，可得到矩陣A和矩陣B。

公式234567891 0 11 13 PT00 0 0 0[CO2][CO][CxHy][NOx][NO]-1 P1 1 0 2 0 0-1 0 0 0 0 1 P2 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 1 P3 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 1 P4 0 2 1 000 0 0 0 0 1矩陣A P5 1 0 1 0 0 0-P61 y/x 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0-x 0 0 1 P7 0 0 2 1 0 0 0 0-1 0 1 P8 0 0 1 1 0 0 0 0-1-1 1 P9 0 0 2 0 1 0 0 0 0 0 1 X-T-U-2h-4U-2R-2T-h-2S 0 0 0 0 0 0 0矩陣B常數(shù)mnpqr000000

2.3 實際應(yīng)用

由于航空煤油中氧、氮和硫含量很少，我們忽略航空煤油的中氧、氮和硫成分。根據(jù)SAE ARP規(guī)定，CxHy中的y/x等于航空煤油的n/m為1.9。

在北京維修基地，對JT3D-7發(fā)動進(jìn)行排氣污染實測，機號為670-785[5]。測試使用燃油類型和空氣組成成分如表2、表3。表4為JT3D-7型發(fā)動機不同工況下的排放測量數(shù)據(jù)。

表2 燃油種類

表3 空氣組成成分

表4 JT3D-7型發(fā)動機不同工況下的排放測量數(shù)據(jù)

根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)局的標(biāo)準(zhǔn)ARP-1256A的規(guī)定[6]，以排氣中的測出的污染物的數(shù)據(jù)，用文獻(xiàn)[7]油氣比（AFR）的計算公式所得出的AFR與發(fā)動機上所測的空氣流量之比，兩者誤差在大功率（起飛狀態(tài)）時，應(yīng)在10%以內(nèi)為合格。

現(xiàn)將計算所得與實測的AFR數(shù)據(jù)列于表5。

表5 AFR污染排放及發(fā)動機氣量油量測量計算的比較

將數(shù)據(jù)輸入程序計算，得出EICO結(jié)果與試驗結(jié)果與國際上公布的JT3D-7型發(fā)動機典型的排氣率進(jìn)行對比，見表6。

表6 測量的EI值和典型值的比較

發(fā)動機計算得出的排放率與ICAO公布的JT3D-7型的典型數(shù)據(jù)對比，數(shù)據(jù)略大于典型數(shù)據(jù)，這可能是發(fā)動機的燃燒效率下降了。

根據(jù)ICAO數(shù)據(jù)庫查到JT3D-7的最大推力為84.4 kN。

根據(jù)CCAR-34規(guī)定，此發(fā)動機符合現(xiàn)行的排放適航規(guī)定。

3 結(jié)束語

本文采用的測量數(shù)據(jù)切實可行，測量精度在2%以內(nèi)。

編制的排氣污染指數(shù)的計算程序是使用的。

采用的計算方法有實用價值。

參考資料：

[1]ICAO AircrafTEngine Emission[Z],International Civil Aviation Organization,1993.

[2]中國民用航空局.中國民用航空規(guī)章第34部[S].2002.

[3]Kristin Rypdal,AircrafTEmissions[R].Good Practice Guidance and Uncertainty Management in National Greenhouse Gas Inventories，2003.

[4]Procedure foRThe Analysis and Evaluation of Gaseous Emission From Aircraft Turbine Engines[R].ARP1533 SAE，2004.

[5]劉高恩，王 華，等.飛機發(fā)動機排氣污染物的測量[J].航空動力學(xué)報，2003，18(3):348-352.

[6]Procedure foRThe Continuous Sampling and Measurement of Gaseous Emission From Aircraft Turbine Engines[R].ARP1256 SAE，1993.

[7]HB-6117-87，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機氣態(tài)污染物的連續(xù)取樣及測量程序規(guī)范[S].