航空发动机非挥发性颗粒物排放性能等效评估方法研究

2022-11-26周利敏丰火雷倪玉山

安全与环境工程 2022年6期

周利敏，丰火雷，倪玉山*

(1.复旦大学航空航天系，上海 200433；2.浙江交通职业技术学院航空学院，浙江杭州 311112)

航空发动机排放的污染物对机场周围的空气质量具有重要的影响。为了持续有效地降低航空发动机排放物对机场空气质量的影响，国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)航空环境保护委员会(Committee on Aviation Environmental Protection，CAEP)正在不断完善航空发动机的排放标准。过去较长时间，民用航空发动机的排放标准主要限制了烟雾、未燃碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物4种污染物的排放量[1]。直至2017年，ICAO CAEP/10会议通过附件16卷2第9修正案，将颗粒物定为亚音速飞机发动机向适航当局申请型号合格认证的限定污染物。此后，ICAO CAEP/11会议批准了附件16卷2第10修正案，新增航空发动机起降(Landing and Take-off，LTO)循环阶段的非挥发性颗粒物(non-volatile Particulate Matter，nvPM)质量和数量的排放标准[2]。因此，颗粒物已经成为新一代民用航空发动机排放标准的限定污染物，航空发动机颗粒物排放合格审定将是型号适航取证过程中的重要工作，对航空发动机的颗粒物排放性能进行有效评估具有重要的工程价值。

颗粒物对大气空气质量和人类身体健康具有重要的影响，已得到相关研究广泛证实[3-5]。近十年来，航空排放已经成为相关学者和社会广泛关注的研究课题，如Yim等[6]从环境影响和政策评估角度对英国机场的空气质量和公共健康影响进行了研究;Mahashabde等[7]评估了飞机排放对环境的影响。诸多研究表明，航空发动机排放的nvPM等污染物对机场周围生活或工作的居民身心健康会造成极大的危害。为了制定有效控制航空发动机颗粒物排放量的相关适航标准，国外Theo等[8]对航空燃气轮机颗粒物排放标准进行了系统研究；Howard等[9]建立了航空发动机nvPM的标准原型测量系统；ICAO[10]制定了航空发动机nvPM采样和测量的标准方法，并提出了估算飞机发动机颗粒物排放量的近似方法。同时，国内闫国华等[11]和曹惠玲等[12]对航空发动机在机场LTO循环阶段的颗粒物排放量预测方法进行了相关研究;杨晓军等[13]提出了一种飞机起降阶段nvPM排放量计算的优化方法。然而，针对民用航空发动机颗粒物排放性能的相关等效评估方法研究尚未引起学者们的充分重视。

当前，全球航空运输业对航空器的环保性能要求越来越高，我国大型民用航空涡扇发动机技术基础薄弱，型号适航审定经验缺乏，新一代民用航空发动机性能设计必须满足ICAO最新的民用航空发动机颗粒物排放标准的严苛要求，亟待开发适用于对国产大型民用航空涡扇发动机的颗粒物排放设计性能进行预测分析的方法。因此，本文通过对ICAO最新颁布的航空发动机颗粒物排放标准进行研究，总结了民用航空发动机颗粒物排放合格审定的技术要求和基本流程，提出了一种基于等效程序的航空发动机nvPM排放性能评估方法，并利用该方法对CFM公司在产航空发动机的nvPM排放性能进行了评估，可为航空工程界评估航空发动机的nvPM排放性能提供参考。

1 航空发动机非挥发性颗粒物排放标准

在航空领域，ICAO把非挥发性颗粒物(nvPM)定义为航空发动机排气喷管出口平面上加热到350℃时不会挥发的排放颗粒物[14]。根据ICAO最新的航空发动机排放标准， nvPM排放质量浓度(nvPMmass)的特征水平应当以μg/m3为计量单位进行报告，且无小数。同时，该标准明确规定nvPM排放标准仅适用于亚音速飞机发动机的型号合格审定，具体类别应为额定推力F∞大于26.7 kN且制造日期为2020年1月1日或之后的所有型号涡扇和涡喷发动机及其衍生型号。本文通过对ICAO最新颁布的航空发动机颗粒物排放标准进行研究，总结梳理了航空发动机nvPM排放合格审定的基准条件、测试条件、规定限值和报告信息。

1.1 基准条件

在适航审定过程中，测量航空发动机颗粒物排放量的参考大气条件为海平面上的国际标准大气，但参考绝对湿度应为0.006 34 kg水/kg干空气。测量过程中模拟航空发动机基准排放LTO循环，航空发动机LTO循环阶段具体推力设置情况见表1[14]。通过对航空发动机在足够的推力设置下进行试验，可以确定航空发动机LTO循环阶段的nvPM排放量，包括nvPM质量排放指数(EImass)和nvPM数量排放指数(EInum)。其中，EImass表示航空发动机每千克燃料燃烧产生的颗粒物排放质量(mg/kg)；EInum表示航空发动机每千克燃料燃烧产生的颗粒物排放数量(微粒/kg)。同时，可以得到相应推力设置条件下适航当局认可的最大nvPMmass、最大EImass和最大EInum等数据。

表1 航空发动机LTO循环阶段推力设置

1.2 测试条件

在航空发动机颗粒物测试试验中使用的燃料要符合ICAO附件16卷2附录4的相关规格，相关测量仪器应具备合格证，证明其符合相应性能规范。同时，要满足相关测试条件：①试验应在航空发动机试验台上进行；②航空发动机应基本符合航空发动机类型的生产标准，并具有完全具有代表性的运行和性能特征，不得模拟航空发动机基本运行所需以外的排气和附件负载;③当试验条件不同于基准参考大气条件时，应根据ICAO附件16卷2附录7中推荐的程序，将EImass和EInum校正为参考大气条件下航空发动机燃烧室相应入口温度下的值；④根据ICAO附件16卷2附录7中推荐的程序，考虑航空发动机颗粒物测量取样系统采集部分的热泳损失，进一步校正最大nvPMmass、EImass和EInum。

1.3 规定限值

ICAO通过附件16卷2的4.2.2条款对涡扇和涡喷航空发动机的nvPM排放水平给出了明确的规定限值：在足够的推力设置下，通过ICAO附件16卷2附录7中推荐的测量方法确定航空发动机的最大排放量，计算获得航空发动机的最大nvPMmass(表示为nvPMmass_max)，并通过ICAO附件16卷2附录6中推荐的程序或适航当局认可的等效程序将其转换为相应的最大nvPMmass特征水平(表示为[nvPMmass_max])，航空发动机的[nvPMmass_max]不超过以下公式计算的规定限值，其中nvPM排放规定限值表示为nvPMmass_reg：

(1)

此外，针对2023年1月1日之后制造且额定推力大于26.7 kN的所有在产和新申请型号合格证的涡扇和涡喷航空发动机，ICAO通过附件16卷2第10修正案明确了新增航空发动机LTO循环阶段nvPM排放质量(LTOmass)和数量(LTOnum)的具体标准，按照航空发动机的额定推力大小进行分类，LTOmass和LTOnum排放特征水平的规定限值分别表示为LTOmass/F∞和LTOnum/F∞，详见表2和表3[15]。此外，ICAO附件16卷2第9修正案要求的相关数据仍需向适航当局报告。

表2 在产航空发动机排放特征水平的规定限值

表3 新型航空发动机的排放特征水平的规定限值

1.4 报告信息

航空发动机制造商在向适航当局提交型号合格审定相关资料时，所需信息分为两组，分别是确定航空发动机特性、所用燃料和数据分析方法的基本信息，以及航空发动机试验中获得的数据信息。所有申请排放合格审定的航空发动机型号都需要提供相关基本信息：航空发动机识别号、额定推力、参考压力比、燃料规格说明书、燃料氢碳比、数据采集方法、校正取样系统采集部分热泳损失的方法，以及数据分析的方法；同时，每次试验都要提供以下测试信息：净燃烧热、燃料氢含量、燃料总芳烃含量、燃料含萘量和燃料含硫量。

此外，航空发动机制造商应报告根据ICAO附件16卷2附录7中推荐的程序[14]或适航当局认可的等效程序测量和计算的航空发动机nvPM排放量相关值，具体包括航空发动机LTO循环阶段每一推力设定值下的[nvPMmass_max]、燃油流量(kg/s)、EImass、EInum、最大EImass，以及最大EInum等数据。针对本文研究内容的需要，在此仅给出[nvPMmass_max]的计算公式[见公式(2)]，其他相关数据的计算公式也可以从ICAO附件16卷2附录7中获取。[nvPMmass_max]的计算公式为

[nvPMmass_max]=DF1_S×nvPMmass_STP×kthermo

(2)

式中:DF1_S表示测量系统第一阶段稀释因子;nvPMmass_STP表示标准条件下的nvPMmass_max测量值;kthermo表示测量取样系统采集部分的热泳损失因子。

2 航空发动机非挥发性颗粒物排放性能等效评估方法

航空发动机nvPM排放质量测量结果表明，航空发动机在LTO循环阶段的nvPMmass_max与其发烟指数(Smoke Number，SN)相关[16]。目前，ICAO附件16卷2附录一中并没有给出两者之间的特定关系式，早先ICAO曾建议使用一阶近似方法模拟航空发动机LTO循环阶段nvPM排放量与SN之间的关系。在ICAO颁布了航空发动机非挥发性微粒物质量和数量排放标准后，利用非挥发性微粒物质标准化采样和测量系统，得出了1 400多种航空发动机核心机排气的SN和nvPMmass数据，建立了经改进的nvPMmass与SN的关系式[见公式(3)]，其中航空发动机核心机排气的nvPMmass表示为nvPMmass_core。该关系式被建议用于航空发动机nvPMmass与SN转换的等效程序[16]，两者之间的转换关系见图1。同时，ICAO提出如果可以表明能够为特定的航空发动机型号提供nvPMmass与SN具体的关系式或者开发进一步的关系式，则可以获得适航当局批准后使用改进后的关系式。改进的nvPMmass与SN的关系式为

图1 航空发动机nvPMmass与SN之间的转换关系

(3)

对于涵道比(Bypass Ratio,BPR)确定的涡扇航空发动机，如果航空发动机涵道气流与排气出口平面的核心机气流完全混合，则航空发动机混合气流的nvPMmass可以使用下面公式(4)进行修正，其中航空发动机混合排气的nvPMmass表示为nvPMmass_mix.在此基础上，可以进一步利用公式(3)计算得到航空发动机混合排气的当量SN。航空发动机混合气流的nvPMmass修正公式为

(4)

当某型航空发动机核心机的SN最大测量值(SNmax)为20时，利用公式(3)可计算得出其当量nvPMmass浓度为3 000 μg/m3。假定航空发动机的BPR为5，利用公式(4)可计算得到航空发动机尾喷管截面处的nvPMmass_mix为500 μg/m3。考虑到外涵道风扇气流的影响，基于公式(3)可以进一步得到航空发动机排气喷口截面处的SN为3.4。

通过分析航空发动机nvPMmass与SN之间的转换关系可以发现，航空发动机在LTO循环阶段的SN值越大，其nvPMmass值也越大。在航空发动机排放适航审定工作中，航空发动机nvPM排放测量的标准方法流程复杂，需要一系列标准化的测量设备，且试验成本较高。因此，为航空发动机排放性能设计阶段提供一种nvPM排放性能预测和分析的近似方法具有重要的工程价值。基于前述航空发动机nvPMmass与SN转换的等效程序，在获取航空发动机LTO循环阶段SNmax的情况下，可以估算航空发动机LTO循环阶段的nvPMmass_max，并进一步建立基于等效程序的航空发动nvPM排放性能评估方法。

根据航空发动机的外涵道气流和和核心机气流是否混合排放，在已知航空发动机LTO循环阶段平均SNmax的基础上，分别采用前述等效程序中公式(3)和(4)可以计算得到航空发动机相应的nvPMmass_max，其中nvPMmass_core表示非混合排气航空发动机的最大nvPMmass_max，nvPMmass_mix表示混合排气航空发动机的最大nvPMmass_max。结合相关航空发动机的nvPMmass_max和nvPMmass_STP实际测量值，由公式(2)可以计算得到nvPM测量系统的综合修正因子，在此基础上可以进一步计算得到航空发动机的[nvPMmass_max]预测值。由于航空发动机LTO循环阶段的[nvPMmass_max]是相应型号航空发动机nvPM排放合格审定的重要性能指标，因此该方法可用于等效评估分析航空发动机nvPM排放性能是否合格，其具体流程见图2。

图2 基于航空发动机SN分析nvPM排放性能的等效评估流程

3 典型应用分析与验证

随着ICAO最新航空发动机颗粒物排放标准的实施，民用航空发动机颗粒物的排放性能要求更加严格，对航空发动机颗粒物排放性能进行评估分析具有重要的意义。本文以国内外民航窄体客机中广泛使用的CFM公司在产航空发动机为例，采用基于等效程序的航空发动机nvPM排放性能评估方法，计算相应航空发动机在LTO循环阶段的[nvPMmass_max]值，并根据航空发动机颗粒物排放标准对相应型号航空发动机的nvPM排放适航性进行比较分析，以为航空发动机排放性能优化设计提供参考依据。本研究中使用的CFM公司在产航空发动机的相关参数可从ICAO航空发动机排放数据库[17]中获取，见表4。

表4 CFM公司在产航空发动机的相关参数[17]

经过计算，可以得到CFM公司在产航空发动机的nvPMmass_max预测值，同时查询ICAO航空发动机排放数据库可以得到相应型号航空发动机的nvPMmass_max测量值，见表5。

表5 CFM公司在产航空发动机的nvPMmass_max值

由表5可知：针对CFM公司在产发动机，采用近似方法计算航空发动机LTO循环阶段的nvPMmass_max具有不同的相对误差，其中对CFM56-7B20E航空发动机nvPMmass_max的预测误差最大，对CFM56-5B1/3型号航空发动机nvPMmass_max的预测误差只有大约1%，其余两种型号航空发动机nvPMmass_max的预测误差均在20%左右。研究表明，该近似方法要广泛适用于估算不同型号航空发动机的nvPMmass_max，还需要进一步使用更多不同型号航空发动机在LTO循环阶段的nvPM排放数据进行优化和提高预测精度。同时，在工程实际使用中，上述研究结果表明针对特定型号航空发动机可以建立估算nvPMmass_max的高精度近似方法。

基于ICAO航空发动机排放数据库中CFM公司在产航空发动机在LTO循环阶段的nvPMmass_max测量值和nvPMmass_STP测量值，由公式(2)可以计算得到CFM公司在产发动机nvPM排放测量系统的综合修正因子均大约为1.29，结果表明航空发动机的nvPM排放测量系统的修正因子与航空发动机型号无关。因此，在获得CFM公司在产航空发动机nvPMmass_max预测值的基础上，利用公式(2)可以进一步计算得到相应型号航空发动机的[nvPMmass_max]预测值。由于航空发动机nvPM排放测量系统的相关修正因子是确定的，故航空发动机LTO循环阶段的[nvPMmass_max]和nvPMmass_max相对预测误差是一致的，见表6。

表6 CFM公司在产航空发动机的[nvPMmass_max]值

根据ICAO CAEP/10航空发动机排放标准对在产航空发动机的nvPM排放性能要求，由公式(1)可以计算得到CFM公司在产航空发动机的nvPMmass_reg。在此基础上，基于该方法计算得到的CFM公司在产航空发动机的[nvPMmass_max]预测值和ICAO航空发动机排放数据库中给出的相应[nvPMmass_max]实际值，对相关航空发动机的nvPM排放性能进行了评估，其结果见表7。

表7 CFM公司在产航空发动机的nvPM排放性能评估

由表7可知：CFM公司在产航空发动机的nvPM排放性能预测结果与实际结果保持一致，其nvPM排放性能均是合格的；通过比较分析CFM公司在产航空发动机的相应[nvPMmass_max]预测值和实际值相对于nvPMmass_reg的占比，可以发现两者整体上也具有较高的符合性。同时，已有研究结果表明CFM公司在产航空发动机的nvPM排放性能在持续优化，最新的LEAP型号航空发动机nvPM排放性能得到了显著提升。因此，本文提出的基于等效程序的发动机航空发动机nvPM排放性能评估方法具有较高的可靠性，可用于预测航空发动机nvPM排放性能的变化情况。