環境對發動機工作的影響分析

桑會文

摘要:外界飛行環境復雜多變,它不僅會影響到發動機的推力經濟性,還可能影響到發動機的工作安全。本文全面分析了外界環境對發動機工作的影響,其中既包括大氣溫度,壓力,濕度,高度對發動機的推力和經濟性的影響。同時還有其他特殊的外界條件如發動機吸入水,發動機積冰,鳥擊和風沙天氣飛行等條件對發動機安全性、經濟性、推力大小的影響,并總結了這些情況在實際飛行中采用的一些防護措施和注意事項。

關鍵詞:航空發動機工作環境性能分析

中圖分類號:V22 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(c)-0062-01

由于外界環境對發動機的工作狀態影響非常明顯,尤其是在特殊天氣環境條件下,對發動機的影響就不僅僅只是體現在對推力和油耗等性能方面了,甚至是嚴重危脅飛行安全的。同時對于這點的關注不但有民航從業人員,而且也吸引了廣大人民群眾的注意力。因為這一點關系到民航事業的發展也關系到人民群眾的安危。所以對于環境的影響是應該提起足夠重視的。這樣不僅可以降低生產成本,還可以保障安全營運。本文分析了一些外界環境因素對發動機工作的影響。

1 外界環境因素對發動機工作的影響

實際飛行中常見影響發動機工作狀況的飛行條件主要有:大氣溫度、大氣壓力、大氣濕度等。

1.1 大氣溫度

大氣溫度降低時,一方面空氣密度增加,空氣流量增加。同時,空氣易于壓縮,發動機增壓比增加,空氣流量進一步增加;另一方面當渦輪前溫度一定時,發動機加熱量,有更多的熱能轉換成氣體動能,氣體速度增量增加。所以大氣溫度降低時,發動機推力增加。

大氣溫度降低,由于發動機增壓比增加,總效率增加,燃油消耗率降低。

現代燃氣渦輪發動機由于渦輪材料和制造工藝水平的不斷提高,通過提高渦輪前溫度來提高發動機推力,發動機的推力儲備大大增加,從而滿足飛行性能需要。如圖1所示為現代民用渦扇發動機的溫度曲線圖,圖中FTR為平臺溫度,即在這個溫度以下,發動機的推力隨溫度升高變化不大,當過了此溫度之后發動機的推力就隨溫度升高而降低,發所以在炎熱的夏季(尤其是高原機場),應注意發動機的推力性能變差,進而會影響飛機的飛行性能如起飛滑跑距離,復飛性能等。所以機組應嚴格遵守發動機限制。

1.2 壓力

大氣壓力增加時,空氣密度增加,空氣流量增加;同時,由于大氣壓力增加時,發動機各截面氣體壓力成比例增加,噴管中氣體的膨脹能力(膨脹比)不變。所以,發動機推力隨著大氣壓力的增加成正比增加。

1.3 大氣濕度

大氣濕度對發動機推力也有影響,當氣體濕度較大時,氣體中水的成分增加,氣體密度減小,進入發動機的空氣流量減小;同時大氣濕度增加,燃燒速度減慢,渦輪前濕度降低,燃氣膨脹能力降低,排氣速度減小。最終,發動機推力減小。

大氣濕度除對發動機推力有影響外,更主要的是對飛機及發動機部件的腐蝕作用,尤其在沿海地區,高濕度大氣中含鹵族成份的物質將嚴重影響飛機及發動機部件的使用壽命。所以長期在這些地區飛行的飛機,需要對飛機及發動機進行特別的維護。

2 水吸入發動機對發動機工作的影響

水的吸入對渦輪發動機運轉是有很大影響的,而且是多方面的,不僅可能影響發動機轉速(影響大小取決于發動機控制組件和吸入水的多少),而且可能導致排氣濕度(EGT)下降,燃油流量(F/F)增加,喘振機會增加,熄火機會增加。

在降水區飛行時,為了保障發動機工作的安全穩定,應減少發動機吸入水量的大小,或是利用進氣量增加來減小進入發動機的水與空氣的比值。如果在降水區低轉速下大速度飛行時(如下降過程中),進入發動機的空氣遠遠大于發動機本身所需要的空氣量,因此部分空氣被甩出發動機進氣口,有效的減小了流過發動機的空氣量。但水比較重,不能像空氣一樣被甩出發動機的進氣口,從而導致水與空氣比例的增加,發動機工作不穩定。所以應依靠增加發動機轉速(RPM)增加所需空氣流量,同時減小飛行速度也將使發動機進氣口周圍被甩出的空氣量減小,來減小進入發動機水與空氣的比值。所以,當穿越濃降水區時,應力圖減速并增加發動機轉速飛行。

發動機對油門活動的反映取決于油門活動方向(指在降水區飛行的情況下)。當加油門時由于吸水,空氣量減小,這就是“富油”現象。因此發動機對加油門的反映較為遲緩;而收油門時,則相反,發動機比正常的反映要靈敏,將會導致快速降低功率。

總之,渦輪發動機吸入水后將導致:

(1)減小了喘振的裕度。(2)發動機可能降低功率乃至功率喪失。(3)發動機可能熄火。(4)發動機對油門的反映是:加油門,反映遲緩;收油門,反映靈敏。

3 積冰對發動機工作的影響

發動機的積冰部分包括進氣道前緣,進氣整流錐等部位.發動機積冰后,一方面使空氣流量減小,發動機推力降低;另一方面引起進氣道氣流分離加劇,進而影響壓氣機工作的穩定性,發動機嚴重積冰時,發動機振動將加劇,壓氣機容易喘振。此外,當冰層脫落時,將直接被發動機吸入,損壞風扇葉片和壓氣機葉片,發動機也容易熄火。所以燃氣渦輪動力裝置對發動機容易積冰的部位應有相應的防止裝置防止發動機積冰,確保發動機的性能及安全工作。

常見的防冰方式有:熱空氣防冰,電加溫防冰和慣性防冰。熱空氣防冰是通過從壓氣機引來的熱空氣送到相應發動機防冰部位進行加溫,廣泛應用在渦

輪風扇發動機上。電加溫防冰是利用飛機電源對安裝在發動機防冰部位的電加熱元件通電加溫,常用在渦槳和渦軸發動機上。慣性防冰是通過改變氣流方向,利用離心力將氣流中的冰塊、水分、外來特等分離出,防止進入發動機,達到防冰的目的。這種防冰方式無需消耗能量,但氣流損失較大,常用在中、小功率的渦軸發動機上。有的渦扇發動機進氣整流錐頭部安裝一特別橡皮頭,當發動機工作時,因橡皮頭自身不斷微振,空氣中的過冷水滴不易在橡皮頭上凝結成冰;同時由于橡皮頭位于發動機整流錐最容易積冰處,因而達到防止整流積冰的目地。

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