航空发动机CO排放适航审定计算方法研究

谢 福，闫国华，刘锦虎

（中国民航大学航空工程学院，天津300300）

全球气候变化日益恶劣与气体污染物排放有直接而密切的关系，联合国气候变化框架公约主导下的对全球气体污染物控制，已经成为人类可持续发展的重要措施。与此对应，国际民航组织环境保护委员会，对于民航发动机排泄排放物的规章标准日趋严格，以欧盟为主导的国际航空排放交易制度的建立，对我国大飞机制造业和民航业发展的影响巨大而深远。因此，我国商用发动机，必须在研制和适航取证之前，开展适航符合性验证等方面的研究论证工作。

国外对民用航空发动机气态物排放适航审定的研究比较早，SAE ARP就明确地规定了民用航空发动机排放物计算方法。中国民用航空规章CCAR—34只是规定了燃油排泄和排气排出物排出标准，要求具体的采样与测量系统和程序，应符合国际民航组织附件16第二卷《航空发动机的排放物》。因此，开展航空发动机排放物适航审定研究，刻不容缓。本文以CO发动机排放物为例，开展发动机在亚音速飞行中适航符合性的研究。

1 排气污染的标准

为了控制发动机排放对环境造成的影响，ICAO在1993年颁布了航空发动机的排放标准（CEAP），其中涉及航空发动机的排放污染为：CO，HC，NOX冒烟，标准主要考虑发动机起飞、爬升、下降、进场以及滑行等阶段。排气污染参数定义在LTO循环期间排放污染物与起飞推力之比，用Dp/F∞来表示，其单位为g/kN，参数

亚音速飞行的航空发动机，在LTO循环中功率和状态工作时间规定如表1。

表1 航空发动机的LTO循环

在表中，F∞为在海平面（International Standard Atmosphere，ISA）静止状态发动机不喷水以正常工作状态起飞时，可用的最大功率或额定推力[1]。

2002年，中国民用航空局对作不同飞行的涡扇和涡喷发动机的CO污染物排放规定为：2002年4月19日及其后制造的额定输出等于或大于26.7 kN（6000 lbf）的发动机CO污染物排放值不得超过[2]

CO：Dp/F∞=118 g/kN

2 计算方法

2.1 原理

LTO循环是飞机在高空降落至机场又重新起飞至高空的一个封闭工作过程，ICAO规定，一个理想的LTO循环，包括4个工作状态：进场、滑行、起飞和爬升，并且将爬升定义为起飞结束到飞机冲出大气边界层，本研究采用ICAO规定的标准LTO循环。LTO循环过程如图1[3]。

图1 LTO循环过程

2.2 SAE ARP公式计算[4]

每摩尔航油在航空发动机燃烧室燃烧所需要的空气

其中：P1到 P9分别是 CO2，N2，O2，H2O，CO，CxHy，NO2，NO和 SO2的摩尔数。

根据公式（1）得出原子碳平衡、氢原子平衡、氧原子平衡、氮原子平衡、硫原子平衡：

燃烧产物中 CO2、CO、CxHy、NOX、NO摩尔数与燃烧产物总摩尔数之比：

燃烧总产物摩尔数

综合上述公式，可得到矩阵A和矩阵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矩阵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矩阵B常数mnpqr000000

2.3 实际应用

由于航空煤油中氧、氮和硫含量很少，我们忽略航空煤油的中氧、氮和硫成分。根据SAE ARP规定，CxHy中的y/x等于航空煤油的n/m为1.9。

在北京维修基地，对JT3D-7发动进行排气污染实测，机号为670-785[5]。测试使用燃油类型和空气组成成分如表2、表3。表4为JT3D-7型发动机不同工况下的排放测量数据。

表2 燃油种类

表3 空气组成成分

表4 JT3D-7型发动机不同工况下的排放测量数据

根据美国环境保护局的标准ARP-1256A的规定[6]，以排气中的测出的污染物的数据，用文献[7]油气比（AFR）的计算公式所得出的AFR与发动机上所测的空气流量之比，两者误差在大功率（起飞状态）时，应在10%以内为合格。

现将计算所得与实测的AFR数据列于表5。

表5 AFR污染排放及发动机气量油量测量计算的比较

将数据输入程序计算，得出EICO结果与试验结果与国际上公布的JT3D-7型发动机典型的排气率进行对比，见表6。

表6 测量的EI值和典型值的比较

发动机计算得出的排放率与ICAO公布的JT3D-7型的典型数据对比，数据略大于典型数据，这可能是发动机的燃烧效率下降了。

根据ICAO数据库查到JT3D-7的最大推力为84.4 kN。

根据CCAR-34规定，此发动机符合现行的排放适航规定。

3 结束语

本文采用的测量数据切实可行，测量精度在2%以内。

编制的排气污染指数的计算程序是使用的。

采用的计算方法有实用价值。

参考资料：

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

[2]中国民用航空局.中国民用航空规章第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]刘高恩，王 华，等.飞机发动机排气污染物的测量[J].航空动力学报，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，航空燃气涡轮发动机气态污染物的连续取样及测量程序规范[S].