航空發動機CO排放適航審定計算方法研究

謝 福，閆國華，劉錦虎

（中國民航大學航空工程學院，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系，聯合國氣候變化框架公約主導下的對全球氣體污染物控制，已經成為人類可持續發展的重要措施。與此對應，國際民航組織環境保護委員會，對于民航發動機排泄排放物的規章標準日趨嚴格，以歐盟為主導的國際航空排放交易制度的建立，對我國大飛機制造業和民航業發展的影響巨大而深遠。因此，我國商用發動機，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。

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

1 排氣污染的標準

為了控制發動機排放對環境造成的影響，ICAO在1993年頒布了航空發動機的排放標準（CEAP），其中涉及航空發動機的排放污染為：CO，HC，NOX冒煙，標準主要考慮發動機起飛、爬升、下降、進場以及滑行等階段。排氣污染參數定義在LTO循環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

亞音速飛行的航空發動機，在LTO循環中功率和狀態工作時間規定如表1。

表1 航空發動機的LTO循環

在表中，F∞為在海平面（International Standard Atmosphere，ISA）靜止狀態發動機不噴水以正常工作狀態起飛時，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動機的CO污染物排放規定為：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規定，一個理想的LTO循環，包括4個工作狀態：進場、滑行、起飛和爬升，并且將爬升定義為起飛結束到飛機沖出大氣邊界層，本研究采用ICAO規定的標準LTO循環。LTO循環過程如圖1[3]。

圖1 LTO循環過程

2.2 SAE ARP公式計算[4]

每摩爾航油在航空發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。

根據公式（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：

燃燒產物中 CO2、CO、CxHy、NOX、NO摩爾數與燃燒產物總摩爾數之比：

燃燒總產物摩爾數

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mnpqr000000

2.3 實際應用

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SAE ARP規定，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發動進行排氣污染實測，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型發動機不同工況下的排放測量數據。

表2 燃油種類

表3 空氣組成成分

表4 JT3D-7型發動機不同工況下的排放測量數據

根據美國環境保護局的標準ARP-1256A的規定[6]，以排氣中的測出的污染物的數據，用文獻[7]油氣比（AFR）的計算公式所得出的AFR與發動機上所測的空氣流量之比，兩者誤差在大功率（起飛狀態）時，應在10%以內為合格。

現將計算所得與實測的AFR數據列于表5。

表5 AFR污染排放及發動機氣量油量測量計算的比較

將數據輸入程序計算，得出EICO結果與試驗結果與國際上公布的JT3D-7型發動機典型的排氣率進行對比，見表6。

表6 測量的EI值和典型值的比較

發動機計算得出的排放率與ICAO公布的JT3D-7型的典型數據對比，數據略大于典型數據，這可能是發動機的燃燒效率下降了。

根據ICAO數據庫查到JT3D-7的最大推力為84.4 kN。

根據CCAR-34規定，此發動機符合現行的排放適航規定。

3 結束語

本文采用的測量數據切實可行，測量精度在2%以內。

編制的排氣污染指數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.飛機發動機排氣污染物的測量[J].航空動力學報，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，航空燃氣渦輪發動機氣態污染物的連續取樣及測量程序規范[S].