0 引言

随着环保意识的加强,人们对民航飞机排放污染的关注程度也越来越高。据统计,民用航空活动排放已占人类温室气体排放总量的5%,且这一比例仍在快速增加,而商用飞机的排放污染主要来源于飞机的动力装置,所以研制更加环保的发动机也成为各发动机供应商的目标。为保护环境,国际民航组织制定了一系列的民用飞机新的排放指标,对航空发动机的设计与制造提出了更高的要求。因此有必要充分了解排放规定及动力装置排放水平的发展脉络,合理权衡好两者的关系,研究民用航空发动机排气污染物的适航符合性验证和分析方法将有助于新型环保飞机的研制。

航空发动机排放物一般包括烟和气态排放物,气态排放物包括未燃烧的碳氢化物(简称HC)、一氧化碳(简称CO)和氮氧化物(简称NO_x)^[1-2]。

发动机低功率状态下燃料的不充分燃烧是未燃碳氢(简称UHC)和CO产生的主要原因。CO会降低人体红细胞运输氧气的能力,高浓度CO可导致窒息甚至死亡。UHC不仅有毒,还是发生光化学反应的主要成分。NO_x主要是在高功率状态下大气中的氮与氧化学反应产生。直接危害人体健康,同时是光化学烟雾和酸雨的主要形成因素。空中的氮氧化物的排放主要来源于航空飞行。在从地面到12km高度以下的大气平流层,是民航客机的飞行空间,航空发动机排放的氮氧化物中的二氧化氮会分解成一氧化氮和氧原子,氧原子与大气中的氧气反应会形成臭氧。高浓度的臭氧会导致呼吸系统疾病、视力损坏、头痛以及过敏。尾流烟尘加剧低空大气污染,在机场附近的烟尘排放严重影响工作人员和当地居民的身体健康,易诱发肺部疾病。对于军机而言,排气烟尘作为凝结核与水蒸汽凝结形成尾流污染带极易暴露航迹,极大削弱了军机的隐身能力^[3-5]。

1 民用航空发动机排放指标

民用航空发动机的排放标准是由国际民航组织(简称ICAO)颁布的,具体文件内容位于ICAO的附录16的第二卷,其主要针对民用飞机动力装置的氮氧化物NO_x,碳氢化物HC,一氧化碳CO和烟雾smoke的排放量进行限制。各国按照ICAO的标准,结合本国国情均制定了相关政策,如FAA颁布了FAR-34部对航空器发动机排放物进行适航审定规定。

议制定的标准(包括CAEP/2、CAEP/4、CAEP/6和CAEP/8),对NO_x的要求日趋严格,而对HC、CO和烟的排放要求基本没有变化,这也是由于NO_x危害较大且很难控制。在上述排放标准中,自CAEP/2开始的污染物排放要求比较高,以总压比在30~40、推力大于89kN的大型发动机来为例,CAEP/2标准所要求的NO_x排放量比CAEP/1低20%,CAPE/4标准的NO_x排放要求比CAEP/2的标准下降了约16%,CAEP/6标准的NO_x排放要求比CAEP/4的规定值要低12%,而对于最新生效的CAEP/8标准来讲,其NO_x排放要求要比CAEP/6的规定值还要低15%,NO_x排放要求趋势见图1。HC、CO和烟的排放要求始终停留在CAEP/1阶段^[6],如图2和表1所示。

2 发动机排气污染物控制技术

2.1 污染物生成原理

1)NO_x

排气中的NO_x主要是指NO和二氧化氮(简称NO₂)。产生方式主要有4种:实际燃烧过程中,由于高温环境下空气中的氮(简称N)与氧的反应形成的NO称之为热力NO(Thermal NO);在燃料不含氮的情况下,在燃烧环境中所有不属于热力NO形成机理而产生的NO,称为瞬发NO(Prompt NO);在燃料含有机氮的情况下,在燃烧情况下形成的NO称为燃料NO(Fuel NO);另外,在高压情况下,NO可由先生成的N₂O转变而来。在发动机燃烧室的出口,由上述机理形成的NO有相当一部分氧化成了NO₂^[6]。

2)冒烟(smoke)

排气冒烟(smoke),按照ICAO的定义,是排气污染中的含碳物质,能够阻挡光的传播。燃烧室的排气冒烟是主燃区内形成的碳烟(soot)以及在随后的高温区中被氧化后的一个结果。

3)CO

排气中的CO由燃烧温度和富氧程度两个因素决定。在低功率情况下,燃烧区温度低,将会有大量的CO产生,这是CO未完全氧化导致的。在燃烧区很富油情况下,同样会产生大量CO,原因是CO₂将会分解成CO。

4)未燃碳氢(简称UHC)

UHC源自于发动机燃烧室中未充分反应的碳氢化合物,以燃油蒸气和燃油的小分子裂解产物甲烷或乙炔的形式排出大气。从UHC形成的机理来看,更主要受物理因素的控制。

2.2 发动机减排技术

1)抑制CO和HC的排放

影响涡轮发动机CO和HC排放的因素基本相同,这是因为HC和CO的产生机制相近。主要减排方法有以下几种:(1)采用技术手段如分区燃烧缩减主燃区空间,改善发动机低功率运行时燃油雾化率;(2)采用空气雾化喷射技术取代传统压力喷嘴来提升燃油雾化率;(3)通过提高主燃区长度来延长燃烧停留时间,使燃烧更充分;(4)减少气膜冷却空气量;(5)调整燃烧室内主燃区和值班燃烧区的空气量,优化主燃区的油气比接近于最优值^[7]。

2)控制NO_x的生成

缩短油气在高温区的驻留时间同时降低燃烧区的温度是降低NO_x排放的基本思路。具体措施有:(1)缩短油气驻留时间,即控制气体在高温燃烧区的驻留时间尽可能短。通常采用缩短燃烧室长度同时增大主燃区气流速度来实现最小驻留时间,从而抑制NO_x生成;(2)采用贫油燃烧技术,通过降低主燃区温度,可有效降低NO_x生成,且燃烧区的当量比越贫越能降低NO_x的排放,当然,其下限是贫油熄火极限;(3)在贫油燃烧环境下,提高油气混合程度和燃油雾化率,保证均匀燃烧,消除燃烧室局部高温区或过热点,可以有效降低NO_x生成。

3)降低排气烟尘

降低排气烟尘的关键在于优化燃烧室设计和燃料优选两方面,主要减排措施有以下两点:(1)优化燃烧室设计,防止产生局部富油区,随着技术发展,传统的压力雾化喷嘴逐渐被空气雾化喷嘴取代,能极大提高燃油雾化效率,这不仅可降低烟尘排放,对HC,CO和NO_x的减排同样有利。此外,为防止局部富油燃烧,主燃区一般采用贫油设计或化学当量比设计;(2)采用发烟指数低的燃料,燃油中芳香烃等大分子含量越多,燃烧过程中裂解成未燃烧的小分子燃油颗粒越多,发动机排气冒烟随之增加。所以,需选用低芳香烃油料或者补充合适的添加剂。这样可以减弱碳结焦同时利于进一步氧化燃烧,从而减弱发动机排气冒烟。

目前最主要的三种低污染燃烧技术分别是贫油预混预蒸发燃烧(LPP)、贫油直接混合燃烧(LDM)以及富油燃烧焠熄贫油燃烧技术(RQL)。普惠公司以RQL技术为基础发展了TALON燃烧室,罗罗公司研发了第二阶段燃烧室和第五阶段燃烧室,而霍尼韦尔研发了SABER燃烧室,GE公司基于贫油燃烧技术研发并投入应用的双环预混旋流器(TAPS)燃烧室^[8-10]。以上低排放燃烧技术的应用,为符合ICAO排放标准的发动机研制提供了坚实的技术基础。

4 航空发动机排放符合性验证方法

4.1 LTO循环

ICAO和CCAR规定的发动机排放试验是地面台架试验,是模拟在高度低于3 000ft的机场附近,进行标准的飞机起落循环(LTO)操作,标准LTO循环是模拟飞机从高空降落至地面又重新复飞至高空的一个连续工作过程,ICAO规定的一个标准的LTO循环包含4个工作状态,即慢车、进近、起飞和爬升。标准LTO循环场景如图3所示。

发动机排气污染程度用D_p/F_∞来定义,为LTO循环期间排放污染物的量与发动机额定推力之比,即:

其中,D_p、W_fj、E_Ij、t_j、F_∞分别为LTO循环某阶段排放污染总量、燃油流量、排放污染指数、运行时间和发动机额定功率。飞机发动机在标准LTO循环中各运行剖面的功率等级和运行时间规定如表2所示。F_∞指在标准海平面(ISA)民用航空发动机以静止状态正常起飞时可用的最大功率或额定推力。

4.2 颗粒排放物烟雾(Smoke)符合性验证方法

颗粒排放物烟雾(Smoke)规定是排气污染物中的能够阻挡光学传播的含碳物质。烟雾排放测量的结果表达为发烟指数(Smoke Number),发烟指数计算是测量通过燃气的滤纸上的绝对反射率R_s以及干净滤纸上的绝对反射率R_w得到的。计算公式如下:

烟雾排放测量系统如图4所示,从设定状态的发动机喷管排气中通过探针采集样气,经过保温管路后送入到测试部分,测试部分分为两个管路系统,一个用于旁通,一个用于在规定的时间通过规定流量的样气。测量受到烟雾染污的滤纸反射率采用反射率计,应满足美国国家标准协会(ANSI)对于漫反射密度的No.PH2.17/1977标准。因为与通过单位面积的样气质量W/A有函数关系,上述的实测值需要换算到一个标准的单位面积上的样气质量W/A,该数值是16.2kg/m²。最后得到的数值是按照ICAO规定的发烟指数SN。

4.3 气态污染物评估方法符合性验证方法

在发动机试车台架上,在ICAO规定LTO循环中由燃气分析采样得到每个运行模式下的气态污染物(HC、CO和NO_x)体积浓度,燃气成分分析系统的配置如图5所示,从设定状态的发动机喷管排气中通过探针采集样气。

按照推荐的计算方法,计算出排放物指数EI(Emission Index):

$E{I}_p=\frac{\text{发动机排出的某种污染物成分}\mathrm{p}\text{的质量}\text{,}\mathrm{g}}{\text{发动机燃油消耗}\text{,}\mathrm{k}\mathrm{g}}$

$\begin{array}{c}EI\left(CO\right)=\left(\frac{\left[\mathrm{C}\mathrm{O}\right]}{\left[{\mathrm{C}\mathrm{O}}_2\right]+\left[\mathrm{C}\mathrm{O}\right]+\left[\mathrm{H}\mathrm{C}\right]}\right)\\ \left(\frac{{10}^3{M}_{CO}}{M_C+(n/m)M_H}\right)\left(1+T\left(P_0/\mathrm{m}\right)\right)\\ EI\left(HC\right)=\left(\frac{\left[\mathrm{H}\mathrm{C}\right]}{\left[{\mathrm{C}\mathrm{O}}_2\right]+\left[\mathrm{C}\mathrm{O}\right]+\left[\mathrm{H}\mathrm{C}\right]}\right)\\ \left(\frac{{10}^3{M}_{HC}}{M_C+(n/\mathrm{m})M_H}\right)\left(1+T\left(P_0/\mathrm{m}\right)\right)\end{array}$

$\begin{array}{c}\text{A}\text{i}\text{r}\text{/}\text{f}\text{u}\text{e}\text{l}=\left(\frac{{10}^3{M}_{\text{AIR}}}{M_C+(n/m)M_H}\right)\left(P_0/\mathrm{m}\right)\\ \text{其}\text{中}{P}_0/m=\frac{2Z-(n/m)}{4(1+h-|TZ/2\left|\right)},\\ Z=\left(\frac{2-\left[\mathrm{C}\mathrm{O}\right]-\left(\right|2/x|-|y/2x\left|\right)\left[\mathrm{H}\mathrm{C}\right]+\left[{\mathrm{N}\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}\right]}{\left[{\mathrm{C}\mathrm{O}}_2\right]+\left[\mathrm{C}\mathrm{O}\right]+\left[\mathrm{H}\mathrm{C}\right]}\right)\end{array}$

式(3)中,^{[ ]}中的内容指排气中测得的某成分体积浓度,M是分子量,T是大气中CO₂浓度,h为环境大气的湿度,n/m是航空煤油中的氢/碳质量比,x、y是样气中碳氢化合物的碳原子和氢原子数目。一般来讲,发动机试车的大气条件不会参考大气条件,因此将获得的排放物指数EI换算到标准海平面大气条件下,需要将上述测得的EI值乘以一个修正系数K。

将换算到标准大气条件下的排放物指数,进一步按照ICAO规定的起飞着陆循环进行计算,得到标准海平面(ISA)起飞时航空发动机额定推力情况下单位推力(kN)的污染排放值,即LTO_ Emission,单位是g/kN。计算如下式:

式(4)描述了每个规定的LTO运行阶段下,相应的功率模式下污染排放指数,乘以每个模式的燃油消耗量和运行时间,即可得出每个模式下按照质量计量的污染排放量,将每个模式下的污染排放质量加在一起,除以标准海平面静态起飞时的额定推力,即得到ICAO规定的污染排放量LTO_Emission。

5 结论

本文对ICAO的发动机排放物相关政策进行了梳理分析,研究了发动机排放物相关政策的背景与历史沿革,展望了发动机排放物政策的发展趋势,同时对发动机减排技术和飞机排放适航符合性验证方法进行了介绍,形成以下结论:

1)近年来,民航业对航空器发动机排放物排放水平的关注日益提高,尤其是对NO_x的排放要求更是日趋严格,发动机主制造商需对低排放燃烧技术进行持续攻关以适应未来规章要求;

2)低排放燃烧室的设计需要遵循燃烧的基本原理,也要兼顾满足发动机的基本性能要求。可以通过贫油预混预蒸发技术(LPP)、RQL、分级燃烧等技术来对发动机排放和性能做一个适当的平衡;

3)本文介绍的基于LTO循环的民用航空发动机排放符合性验证程序和计算方法包含气态污染物评估和颗粒排放物的评估两部分,可以通过发动机台架试验中分析采样得到每个运行模式下的气态污染物(HC、CO和NO_x)体积浓度和颗粒污染物浓度,计算得出相应的功率模式下污染排放指数,乘以每个模式的燃油消耗量和运行时间,即可得出ICAO规定的污染排放量LTO_ Emission。该方法合理有效,已被广泛用于航空发动机排放符合性验证,并可以推广至燃气轮机排放水平评估。

参考文献