減推力起飛爬升的發展應用研究

吳小松 騰格爾

摘 要：飛機的減推力起飛和爬升對發動機的在翼壽命有著積極正面的影響，但是在爬升過程中增加了時間和油耗。通過對比分析，排除了各種疑團，找到問題的答案。

關鍵詞：飛機；發動機；減推力；起飛；爬升

中圖分類號：V24 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0050-02

當前全球航空公司均大力推進發動機減推力起飛的開展，中國的航空公司在其中占據了重要的地位。根據現有的飛機起飛程序及環保的減排政策，發動機的使用方——飛行部門和發動機的管理方——機務部門，對這個問題持有不同的態度、理解方式及操作傾向。此文綜合考慮公司政策和環保政策，就減推使用傾向給予航空公司提供建議和意見，各公司可以按照當前自身運行情況及特點綜合考慮。

1 使用減推力起飛的原因

為什么要使用起飛和爬升減推力？很簡單，目的是為了省錢。我們常以每小時（循環）的維修成本來表示發動機維護費用的多少，每次大修的小時成本等于大修總成本除以兩次大修之間使用的小時數或循環數，因此，如果我們能夠最大限度延長大修之間的飛行時間或循環，就可以最大的降低每小時或循環的發動機維護成本。

大修間隔的時間或循環與發動機的使用運行方式直接相關。影響發動機運行的因素如下：年度使用率，發動機大部分部件的維護需求基于使用時間或循環和航程。部件的磨損率主要基于發動機的使用循環和小時循環比，這不僅是發動機運行的時長，還包括發動機啟動和停轉的次數。此外，除了環境因素，飛機起飛爬升時，沙塵和氣溫等因素會影響發動機的內部溫度，同時也影響發動機轉子的轉速。同時發動機的操縱方式，以及減推力的應用，也會大大影響發動機轉子的轉速和內部溫度。而減推力的水平，取決于飛行員對飛機起飛爬升的操作。值得注意的是，發動機的內部溫度和發動機內部磨損之間不存在線性關系，溫度越高，磨損程度不成比例增大，但是與發動機高溫區域的高壓渦輪導向器和高壓渦輪葉片的燒蝕有著直接聯系。隨著發動機部件的磨損和燒蝕，要達到既定的推力水平就會需要更多的燃油供給，從而產生更高的發動機排氣溫度。

然而，發動機的排氣溫度有上限，也就是紅線，如果距離紅線的邊際較小，大概率會近期需要拆下發動機進行修理。減推力越多就越能減慢發動機排氣溫度上升的速度，也就是發動機的在翼時間得到延長，從而降低發動機的維修成本。值得注意的是，這一原理適用于所有的渦扇發動機，其實也是一種物理現象。

另外如果減緩發動機部件的磨損率和燒蝕，尤其是高壓壓氣機和渦輪直接的核心區域，也可以提高發動機生命周期的燃油效率。因此高效的減推力策略有助于實現發動機運行的成本效率最大化，降低維護成本的同時也降低燃油成本。這些都可以省錢。

在發動機的生命周期內，一般送修原則是由安全和性能兩方面共同決定的，而兩者的表現一般也是有一定的關聯的：隨著高溫部件燒蝕的惡化，發動機做工效率降低，排氣溫度升高，發動機性能表征其一的EGTM隨之下降。通過使用減推力起飛，降低了排氣溫度，減緩了高溫部件的燒蝕情況，同時減緩了EGTM的下降速率。以下為國內北方某公司執管的B737-800型飛機的使用數據如表1。

該公司從2017年開始在機隊內推廣推進減推力起飛執行，通過對比發動機EGTM年衰退率可以發現，在推廣減推力起飛后，2017年EGTM不僅沒有衰退，反而有所回升；同時對比發動機兩年內高溫部件孔探的變化趨勢，其熱障涂層因燒蝕導致的剝離變化不大，且已發生的燒蝕基本未有擴展。綜合兩種情況，可以為發動機延遲送修提供安全保障。

2 減推力起飛對于發動機使用的影響

爬升推力和高度，發動機通常提供多個爬升速率供飛行員選擇。最大爬升可在整個爬升期間提供最大的爬升升力，我們將這個推力水平作為基數。設定爬升減推力的時候，較小高度的推力小于最大爬升。飛機不同可以選擇的范圍不同，737-800飛機的假設溫度減推力最大到25%。

所有大型飛機發動機的制造商都希望，無論選擇哪種爬升和減推力，都能為飛機提供相同的高度能力。這也就是說，無論在爬升期間如何選擇，都能達到預期的巡航高度。為了讓飛機具備這種能力，在接近巡航高度的時候必須將推力增至最大爬升，這叫推力恢復。所以發動機制造商和飛機制造公司檢測爬升期間選擇的爬升減推，用以評估操作的劇烈程度，為什么制造商關注爬升減推力水平呢？爬升力對排氣溫度的影響，很明顯，渦扇發動機排氣溫度會在飛行過程中不斷變化，這取決于飛行員對飛機和發動機的操縱：對比起飛到巡航之間的溫度變化，如果飛行員選擇最大起飛重量對應的推力，發動機的溫度將隨著發動機的轉速的增加而升高，然后再前向速度增加時略微降低，飛機在最大爬升推力下進入爬升階段時，發動機溫度略為下降，隨后在接下來20至25分鐘內保持穩定。在飛機起飛時減推力會大幅降低發動機的溫度，當然也會節約發動機的維護成本，但是如果飛行員隨后選擇最大爬升推力，發動機內部溫度在起飛后升高，大部分減推力的好處都會在接下來25分鐘被抵消。但是飛行員如果選擇適當的爬升減推力，溫度就會保持在較低的水平，發動機的獲益也不會損失，同時也有效的保證了排氣溫度距離紅線的邊際較大。當然使用較低的爬升推力意味著達到巡航高度需要更長的時間，我們可以觀察到，這種爬升恢復，隨著飛機達到爬升頂點達到巡航高度而提高發動機溫度維護成本當然與溫度有關，但是也取決于在這些溫度下的操作時間。在起飛時減推力是最重要的，因為此時的發動機溫度時最高的。但是在爬升時減推力也很重要，因為雖然溫度的峰值沒有那么高，但是爬升的時間約是起飛時間的10倍。

國際某公司監控的有效減推力包括部分平均起飛減推力和部分平均爬升減推力，參見圖1。外界溫度越高，發動機就要運轉更快。所以在計算有效減推力時，需要考慮外界溫度計算有效減推力。

CFMI公司認為有效減推力需要計算起飛、爬升和巡航期間所有的減推力情況。但目前737NG飛機使用的CFM56-7B發動機，CFMI認為對發動機影響最大的階段也是起飛階段（參見圖2），且現有的RD監控系統中監控的是起飛階段減推力的使用情況，并且CFMI公司對起飛減推力的操作也是大力推廣，此操作對發動機的大修費用有著顯著的影響，且此階段的時間很短對航段全程的油耗影響很小。

3 對減推力起飛有影響的其他因素

大部分發動機制造商還對其發動機提供包修，有效減推力和包修費率就直接關聯起來了。起飛爬升期間的減推力越大，有效減推力水平越高，小時包修費率越低，當然也需要考慮平均航程，年利用率和環境因素，因為這些因素都影響發動機的維護成本。也就是說飛行操作程序也會影響發動機的維護成本，減推力的程度也有安全的限制，且安全的臨界點也已被制造商考慮在內。這些都關系到航空公司的切身利益。有效減推力比例簡單的反應了發動機的操作劇烈程度，發動機磨損/燒蝕率和在翼時間。另外一個很重的觀點，有效減推力還可以實現發動機生命周期的燃油效率，還能將發動機高的燃油效率維持更長的時間。

但是很多人對爬升減推操作有一個常見的誤解，飛機從一個城市飛到另外一個城市，使用最大爬升推力，飛機迅速爬升到巡航高度，最大限度的延長了巡航時間，另一方面，通過爬升減推，我們知道的是需要更長的時間達到巡航高度，因此需要更多的燃油。下面對其進行全面的分析：單獨看爬升階段，這是一個常見的導致誤解的原因。如果我們計算整個飛行階段所消耗的燃油，就會發現，整個航程的油量和整個飛行時間僅受到爬升減推力的輕微影響。引用羅羅公司的一個例子，使用某比例的爬升減推力會使得爬升階段油耗增加900kg，單看這一個階段，這不是一個小數字。但是爬升時間長，爬升的距離也更長，增加地面距離60海里，在后面的飛行中所需的時間和燃油就相應的減少，從航程來看時間差距僅僅多了1分鐘，這就微不足道了，總油耗只是增加了49kg，這個數字不實很大，但是仍然是增加，航空公司也可以通過其他方法控制燃油消耗率的上升。然而對比發動機維護成本或包修小時費率以及發動機起飛超溫的概率，這些成本節省是巨大的，也是航空公司的多出來的收益，大多數公司都會以大局出發選擇適合自己的方式。各航空公司發動機包修協議或飛機租賃協議中對發動機減推力的條款清晰可見，引用數據的話可以初步預測，當然協議的條款取決于各航空公司的協議談判能力。同時，了解ICAO等相關組織對飛機尾氣排放及噪音等方面的研究及要求，飛機發動機尾氣中主要由碳氧化物、氮氧化物及碳氫化物組成，基于減推力起飛過程中，燃油流量相對較低，易使燃燒更加充分，本文暫不考慮碳氫化物對環境的影響，另外兩者分別會在低空（碳氧化物為溫室氣體）和高空（氮氧化物對臭氧轉化起催化作用）產生更大的影響，而高空主要是橫向風，低空主要是縱向風，高空污染物的污染時效更持久；但由于減推力起飛對爬升時間的實際影響不大，其對空氣污染無太大差異。另一方面則是對噪音的控制，由于機場普遍距離人口密集區較遠，其延長的爬升時間導致的噪音接收區域的擴大的影響也相對低。

4 結語

有很多因素會影響發動機推力的使用，由起動發動機開始的一系列因素會決定發動機使用的劇烈程度或有效減推比例，并最終也會體現在航空公司的成本/收益上。發動機減推力起飛和爬升是航空公司可以控制，管理和優化的一個方面。這會使得油耗稍微增加，但會讓發動機的維護成本大幅度減小，盡管很難量化，但是減推力帶來的高燃油消耗效率的更好保持也會帶來全壽命周期的燃油節省得到大量收益。同時讓發動機距離紅線的距離越來越遠。