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航空发动机污染物排放量估算方法

孙见忠 左洪福 刘鹏鹏 付宇

孙见忠, 左洪福, 刘鹏鹏, 付宇. 航空发动机污染物排放量估算方法[J]. 交通运输工程学报, 2012, 12(2): 53-61. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.02.008
引用本文: 孙见忠, 左洪福, 刘鹏鹏, 付宇. 航空发动机污染物排放量估算方法[J]. 交通运输工程学报, 2012, 12(2): 53-61. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.02.008
SUN Jian-zhong, ZUO Hong-fu, LIU Peng-peng, FU Yu. Estimation method of aeroengine pollution emissions[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2012, 12(2): 53-61. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.02.008
Citation: SUN Jian-zhong, ZUO Hong-fu, LIU Peng-peng, FU Yu. Estimation method of aeroengine pollution emissions[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2012, 12(2): 53-61. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.02.008

航空发动机污染物排放量估算方法

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.02.008
基金项目: 

国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合资助基金项目 60939003

详细信息
    作者简介:

    孙见忠(1982-), 男, 山东青岛人, 南京航空航天大学工学博士研究生, 从事航空发动机研究

    左洪福(1959-), 男, 湖南茶陵人, 南京航空航天大学教授, 工学博士

  • 中图分类号: V231.25

Estimation method of aeroengine pollution emissions

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  • 摘要: 借助发动机性能模型, 研究了发动机性能退化对氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、未燃碳氢化合物(UHC)与碳烟颗粒(Soot)排放的影响, 提出了基于飞行参数与发动机性能模型的污染物排放总量估算方法。利用ICAO排放数据拟合得到发动机地面状态下的参考排放指数, 利用相对法模型得到飞行状态下的排放指数, 根据航班飞行参数和发动机性能模型估算航班污染物排放总量。研究结果表明: 性能退化对污染物的排放指数影响较大, 仅考虑进对燃油消耗量的影响, 性能退化对NOx排放总量的影响较小, 但会引起CO、UHC与Soot排放总量的上升。执行中短途航班的双发民航飞机的NOx排放总量最高约为100kg, 其次为CO, 约为20kg, 而UHC和Soot的排放总量较低, 小于1kg。老化发动机的CO、UHC与Soot的排放总量增加约为10%, 而NOx排放总量增加约为2%。

     

  • 图  1  NOx参考排放指数

    Figure  1.  NOx reference emission index

    图  2  CO参考排放指数

    Figure  2.  CO reference emission index

    图  3  UHC参考排放指数

    Figure  3.  UHC reference emission index

    图  4  Soot参考排放浓度

    Figure  4.  Soot reference emission concentration

    图  5  实测燃油流量与性能模型预测值对比

    Figure  5.  Comparison of real fuel flow and its prediction value

    图  6  性能退化对E1的影响

    Figure  6.  Effect of degradation on E1

    图  7  性能退化对Cs的影响

    Figure  7.  Effect of degradation on Cs

    图  8  性能退化对E2的影响

    Figure  8.  Effect of degradation on E2

    图  9  性能退化对E3的影响

    Figure  9.  Effect of degradation on E3

    图  10  污染物排放总量估算方法

    Figure  10.  Estimation method of total pollution emissions

    图  11  航班飞行速度与高度

    Figure  11.  Flight speed and altitude

    图  12  发动机推力需求

    Figure  12.  Required engine thrust

    图  13  燃烧室进口温度和压力

    Figure  13.  Total pressure and temperature at inlet of combustion chamber

    图  14  NOx和CO排放指数

    Figure  14.  NOx and CO emission indices

    图  15  UHC排放指数和Soot排放浓度

    Figure  15.  UHC emission index and Soot emission concentration

    表  1  排放审定数据

    Table  1.   Emission certification data

    发动机工作状态 推力/% 工作时间/min 燃油流量/(kg·s-1) 排放指数/(g·kg-1) 冒烟数
    UHC CO NOx
    起飞 100 0.7 1.46 0.048 0.543 30.904 15.98
    爬升 85 2.2 1.15 0.023 0.251 21.828 13.38
    进近 30 4.0 0.36 0.045 2.144 9.557 2.11
    滑行 7 26.0 0.11 1.097 25.588 4.601 2.05
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    表  2  部件退化对发动机热力学参数的影响

    Table  2.   Effects of part degradations on engine thermodynamics parameters

    部件 E/% F/% ΔP3/kPa ΔT3/K ΔWf/(kg·s-1)
    Fan -2 -2 33.2 2.1 0.013
    LPC -2 -2 -21.6 3.6 0.010
    HPC -2 -2 -6.7 6.8 0.015
    HPT -2 2 -81.4 -8.9 0.027
    LPT -2 2 31.9 5.7 0.025
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    表  3  高压转子性能衰退模拟

    Table  3.   Degradation simulation of high pressure rotor

    部件 退化程度 1 2 3 4 5 6
    HPC F/% -1 -2 -3 -4 -5 -6
    E/% -1 -2 -3 -4 -5 -6
    ΔTE/K 5.6 9.1 12.8 16.8 20.9 25.3
    HPT F/% 1 2 3 4 5 6
    E/% -1 -2 -3 -4 -5 -6
    ΔTE/K 9.6 21.0 34.0 48.0 63.0 79.5
    HPC+HPT F/% ±1 ±2 ±3 ±4
    E/% -1 -2 -3 -4
    ΔTE/K 15.7 34.7 56.5 80.3
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    表  4  发动机污染物排放总量

    Table  4.   Total pollution emissions of engines

    排放量与油耗 新发动机 老化的发动机 变化量/%
    污染物排放总量/kg NOx 92.45 94.42 2.1
    CO 16.32 18.18 10.2
    UHC 0.50 0.56 11.6
    Soot 0.37 0.41 12.2
    总油耗/kg 6 610.2 6 829.0 3.3
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  • 收稿日期:  2011-11-20
  • 刊出日期:  2012-04-25

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