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基于LTO循环航空发动机排气污染物NO_x排放适航审定计算方法.pdf

基于LTO循环航空发动机排气污染物NO_x排放适航审定计算方法

nerwar
2012-10-28 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于LTO循环航空发动机排气污染物NO_x排放适航审定计算方法pdf》,可适用于工程科技领域

科技导报()侯晓云张天刚收稿日期:修回日期:作者简介:侯晓云讲师研究方向为数字化设计与制造技术电子信箱:zhangskycom中国民航大学机场学院天津中国民航大学航空自动化学院天津航空器要获得商业营运许可必须取得适航证适航要求是航空器安全飞行的最低法规性的保障因此研究航空发动机排放适航审定方式是非常有必要的。为解决中国民用航空发动机测试数据处理方式中的技术难点使飞机发动机排气污染物符合适航审定标准参考国际民航组织(ICAO)颁布的“飞机发动机排放”条例的规定设计了民用航空发动机排气污染物测量系统。测量系统的精度按标准规定用燃气分析测出的油气比与发动机实测油气比进行比较小于的属于合格。本研究的测量值与发动机所测的油气比的误差小于证明测量系统和测量技术是切实可行的。基于ICAO标准的起飞着陆(LTO)循环概念采用ICAO计算方法得出航空发动机NOx的排放指数。根据中国民航规章部(ChinaCivilAviationRegulationsCCAR)验证得出航空发动机JTD的NOx排放符合现行的适航标准。根据ICAO计算方式利用MFC开发了NOx适航审定系统可快速算出发动机NOx排放指数并可对发动机进行NOx排放适航审定。NOx排放起降循环测量技术审定系统VAjissnAirworthinessCertificationCalculationMethodofGasTurbineEngineNOxEmissionsBasedonLTOCycleHOUXiaoyun,ZHANGTiangangAirportCollege,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin,ChinaAeronauticalAutomationCollege,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin,ChinaTheairworthinesscertificationisnecessarybeforetheaircraftentersintothecommercialoperationTherequirementoftheairworthinessisthebasicregulationguaranteeforthesafeflightofaircraftthereforeitisnecessarytostudytheairworthinesscertificationmethodforgasturbineengineemissionsInordertosolvethetechnicaldifficultyofthemethodsinvolvinggasturbineengineemissiontestdataandmeettherequirementforengineemissionsairworthinesscertificationstandard,anemissionmeasuringsystemisdesignedwithreferencetoAircraftEngineEmissionspromulgatedbytheconventionofICAOTheaccuracyofthissystemisnomorethan,itismuchbetterthanbasedontheprocedurefortheanalysisandevaluationofgaseousemissionsfromaircraftenginesrequirement,sothatthesamplingandmeasurementsystemisprovedfeasibleCalculationofNOxemissionindexfromaircraftisdevelopedbyusingICAOmethodbasedontheICAOstandardinvolvingLandingandTakeOff(LTO)cycleJTDNOxemissioniscompatiblewiththeexistingregulatorystandardsaccordingtoCCARAccordingtothemethodofICAO,asystemfortheairworthinesscertificationofgasturbineengineemissionsisdevelopedbyMFCandNOxemissionindexoftheenginecouldbequicklycomputedNOxemissionLTOcyclemeasurementairworthinesscertification研究论文(Articles)科技导报()图取样系统简图FigSchemeofmeasurementsystem表航空发动机的LTO循环TableLTOcycleofaircraftengine引言随着环保和健康意识的不断增强人类对民航发动机污染排放特别是氮氧化物(NOx)的排放要求越来越严格。国际民航组织(ICAO)对民用航空发动机的排放污染物制定了排放标准并要求在规定期限内执行。为了促进中国航空事业的发展和适应国际竞争的需要年中国开始研究航空燃气涡轮发动机排气污染问题制订了《航空燃气涡轮排气冒烟测量规范》和《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》编号为HB和HB。中国虽然制定了污染物的排放审定标准具体的航空污染物排放适航审定计算方式并未实施。本研究的目的是解决中国民用航空发动机测试数据的处理方式中的技术难点使之符合飞机发动机排气污染物的适航审定标准。NOx污染物的标准ICAO标准起降循环(LTO)模型为了计算发动机排气污染物的排放限额ICAO颁布的芝加哥公约附件第二卷中规定了标准起降循环(LandingandTakeoffLTO)它将起降循环划分为慢车、起飞、爬升和进近(不包括巡航阶段)个阶段它定义LTO上限为从地表到大气边界层顶部高度m(英尺)的地方如图。排放标准为控制民用航空发动机对环境和气候变化造成的影响ICAO下属机构航空环境保护委员会(CEAP)于年颁布了《航空发动机的排放》标准该标准主要考虑发动机LTO循环(起飞、爬升、慢车和进场)阶段其中涉及民用航空发动机的排放污染为冒烟、CO、NOx和碳氢化合物(HC)。排气污染参数定义为LTO循环期间排放污染物的量与发动机额定推力之比用DpF∞来表示即DpF∞=移WfjEIjtjF∞式中Dp为发动机在LTO循环某阶段排放污染物的总量(g)Wfj为LTO循环某阶段的燃油流量(gs)EIj为LTO循环某阶段某污染物的排放指数tj为LTO循环某阶段的运行时间(s)具体运行时间由ICAO规定F∞为该发动机的额定推力(kN)。作亚音速飞行的航空发动机在LTO循环中的功率和状态工作时间规定如表。在表中F∞为在海平面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。中国民用航空局对作亚音速飞行的航空器上的所有涡扇和涡喷发动机排放NOx污染物的规定值为:年月日及其后制造的额定输出等于或大于kN(磅)民用航空发动机NOx污染物排放值不得超过((rPR))gkN其中rPR为发动机额定压力比。航空发动机气态污染物NOx审定航空发动机排放审定实验分析取样头设计成十字交叉性混合式取样点为点每个象限不少于点按等面积螺旋型分布而且是均匀分布以减少排气周向分布不均匀对测量结果的影响。取样小孔的直径按小孔处压降占取样总压降的为准小孔直径准=mm取样管直径为准=mm。取样头放置在距排气喷口倍喷口直径处取样系统如图。取样头出口到碳氢分析仪前的管路采用自动控温保温装置保温在(±)℃。管路在一氧化碳、二氧化碳和氮图ICAO标准LTO循环模型FigLTOcycle工作状态推力点发动机测试时间min慢车进近爬升起飞%F∞%F∞%F∞%F∞研究论文(Articles)科技导报()以上所测量的数据精度必须按标准进行校验。根据美国环境保护局的标准ARPA的规定对计算得出的油气比(FA)与所测的发动机油气比大功率(起飞状态)时两者误差应在以内小功率时两者误差应在以内。计算所得与实测的FA数据列于下表其中空气流量是指核心发动机的空气流量。为CHONS发动机进口空气组成如表所示。原始公式中使用的成分均为真实情况(含水蒸汽的容积浓度)称为“湿基”实测中某些气体成分由于测试仪器的限制必须除去水分称为“干基”。因此计算中必须将“干基”成分修正到“湿基”。本文测量采用的仪器测出的组分中HC为“湿基”CO、CO和NOx均为“干基”。根据文献给出。“湿基”浓度=Kד干基”浓度K=nmTnmT!"hxHCW(h)HCWyxnm!"(h)nmCOdCOd#$nmT!"hNOdCOd式中w指排气中各组分的容积浓度湿基m和n为燃油中分子常数由燃油技术条件确定x和y为排气中碳氢化合物的分子常数CxHy可以取x=y=因为碳氢化合物通常折合为CH计算d代表排气中各组分容积浓度“干基”。表为“干基”样本数据转化为“湿基”样本数据。表发动机不同工况下的排放测量数据TableMeasuredemissiondataofenginewithdifferentoperationconditions氧化合物等分析前样气经过冷却、半干燥、干燥后由真空泵抽取送入仪器分析并保持温度大于℃。HC分析仪用美国贝克曼型火焰离子检测碳氢分析仪CO和CO的测量采用国产QGS型非分散型红外分析仪。NOx的分析采用日本理研公司生产的RSL型发光检测氮氧化物分析仪真空泵为国产无油薄膜式真空泵。在发动机起动过程中为了避免燃油污染取样管路安装了倒吹气系统用冷气瓶供气电磁活门控制。到达取样状态时就切断倒吹气路由真空泵抽取取样。在试验过程中严格按照ICAO附件第二卷规定的功率和其对应的时间。航空发动机排放数据分析在北京维修基地对机号为的JTD航空发动机进行排气污染测量所得的不同工况下污染物排放量如表所示。在该实测中所用的航空煤油为JetA其分子式状态额定推力燃油量(kg·h)CO体积分数mNOx体积分数mNO体积分数mHC体积分数mCO体积分数慢车进近爬升起飞表发动机进口空气组成TableInletairconstitutionofengine空气组成数值O在空气的摩尔分数R(O)N在空气的摩尔分数S(N)CO在空气的摩尔分数T(CO)CH在空气的摩尔分数U(CH)HO在空气的摩尔分数h(HO)表发动机不同工况下修正后的“湿基”排放数据TableCorrectedwetdataofenginewithdifferentoperationconditions燃油量(kg·h)CO体积分数mNOx体积分数mNO体积分数mHC体积分数mCO体积分数状态慢车进近爬升起飞额定推力表FA污染排放及发动机气量油量测量计算的比较TableARPcomparisonbetweenemissiondataandenginefuelflowratedata状态额定推力燃油量(kg·s)空气量(kg·s)气油比计算气油比误差研究论文(Articles)科技导报()由表可见测出燃气成分进而计算所得的油气比与实测油气比接近误差不超过比标准规定的误差范围要小这表明整个取样系统具有代表性测量技术是可行的。ICAO的计算方法根据ICAO《航空发动机的排放》标准规定的CxHy中的x=y=在慢车状态下Z=COw(xyx)HCwNOwCOwCOwHCw=Pm=Znm(hTZ)=EINOx(idle)=NOxwCOwCOwHCwMNOMC(nm)MH·(T(Pm))=gkg式中MNO为NO的分子量等于gMC为C的原子量等于gMH为H的原子量等于g。同理可得NOx在进近、爬升和起飞状态下的NOx排放指数EI分别为EINOx(approach)=gkgEINOx(climb)=gkgEINOx(takeoff)=gkg根据ICAO数据库查得JTD的最大推力为kNrPR=。得到DpF∞=移WfjEIjtjF∞=gkN中国民航局规定NOx排放不得大于(×)=gkN所以该发动机排放的NOx符合适航审定要求。航空发动机NOx排放审定系统设计与实现系统的软件设计主要是数据处理设计在VC开发平台下利用MFC进行系统开发设计和实现。航空发动机NOx排放审定系统主要包括三部分:试验数据输入、数据处理、系统审定。审定结构如图所示。()试验参数包括发动机试验数据、环境参数、发动机型号及燃油类型。发动机数据包括:发动机型号、发动机额定推力环境参数包括相对湿度、大气压力、环境温度法规标准限制根据法规选定尾气成分NOx的限值。()数据处理依据ICAO算法得到慢车、进近、爬升及起飞的排放指数。()根据排放法规对该发动机进行审定。根据以上的设计步骤设计实现了通用计算程序便于进行自动计算其输入与输出形式如图图所示。从其中的数据可以看到系统算出的各个工况下的发动机排放指数与计算的排放指数非常接近同时得出发动机JTD的NOx排放符合现行的排放标准。图审定结构图FigDiagramofcertificationsystem图排放审定初始界面FigInitialinterfaceofemissioncertificationsystem图发动机JTD计算结果FigCalculationresultofengineJTD研究论文(Articles)科技导报()图发动机JTD审定结果FigCertificationresultofengineJTD结论本文通过建立航空发动机排气污染物取样系统分析了取样样本数据得出结论如下。()本文所建立的取样系统和取样技术切实可行测量精度在以内。()运用ICAO计算方式得出发动机NOx排放指数。根据CCAR验证得到发动机JTD的NOx排放符合现行的排放标准。()利用MFC开发了NOx适航审定系统该系统能快速地计算出标准个状态下的排放指数并对发动机NOx排放进行排放审定。该系统对发动机排放数据处理具有一定的实际意义。参考文献(References)赵坚行民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势J航空动力学报,,():ZhaoJianxingJournalofAerospacePower,,():中华人民共和国航空航天工业部HB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北京:航空工业部,MinistryofAviationIndustryofChinaHBprocedureforanalysisandevaluationofgaseousemissionfromaircraftturbineenginesSBeijing:MinistryofAviationIndustry,吴寿生,王华芳.航空燃气涡轮发动机排气冒烟测量规范SHB北京:航空工业部,WangHuafang,WuShoushengAircraftgasturbineengineexhaustsmokemeasurementSHBBeijing:MinistryofAviationIndustry,KristinRAircraftemissionsCAIAA,Proceedingsofthestaerospacesciencesmeetingandexhibit,AmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics,Reno,Nevada,InternationalCivilAviationOrganizationAircraftengineemissionSMontreal:InternationalCivilAviationOrganization,中国民用航空局中国民用航空规章第部S,北京:中国民用航空局,CivilAviationAdministrationofChinaChinacivilaviationregulationSBeijing:CivilAviationAdministrationofChina,王华芳,林宇震,刘高恩高压燃烧试验中气体污染物的测量J燃气涡轮试验与研究,,():WangHuafang,LinYuzhen,LiuGaoenGasTurbineExperimentandResearch,,():刘高恩,王华,吕品,等飞机发动机排气污染物的测量J航空动力学报,,():LiuGaoenWangHua,LvPin,etalJournalofAerospacePower,,():SocietyofAutomotiveEngineersProcedurefortheanalysisandevaluationofgaseousemissionfromaircraftturbineenginesRWashingtonDC:SocietyofAutomotiveEngineers,InternationalCivilAviationOrganizationEnvironmentalprotectionannexvolumeIIaircraftengineemissionsRMontreal:InternationalCivilAviationOrganization,SocietyofAutomotiveEngineersProcedureforthecontinuoussamplingandmeasurementofgaseousemissionfromaircraftturbineenginesRWashingtonDC:SocietyofAutomotiveEngineers,欧阳志宏,董霖,钟俊华MFC程序设计轻松入门M北京:人民邮电出版社,OuyangZhihong,DongLin,ZhongJunhuaMFCprogramdesignMBeijing:PostsTelecomPress,·科学共同体介绍·中国电机工程学会中国电机工程学会(ChineseSocietyforElectricalEngineering)成立于年。年月中国第一家发电公司上海电气公司正式投入商业化运营拉开了中国电力工业发展的序幕。年月清华大学电机工程系主任在《电工》杂志上发表了“中国电工学会的发起”一文倡议组织电机工程界的学会。年月浙江大学工学院院长、上海交通大学工学院院长等人联署刊出了“中国电机工程师学会缘起”一文将发起组织的意旨陈述于全国电机工程界。年月日在上海成立了中国电机工程师学会(中国电机工程学会前身)。年学会经历重建。、、、等历任学会理事长。中国电机工程学会是中国共产党领导下全国电机工程科学技术工作者自愿组成并依法登记成立的非营利性的学术性法人社会团体是我国电机工程科技事业的重要社会力量。学会工作总部设在北京挂靠国家电网公司接受中国科学技术协会和中华人民共和国民政部的业务指导和监督管理。中国电机工程学会设立中国电力科学技术奖主办《动力与电气工程师》、《中国电机工程学报》等刊物参加的国际组织或国际会议有电气电子工程师学会、国际大电网会议、国际供电会议委员会、电机工程国际会议等。国际大电网会议中国国家委员会秘书处设在中国电机工程学会。年月中国电机工程学会第九次全国会员代表大会暨建会周年纪念大会在北京召开选举为理事长为秘书长。研究论文(Articles)

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