雨水對飛機發動機的影響

陳光

（北京航空航天大學能源與動力工程學院,北京100191）

雨水對飛機發動機的影響

陳光

（北京航空航天大學能源與動力工程學院,北京100191）

雨水對飛機發動機影響較大，當飛機在大雨中降落時，可能會引發發動機熄火，但在飛機起飛時，能起到噴水加力的效應。為了對發動機防吞雨水停車和噴水增大推力研究提供參考，綜述了CFM 56-3型發動機投入使用后出現的一些吞雨停車故障，并總結了在發動機設計中采取的盡量減少雨水流入內涵的4點措施，介紹了噴水增大推力的機理和其在一些軍、民用飛機發動機上的應用情況。

雨水；飛機發動機；空中停車；噴水加力

0 引言

飛機在大雨中降落時，可能由于發動機吸入過多的雨水造成發動機空中停車事件，但是，飛機在雨天起飛時，不僅不易引起發動機熄火停車，而且還能增大發動機的推力。這是因為飛機起飛時，發動機工作于最大轉速下，進入發動機的雨水在風扇大的離心力作用下，大部分甩到外涵，只有少量雨流入內涵，不易引起燃燒室熄火；而流進內涵的雨水起到噴水加力的作用，使發動機推力增大，從而改善了飛機起飛性能。

本文闡述了發動機因吞雨水引起停車故障實例，并分析其原因，提出相應的改進措施，同時，介紹了噴水增大推力機理及應用情況，為對發動機防吞雨水停車和噴水增大推力提供借鑒作用。

1 發動機吞雨水空中停車

飛機飛行時特別是在降落過程中，大量雨水會被發動機吸入，如果風扇不能將其甩到外涵而流入燃燒室，會使燃燒室熄火，導致發動機空中停車，嚴重威脅飛機的飛行安全。為此，在民航適航條令中，規定發動機要進行吞水試驗，考核發動機在運行條件下吞入空氣流量4%的水后的持續工作情況。CFM56-3發動機雖然通過了吞水考核，但在實際使用中，卻多次出現遇大雨降落過程中雙發熄火事件。

2002年1月16日印度尼西亞Gardua航空公司的1架波音737-300客機（裝有2臺CFM56-3發動機），執行由Ampenan到Yogyakorta國內421定期航班任務，機上載有乘客54名，機組人員7人，航行距離625 km。當飛機即將飛臨Yogyakorta機場時，突然遭遇特大雨/雹的惡劣氣候條件，此時飛機飛行高度約為5400 m，發動機處于空中慢車狀態。當飛機進入暴雨區90 s后，雙發均熄火停車，駕駛員3次啟動發動機均未成功，于是，啟動輔助動力裝置APU，但也未獲成功，飛機在無動力情況急速下降，當飛機在2400 m高度穿出云層時，駕駛員看見 Bengawan Solo河，于是將飛機迫降于距目的機場22.5 km的水深約1 m的河道上，但是，飛機在降落中撞到巖石上并被擊穿，嚴重受損而報廢（如圖1所示）。除1位空姐摔出飛機死亡外，54名乘客及其他6名機組人員由艙門被救出。

圖1 421航班遇暴雨雙發熄火飛機迫降于Bengawan Solo河道上

程序中規定，在一次起動不成功后，應在3 min后再行起動。但在這次事件中，駕駛員卻在起動不成功后1 min再次起動，未能按飛機飛行手冊中的規定程序重新起動發動機。這個失誤可能是造成這次事件的直接因素。

CFM56-3發動機在飛機降落中遇大暴雨會熄火已不是新聞，早在1987年5月～1989年9月就出現過4次（CFM56-3發動機是1984年12月投入使用的）。在飛機降落中遇大暴雨會熄火的事件，即：1987 年8月在2424 m高空雙發熄火；1988年5月24日在5000 m高空遇特大雨/雹的惡劣氣候條件雙發熄火；1988年7月26日在5800 m高空單發熄火，1989年5月在5300 m高空雙發熄火。但是，在這4次熄火事件中，發動機均成功重新起動，而未造成事故。

在2年多時間里，重復出現嚴重危及飛行安全的發動機在飛機降落過程中遇暴雨熄火的問題，顯然發動機設計中存在某些缺陷。為此，美國聯邦航空局要求CFMI公司立即采取有效措施，解決問題。為了解決這一問題，CFMI公司1989年在CFM56-3發動機上采取了下述幾個措施。

1.1 加大風扇葉片與分流環的間距

在CFM56-3發動機的原設計中，風扇葉片后緣與分流環的結構如圖2所示，從圖中可見，風扇后外涵、內涵氣流分流處的分流環前緣與風扇葉片后緣的間距很短，同時，固定于風扇輪盤前的進氣錐呈錐形，使進入風扇核心部分的雨水不易甩到外涵，過多的雨水將隨著氣流流入燃燒室，因此，易造成發動機停車。為此，換裝長度較短的分流環的進口整流罩，使分流環與風扇葉片后緣的間距加長。另外，在CFM56-3發動機之后發展的發動機，分流環與風扇葉片后緣的間距均作得較長，如GE90-115B、RB211-535E4發動機，如圖3、4所示。

圖2 CFM56-3發動機風扇葉片后緣與分流環的結構

圖3 GE90-115B發動機風扇葉片后緣與分流環

圖4 RB211-535E4發動機風扇葉片后緣與分流環

1.2 進氣錐改形

將錐形進氣錐改成先橢后錐的形式，類似圖3中的GE90發動機進氣錐，便于將雨水甩到外涵道中。

1.3 在增壓壓氣機后加裝放氣活門

在增壓壓氣機后加裝12個放氣活門。在發動機慢車狀態下，這些活門被打開，可將包括雨水的進入發動機的外物甩到外涵氣流中。一般放氣活門設置在增壓壓氣機出口拐彎處，便于水在拐彎處因離心力作用甩到外涵。在其后的大涵道比渦扇發動機中，均裝有放氣活門，如圖3中GE90-115B發動機的放氣活門。

1.4 提高空中慢車轉速

在惡劣天氣條件下降落時，將發動機空中慢車轉速提高到45%N1（正常情況為32%N1），以增大雨水流過風扇、增壓壓氣機的離心力，提高將雨水甩到外涵的能力。

為了考核這些改進是否能在特大雨中有效，進行了1次專門的飛行試驗（如圖5所示），利用1架美空軍的KC-135空中加油機盛滿水，作為噴水設備，飛在由波音707客機改裝的飛行試車臺的前上方，試驗的CFM56-3發動機安裝在左翼外側發動機吊艙中。加油機的加油管正對試驗發動機的進氣口處噴水，以模擬飛機在空中遇到大雨的條件。試驗表明：這些改進是合適的，因此，在CFM56-3發動機的后續機型中也采用了這些改進措施。對于這些改進，不僅運用在新生產的發動機上，當時對在外場使用的約1500臺發動機也進行了改裝。

圖5 CFM56-3發動機進行空中吞水試驗

但是，2002年仍然出現了前述的印尼Gardua航空公司波音737雙發熄火事件，說明1989年的改進，仍不夠徹底，關鍵在于原設計中，風扇葉片后緣距分流環前緣的間距太小，用換裝長度較小的分流環的進口整流罩，間距增加不大所致。在CFM56發動機以后研制的大涵道比渦扇發動機中，風扇葉片后緣距分流環均留有較大間隙，加上寬弦風扇葉片的采用，發動機一般均不會在大雨中熄火。例如，V2500發動機作吞水試驗時，吞水量比適航條令要求量大5倍，發動機仍能正常工作。

此外，20世紀80年代初，GE公司的發動機曾多次在吸入雨水后引起壓氣機喘振。為了徹底找出其原因，1984年GE公司將1臺曾在使用中吸入雨水后發生喘振的發動機，裝到試車臺中進行試驗。研究發現，吸入雨水時，雨水撞到壓氣機進口處溫度傳感器的線圈，使溫度指示偏離正常值（約5℃），導致可調靜子葉片不能精確調節，引起壓氣機喘振。

2 噴水加力原理及應用

發動機短期內增大推力的方法有2種，通過加力燃燒室增大推力和噴水加力。所謂噴水加力是指向工作中的發動機噴入適量的水，水在壓氣機流道中或燃燒室進口處的高溫空氣（300～500℃）作用下蒸發，吸收空氣的熱量（100℃水變成100℃蒸汽時，吸收熱量為2258 kJ/kg），使空氣溫度降低，密度加大，即增加了流入發動機的空氣質量，在燃油調節器配合下增加供油量后，增大了推力。

圖6 大氣溫度對推力的影響

在20世紀80年代以前發展的客機如波音707、波音 727、波音747-100、波音747-200、三叉戟、DC-8、安 -24等，均采用了噴水加力，用于飛機在炎熱地區或高原機場上起飛時，使飛機全載起飛。大氣溫度對推力的影響如圖6所示。在機場溫度（場溫）較高或空氣壓力（場壓）較低時，發動機起飛推力會降低較多，影響飛機起飛性能，因此，向發動機噴水后，在較高的大氣溫度或較低的大氣壓力下，也能保持起飛推力。

用于噴水加力的水需純凈水，且需加入適量的甲醇以降低水的冰點，避免水在低溫時結冰。向發動機噴水的地方，可在壓氣機進口處，也可在燃燒室進口處。一般在客機上，由于客艙環境系統需引入高壓壓氣機出口處空氣，此時不宜向壓氣機進口處噴水，因為，水中的甲醇會給旅客造成不適感覺。向燃燒室噴水的1種結構如圖7所示。通過燃油接頭與噴水接頭，燃油與水均由噴油桿流入噴嘴，由噴嘴噴出時，燃油在外圈，水在內圈。斯貝的噴水結構如圖8所示，從圖中可見，斯貝發動機的噴嘴與圖7中的一樣，燃油與水也是流入噴油桿，但水不由噴油嘴噴出，而是在噴油嘴上有2個噴水孔，1個在噴嘴之上，1個在噴嘴之下。上噴水孔是直接在噴油桿上鉆1個小孔，下噴水孔則設在專門的噴水嘴上。斯貝發動機噴水的目的，是當大氣溫度高達35℃時或在2700 m的高空時，仍能恢復其最大推力。

圖7 向燃燒室進口噴水的結構

圖8 斯貝發動機的噴水結構

用于波音747-100及-200的JT9D發動機，水是噴到燃燒室前的擴散機匣中。在波音747-100及-200上裝有2個水箱，每個水箱容量為1360 kg，向2臺發動機供水。每個水箱均設有加水、供水、水量指示及泄水系統。泄水系統用來在噴水后，將積存于水箱中的水放出，以免在飛行中結冰。噴水時，燃油調節器將增加供油量，約150 s后結束噴水，供油量則恢復到噴水前的油量。

采用J-57發動機作動力裝置的KC-135加油機及B-52轟炸機均采用了噴水加力，與客機噴水加力的作用不同，它們是用以增大飛機起飛推力，即使在場溫接近或低于0℃時也要噴水。

KC-135加油機水箱容量為2426 kg，為4臺發動機供水，噴水時間約120 s，在大氣溫度高于-7℃時均需噴水，為避免水箱結冰，水箱需用電加溫，所耗功率為8.5 kW。向發動機噴水后，起飛推力約增大7.5%，當然噪聲也較大，其噪聲在美國空軍所用飛機中最大。據當年維護過KC-135A加油機的地勤人員回憶，當KC-135A加油機采用噴水加力起飛時，站在距跑道30 m處，感覺就像舊金山大地震似的，震得距跑道5 km的營房都左右搖晃。

B-52裝有8臺J-57發動機，水箱容量為4852 kg，在大氣溫度高于4℃時均需噴水。

20世紀70年代后發展的各型客機，起飛時已不再采用向發動機噴水加力的措施，這主要是因為發動機設計時，已將保持起飛推力的大氣溫度（也稱拐點溫度）從以往的15～20℃提高到30～35℃，有的高達45℃（用于A319客機的CFM56-5A4發動機），最高的是用于A319的V2522發動機，達到55℃。

3 結束語

由于水對發動機的性能具有較大影響，在設計時要充分理解吞水增大推力和吞水引發的停車的機理，并采取有效措施，確保飛機的安全和發動機性能的提高。

[1]陳光.CFM56系列發動機研制特點[M]//航空發動機結構設計分析.北京：北京航空航天大學出版社，2006:137-194. CHEN Guang.Structure design and development characteristics of CFM56 engine[M]//Structure Design Analysis of Aeroengine. Beijing:Beihang University Press,2006:137-194.(in Chinese)

[2]陳光.將過去與未來結合起來的、用于波音777的GE90發動機的研制與設計特點 [M]//航空發動機結構設計分析.北京：北京航空航天大學出版社，2006:238-252. CHEN Guang.Development and design characteristics of GE90 engine application in Boeing 777 in past and furture[M]// Structure Design Analysis of Aeroengine.Beijing:Beihang University Press,2006:238-252.(in Chinese)

[3]陳光.遄達發動機設計與研制特點 [M]//航空發動機結構設計分析.北京：北京航空航天大學出版社，2006:210-232. CHEN Guang.Design and development characteristics of TRENT engine[M]//Structure Design Analysis of Aeroengine. Beijing:Beihang University Press,2006:210-232.(in Chinese)

[4]陳光.PW4000發動機的發展與設計特點 [M]//航空發動機結構設計分析.北京：北京航空航天大學出版社，2006: 202-209. CHEN Guang.Development and design characteristics of PW4000 engine[M]//Structure Design Analysis of Aeroengine. Beijing:Beihang University Press,2006:202-209.(in Chinese)

[5]陳光.CF6-80C2發動機結構設計分析[M]//航空發動機結構設計分析.北京：北京航空航天大學出版社，2006:195-201. CHEN Guang.Structure design analysis of CF6-80C2 engine [M]//Structure Design Analysis of Aeroengine.Beijing:Beihang University Press,2006:195-201.(in Chinese)

[6]世界飛機編寫組.世界飛機手冊1994[M].北京：航空工業出版社，1994:58-70. Worldwide AirplaneWriting Group.Worldwide airplane handbook 1994[M].Beijing:Aviation Industry Press,1994.(in Chinese)

[7]Wikipedia.Garuda indonesia flight 421 [EB/OL].http://en. wikipedia.org/wiki/Garuda_Indonesia_Flight_421.

[8]NTSB(USA).Safety recommendation(A-05-19 and-20)[EB/OL] http://web.archive.org/web/20110604105337/http://www.ntsb. gov/Recs/letters/2005/A05_19_20.pdf.

[9]Airfleets.Accident information:Boeing 737 Garuda PK-GWA [EB/OL].http://www.airfleets.net.

[10]Aviation Safety Network.Accident description of Gaeuda 421 Flight[EB/OL].http://aviation-safety.net/database/record.php? id=20020116-0.

Influence of Rain on Aeroengine

CHEN Guang
（School of Jet Propulsion,Beihang University,Beijing 100191,China）

The influence of rain on aeroengine is evidence.During descend in heavy rain,sometimes aircraft power loss can occur due to flameout by ingesting a large amount of rain.In contrast,during aircraft take-off in heavy rain,aircraft performance will be improved as ingesting water to increase thrust.In order to provid reference for preventing engine shut down in gulping rain and increasing thrust through ingesting water,the engine shut down faults in gulping rain for CFM56 engine were reviewed.Four improvement measures of reducing rain flow into core engine were summarized.The principle of increasing thrust through injecting water and the applications in civil and military aircraft engine were introduced.

rain;engine;in-flight shut down;increase thrust through ingesting water

陳光（1930），男，教授，長期從事航空發動機結構設計的教學、科研與生產工作。

2012-06-22