, 汤鑫豪, 苗佳禾中国民航大学航空工程学院, 天津 300300
收稿日期: 2019-03-26; 修回日期: 2019-06-08; 录用日期: 2019-06-08
基金项目: 中国民航大学开放基金(No.000031020102)
作者简介: 曹惠玲(1962-), 女, 教授, E-mail:hlcao@cauc.edu.cn
通讯作者（责任作者）: 曹惠玲(1962—), 女, 教授, 博士, 主要从事航空器节能减排与航空发动机性能分析方面工作, 目前已发表论文60余篇.E-mail:hlcao@cauc.edu.cn
摘要：飞机起飞着陆循环（LTO）阶段包含高推力的起飞和爬升阶段，具有排放强度高、排放特性不稳定的特点.同时，该阶段飞行高度低，尾气排放会直接影响机场周边人群.因此，本文依据机载快速存取记录器（QAR）数据中的低压转子转速等特征参数，对LTO进行精确的阶段划分.同时，建立发动机排放特性参数与推力关系模型，并使用P3-T3方法对国际民航组织公布的发动机各阶段排放指数进行修正，最终计算GE90-115B发动机某次LTO阶段的实际氮氧化物排放量.结果表明，该方法与国际民航组织推荐的标准LTO估算方法相比，总量相差约40%，与原有的BM2方法相比也存在一定差异.分析认为，这种依据QAR实际飞行数据并结合发动机排放特性参数的发动机排放量计算方法，可以更加真实地反映发动机性能对排放特性的影响，可很好地适用于具体航班氮氧化物排放量的精确估算，为近地面飞机排放评估乃至机场排放清单的编制提供更加准确的依据.
关键词：氮氧化物P3-T3方法排放指数快速存储记录器(QAR)
Calculation and analysis of nitrogen oxide emission from airplane LTO stage based on P3-T3 method
CAO Huiling
, TANG Xinhao, MIAO JiaheCollege of Aeronautical Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300
Received 26 March 2019; received in revised from 8 June 2019; accepted 8 June 2019
Abstract: The airplane LTO (take-off landing cycle) phase includes high-thrust take-off and climb phase, which introduces high emission intensity and unstable emission characteristics. The exhaust emissions will directly affect the surrounding population due to the low flight altitude in this phase. Based on the low pressure rotor speed and other characteristic parameters in the quick access recorder(QAR) data, the LTO is accurately divided into several stages. Establishing the engine emission characteristic parameters and the thrust relationship model, using the P3-T3 method correct the emission index of each stage of the engine published by ICAO, and finally calculate the actual nitrogen oxide emission of the GE90-115B engine in a certain LTO stage. The calculation result shows a total difference of around 40% compared with the standard LTO estimation method recommended by ICAO, which is also different from the existing BM2 method. According to the analysis, this kind of engine emission calculation method based on QAR actual flight data combined with engine emission characteristic parameters, can reflect the influence of engine performance on emission characteristics more accurately, as well as improving estimation of NOx emissions from specific flights. This method provides a more accurate basis for the assessment of NOx pollution in near-surface aircraft and the construction of airport emissions inventory.
Keywords: nitrogen oxidesP3-T3 methodemission indexquick access recorder (QAR)
1 引言(Introduction)飞机在运行的各个阶段都会产生大量的污染物, 航空器LTO(Land and Take-off)阶段定义为地面到大气层边界面3000英尺高度内的空间, 该高度以下的航班污染物排放与扩散会直接影响机场周边地区的环境与空气质量(Liu et al., 2017).随着近年来空港经济区概念的提出, 愈来愈多的企业、商圈、居民区向机场附近区域聚集, 航空器在LTO阶段产生的污染物排放也因此受到公众更多的关注.
与此同时, 现代民用飞机设计理念中突出强调了“四性”—安全性、经济性、舒适性、环保性, 将环保的重要程度再次提升.国际民航组织与各个国家适航当局以适航法规的形式, 对商用飞机的污染物排放水平也进行了一系列的明文规定.对于航空发动机制造商来说, 在不断提升发动机性能的同时, 必须降低飞机发动机的污染物排放, 以满足日益严苛的适航标准.
在运行过程中, 航空发动机产生的主要污染物包括一氧化碳、氮氧化物、未完全燃烧烃、硫氧化物及颗粒物等, 前四类归为气态污染物, 其中, 硫氧化物由航空煤油中未去除的含硫化合物杂质产生.航空器制造商及运营商难以通过燃烧室设计或飞行程序的优化来实现减排, 对于硫氧化物的排放应通过燃油生产商的加工环节加以控制, 因此, 不在航空器减排措施的考虑范围内.对于颗粒物排放, 现代商用发动机的碳烟颗粒排放量通过燃油雾化等燃烧室结构优化设计方法已经得到了较好的控制, 且颗粒物计算方法和气态污染物的排放计算遵循不同的计算方法体系(Kinsey et al., 2010；闫国华等, 2016；Moore et al., 2017), 本研究不做深入讨论.
对于其余3种气态污染物, 根据现阶段国际民航组织(ICAO)公布的排放数据库(ICAO, 2013)估算, 部分发动机LTO阶段污染物排放量如表 1所示.从表 1可以看出, NOx是航班LTO阶段的主要气态污染排放物, 特别是在起飞和爬升的近地面高推力飞行阶段, 将直接对机场周边区域环境产生较大影响, 对以机场为活动中心的人群造成了较大的危害(Sch?fer et al., 2003；Yunos et al., 2017).
表 1(Table 1)
| 表 1 部分主流航空发动机ICAO排放数据库 Table 1 ICAO emission database of partial major aeroengine | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 1 部分主流航空发动机ICAO排放数据库 Table 1 ICAO emission database of partial major aeroengine
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污染物排放估算结果取决于排放指数、各分阶段运行时间、燃油流量这3个方面.目前我国对于航空排放污染物的估算研究仍处于起步阶段.其中, 夏卿等(2008)使用国际民航组织的基准排放模型, 直接采用ICAO标准排放数据库中发动机在LTO各个分阶段的排放指数、燃油流量, 结合LTO各个分阶段的运行时间进行了排放量的估算, 但没有考虑实际的运行时间和燃油流量.还有****使用以SAGE为代表的排放模型(曹惠玲等, 2013), 以及实际飞行数据的燃油流量、运行时间等关键参数来估算发动机的排放量(李娜等, 2015；韩博等, 2016), 但没有对各个分阶段排放指数进行准确的修正.实际上, 航空发动机的实际排放指数不仅与发动机的机型有关, 还直接受发动机性能的影响, 燃烧室入口处的温度、压力、油气比、燃油掺混程度等性能参数都会影响发动机的实际排放指数(Tsague et al., 2007；ICAO, 2008；2011).此前, 国内有研究人员使用燃烧室入口温度、入口压力、空气流量修正排放指数估算了发动机的排放量(曹铭栋等, 2015), 但尚未有使用实际QAR数据并综合考虑燃烧室入口温度、压力、油气比、燃烧室掺混类型等直接影响燃烧室排放特性的发动机性能参数来修正排放指数并估算氮氧化物排放量的研究, 导致估算结果存在一定的偏差.
基于此, 本文选择现役主流宽体机型B777-300ER的动力装置GE90-115B发动机作为研究机型, 根据其一个完整航程的LTO阶段QAR记录参数, 依据低压转子转速准确划分各个LTO分阶段.同时, 使用P3-T3方法, 利用对应的发动机性能参数对每一时间帧下的排放指数进行修正, 结合每一瞬态的燃油流量, 对发动机LTO阶段(3000英尺以下)各分阶段的氮氧化物排放量进行准确估算.最后, 将估算结果与使用ICAO标准排放数据库估算方法所得结果进行对比, 以期为航空器排放限值标准的修订和机场周边地区污染物环境监控, 乃至机场排放清单的编制提供参考.
2 氮氧化物排放估算方法(Estimation method of nitrogen oxide)目前, 航空发动机燃烧室中产生氮氧化物的主要途径是在高温条件下, 在火焰区和火焰后的高温区域内反应生成热力型氮氧化物(Thermal NO), 氮氧化物的排放特性与燃烧室温度直接相关, 而燃烧室温度又由发动机推力级别决定, 这也是本研究所采用的P3-T3方法的理论依据.航空发动机在LTO循环的各个阶段均会产生一定量的氮氧化物排放, 从而对机场周边地区空气质量造成影响.目前对于航空发动机氮氧化物的排放测量, 有使用FTIR遥感航空发动机排放的监测技术(Heland et al., 1998), 以及插入式的测量技术(刘高恩等, 2003).
现行的测量方法仅适用于发动机地面台架试验, 或者贴近地表的氮氧化物浓度测量, 对于LTO阶段飞行过程中的实时排放测量难度较大, 可行性较差, 因此, 可采用下述方法进行排放量的估算.
2.1 基于标准LTO循环的排放量估算法国际民航组织计算气体污染物排放的方法是利用ICAO数据库中认证的数据或相似来源的标准LTO循环排放数据来估算气体污染物的排放量, 标准LTO阶段划分为起飞(T/O, Take-off)、爬升(CL, Climb)、进近(APP, Approach)、慢车(ID, Idle), 具体如表 2所示.
表 2(Table 2)
| 表 2 LTO分阶段时间划分 Table 2 Division of LTO in stages | |||||||||||||||
表 2 LTO分阶段时间划分 Table 2 Division of LTO in stages
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获取排放数据库中的分阶段燃油流量Ff(kg·s-1), 将分阶段燃油流量和各分阶段的时间t(s)做乘积运算, 可得出分阶段燃油消耗量Qf(kg), 计算公式见式(1).
 | (1) |
 | (2) |
 | (3) |
2.2 基于QAR数据的P3-T3修正排放量估算法实际排放量通过运行时间、燃油流量及实时排放指数计算得出.为估算发动机的实际排放量, 首先要使用QAR实测数据, 利用其中的低压转子转速、飞行高度、油门杆解算器角度等参数对飞行阶段进行准确划分.完成对飞行阶段的准确划分后, 可以确定航空器在LTO循环各分阶段对应的运行时间和燃油流量, 并确定ICAO排放数据库中对应的各分阶段原始排放指数.
航空发动机排放特性通过实时排放指数反映, 实时排放指数与发动机燃烧室入口温度、入口压力、油气比等影响燃烧品质的状态参数直接相关.P3-T3方法通过基准排放指数, 结合实际飞行状态的发动机燃烧室入口压力P3、油气比FAR计算得出各个瞬态时间帧下的实时排放指数, 计算公式如下所示：
 | (4) |
由于ICAO排放数据库中的LTO各阶段原始排放指数和各分阶段实时排放指数不尽相同, 为计算LTO 4个阶段实时排放指数EINOxFLT, 从公式(4)可以看出, 需要获得基准状态下的EINOxREF、P3REF、FARREF值, 基准状态下的P3REF、FARREF与燃烧室入口温度T3紧密相关.因此, 可利用新机在地面测试条件下不同推力等级的燃烧室入口温度T3, 对ICAO排放数据库中的排放指数及4个基准推力对应的燃烧室入口压力P3、油气比FAR进行插值计算, 以求解4个基准下的排放指数EINOxREF、燃烧室入口压力P3REF、油气比FARREF, 具体如公式(5)~(7)所示.
 | (5) |
 | (6) |
 | (7) |
公式(5)中的EINOxREF为不同推力条件下的基准排放指数, 可以通过检索ICAO排放数据库发动机在4个基准推力值下的原始排放指数, 利用各状态下燃烧室的进口温度T3对数插值得出.
由于ICAO排放数据库不包含发动机生产商测试的发动机性能参数, 可利用新机在地面基准条件下实验测得多个推力状态下的数据点.为获取公式(6)和公式(7)中的P3REF、FARREF值, 可以对新机地面基准测试状态下的燃烧室入口压力P3、燃油流量Ff、核心机空气流量W25, 利用各状态下燃烧室的进口温度(T3)的对数进行插值, 以获得新机在所取各推力条件下对应的P3REF、FARREF值.
除使用地面测试数据, 结合上述插值公式计算之外, 也可依据新机QAR数据建立该机型各个推力条件下的发动机性能关系模型, 用于计算P3REF、FARREF, 以此作为后续同样机型排放计算的依据.
发动机的推力可以用低压转子转速N1值表征, 对于P3和T3, 筛选基准状态下的运行性能参数, 建立对应的发动机性能参数关系模型, 具体如图 1所示.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 燃烧室入口温度(a)及压力(b)与发动机转速关系 Fig. 1Relationship of combustion chamber inlet temperature(a) and pressure(b) and engine speed |
推力和油气比(N1-FAR)不呈现明显函数关系, 可分别建立推力和燃油流量Wf、核心机空气流量W25的变化关系, 根据FAR=Wf/W25的关系间接求得FAR的解析函数关系.
在完成对温度、压力、油气比性能模型的建立后, 即可获取任意推力条件下的P3REF、FARREF.此时, 结合公式(4)可以计算得到各个瞬态时间帧下的实时动态排放指数EINOxFLT.将计算结果和各个瞬态时间帧下的机载QAR数据记载的燃油流量及时间求积分得出各阶段氮氧化物排放量E′m(式(8)), 并得出LTO阶段的氮氧化物总排放量T′em (式(9)).
 | (8) |
 | (9) |
3.1 标准LTO循环估算方法实例如前文所述, 根据ICAO的GE90-115B发动机数据库查得各分阶段的燃油流量, 与分阶段时间t做乘积, 使用公式(1)可计算得出单台发动机分阶段燃油消耗量Qf, 计算结果如表 3所示.
表 3(Table 3)
| 表 3 ICAO排放数据库GE90-115B发动机分阶段燃油消耗量 Table 3 GE90-115B staged fuel flow of ICAO emissions database | |||||||||||||||
表 3 ICAO排放数据库GE90-115B发动机分阶段燃油消耗量 Table 3 GE90-115B staged fuel flow of ICAO emissions database
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根据ICAO的GE90-115B发动机数据库, 查得各分阶段的原始排放指数, 根据表 3计算得出各个分阶段的燃油消耗量和原始排放指数, 使用公式(2)~(3)计算得出单台发动机分阶段的排放量Em和LTO阶段排放总量, 结果如表 4所示.
表 4(Table 4)
| 表 4 ICAO排放数据库GE90-115B发动机LTO循环氮氧化物排放量 Table 4 PWGE90-115B staged emission index of ICAO emissions database | |||||||||||||||||
表 4 ICAO排放数据库GE90-115B发动机LTO循环氮氧化物排放量 Table 4 PWGE90-115B staged emission index of ICAO emissions database
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3.2 基于P3-T3方法的QAR数据估算方法实例使用QAR实测数据估算排放量时, 需提取各飞行阶段实际燃油流量数值和时间, 计算得出Qf准确值, 因此, 使用QAR实测数据首先要根据规定准确划分飞行阶段.本研究使用某次航班(机型B777-300ER, 发动机机型GE90-115B)一次航行的实际QAR数据, 结合低压转子转速(N1, 图 2a)、飞行高度(图 2b), 以及空地传感器指示、油门杆解算器角度等参数, 对各个飞行阶段进行准确划分.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 低压转子转速趋势(a)及飞行高度趋势(b) Fig. 2Trend chart of N1 speed(a) and flight altitude(b) |
该次航班起飞时所处机场海拔为2ft, 当QAR数据中显示高度为2ft时, 飞机处于慢车或起飞滑跑阶段.观察发动机QAR数据的实时变化, 在1~2216 s, N1值保持在20.6 r·min-1附近, 推力杆角度保持在33.88°附近, 空地指示器显示“ONGRND”标识, 说明该阶段处于慢车阶段.在2217~2278 s, N1快速增加至103 r·min-1, 推力杆角度移动到81.61°, 空地指示器显示“ONGRND”标识, 判断该阶段处于起飞滑跑阶段.2279~2356 s, 空地指示器显示“INAIR”标识, 推力杆角度回收到71.94°, 此阶段处于爬升阶段, 此后飞机飞行高度超过3000 ft, 脱离LTO阶段, 进入巡航阶段.直至51779 s, 飞机高度降至3000 ft以下, 到飞机降落的52353 s, 属于进近阶段.在以上飞行阶段准确划分的基础上, 需要进一步计算得出不同飞行阶段各个瞬态时间帧下的实时排放指数.
为更准确且便捷地建立性能参数变化关系线, 本研究以低压转子转速占额定全推力转速的百分比(C(N1))为推力特征参数, 使用同机型的新机实测地面运行参数, 筛选出发动机在从慢车起动到满功率的运行性能参数, 建立P3-C(N1)、T3-C(N1)的发动机性能参数关系模型, 结果如图 3a、3b所示.建立燃油流量Wf-C(N1)和核心机空气流量W25-C(N1)的变化关系模型, 结果如图 3c、3d所示.根据FAR=Wf/W25的关系间接求得FAR的解析函数关系.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 P3-C(N1)(a)、T3-C(N1)(b)、Wf-C(N1)(c)及W25-C(N1)(d)性能关系模型 Fig. 3Performance relationship model of P3-C(N1)(a), T3-C(N1)(b), Wf-C(N1)(c) and W25-C(N1)(d) |
使用所建立的性能模型, 可求得发动机在各个推力条件下的排放特征性能参数值.其中, 在ICAO所规定的4个基准推力状态下排放特征参数如表 5所示.
表 5(Table 5)
| 表 5 基准推力点排放特征参数 Table 5 Emission characteristics thermodynamic parameters of reference thrust point | ||||||||||||||||||||||||||||||
表 5 基准推力点排放特征参数 Table 5 Emission characteristics thermodynamic parameters of reference thrust point
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此时, 使用该机型实际航班的飞行QAR数据, 根据以上性能模型分别计算发动机在各个瞬态时间帧的基准排放指数EINOxREF、基准燃烧室入口压力P3REF、基准油气比FARREF, 结合式(4)得出各个瞬态时间帧下的实时排放指数.结合QAR数据记录的各个分阶段时间, 计算LTO阶段的排放量.
将ICAO模型计算方法和使用QAR实测数据的P3-T3计算方法的结果进行对比, 结果如表 6所示.为了进一步研究P3-T3方法和其他估算方法的区别, 表 6中加入了对该航班QAR数据利用BM2方法(魏志强等, 2016；曹惠玲等, 2018)修正的氮氧化物排放量估算结果, 通过对比表 6的结果可以发现, 两种方法的计算结果存在较大差异, P3-T3方法和使用BM2方法修正的结果相比也有一定差异.
表 6(Table 6)
| 表 6 计算结果对比 Table 6 Comparison of calculation results | ||||||||||||||||||||||||||
表 6 计算结果对比 Table 6 Comparison of calculation results
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与标准LTO循环估算方法对比, 使用QAR数据的两种修正方法估算得出的结果均有较大差异, 这是由于QAR数据真实反映了具体航班的实际运行情况, 实际运行过程中由于飞行程序和操作差异, 导致LTO各分阶段时间、燃油流量与理论模型不符.以本航班为例, 根据QAR数据记录, 1~2216 s为慢车阶段, 远高于表 2中国际民航组织提供的参考慢车阶段运行时间(1560 s)；爬升阶段耗时77 s, 低于提供的参考爬升时间(132 s)；进近阶段共耗时575 s, 也远高于国际民航组织提供的参考进近时间(240 s).与此同时, 理论模型使用分段函数形式的原始排放指数, 没有加以修正.参考其他****计算污染物的估算结果(李超役等, 2017)中, 计算的差异值也超过40%, 由此可见, 差异较大并不是特例.
使用P3-T3方法与BM2估算方法相比也存在一定差异, 主要体现在对实时排放指数的修正方法上.P3-T3方法的本质是综合考虑燃烧室入口温度、压力、油气比对实时排放指数的影响, 完成对排放指数的修正.而BM2方法的本质正如参考文献(李超役等, 2017)所描述的, 是在具体推力对应的燃油流量基础上, 引入外界环境温度、压力对燃油流量和排放指数的修正, 不能反映燃烧室实际工况对实时排放指数的影响.以本次飞行过程中的爬升阶段为例, 飞机实际使用了93%的推力做持续爬升, 与理论爬升参考推力(85%)偏差较大, 使得燃烧室温度明显高出理论值, 再考虑发动机实际存在的性能衰退, 为达到额定的推力需要喷射更多的燃油, 使得燃烧室温度进一步升高.由于在高推力条件下的实时排放指数对燃烧室温度变化更为敏感, 使得综合考虑了燃烧室实际工况的P3-T3方法爬升阶段排放估算结果, 显著高出仅进行外界大气温度、压力修正的BM2方法爬升阶段排放估算结果.P3-T3方法使用不同基准推力条件下的燃烧室入口温度对原始排放指数进行插值, 充分考虑了发动机性能对实时排放指数的影响, 在掌握发动机性能曲线的前提下, 使用P3-T3方法可以更真实地反映燃烧室实际工况, 提高估算精度.
由此可见, 使用P3-T3方法得出的估算结果与原有结果具有较大偏差, 这正是修正原理不同, 以及具体航班实际运行情况的反映共同作用的结果, 具体分析原因可概括为以下几点.
第一, 实际运行程序及飞行员操作差异.在实际运行过程中, 由于延误、管制等因素, 飞机在慢车、进近阶段的时间往往不可预见, 造成实际LTO分阶段时间与理论模型不符.当空域繁忙时, 可能需要在跑道上以慢车状态滑行很久才能起飞, 而空域空闲时则很快可以起飞.另外, 飞行员也不完全会按照ICAO模型的参考推力级别进行飞行, 从而造成燃油流量与理论模型不符.以起飞时为例, 本次飞机的左侧发动机最大N1转速达到了103%, 也有公司要求在起飞阶段施行减推力起飞以降低油耗和起飞噪声, 这也使得实际氮氧化物排放量与ICAO模型计算量产生差异.
第二, 实际发动机性能和排放特性的差异.实际运行的发动机受到外部环境、使用年限、维护情况等诸多因素影响, 造成同一推力级别下燃油流量差别较大.燃烧室也往往存在燃油喷嘴积碳或堵塞等现象, 造成雾化、掺混效果受到影响从而降低燃烧效率, 因此, 需要额外的燃油来保障推力的稳定, 这也带来实际燃油流量与理论模型的差异, 导致实际排放量的增多.
第三, 修正原理不同.与BM2方法相比较, 在建立发动机性能模型的基础上, P3-T3方法通过计算基准推力点的性能参数, 能够较为准确地对实时排放指数进行修正, 从而降低排放量的估算误差, 提高计算精度.
4 结论(Conclusions)本研究借助QAR数据, 对某机队GE90-115B发动机实际运行情况下燃油消耗进行计算与分析.使用直接影响排放特性的燃烧室入口温度、入口压力、油气比, 利用P3-T3修正方法修正ICAO数据库固有的排放指数, 对单次航班LTO阶段氮氧化物的排放量进行了估算.结果表明, 相比于标准LTO循环的排放量估算法, 基于QAR数据计算得出的氮氧化物排放量更贴合实际航班运行情况, 所使用的P3-T3方法将影响发动机排放特性的性能参数纳入考虑因素, 反映了发动机性能对排放特性的影响.该方法可为机场周边区域污染物排放量的监测和精确评估提供参考依据和新的估算思路.
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