民用飛機燃油系統及部件高含水結冰設計考慮研究

黎明中劉春陽 游波

摘 要 民用飛機燃油系統和部件結冰是飛機飛行安全的重大威脅，基于對燃油系統結冰機理的探究，對燃油系統和部件結冰設計應考慮的因素進行了研究和總結，可為燃油系統和部件結冰設計提供借鑒和指導。

關鍵詞 燃油系統;部件;結冰;機理;設計

引言

2018年1月17日，英航波音777-236ER（航班號G-YMMM）在倫敦希思羅機場發生事故，飛機在距機場27L跑道大約330m的草坪地面著陸[1]。AAIB和NTSB進行事故調查發現飛機在低溫環境下燃油系統中水結冰并黏附在供油管路內壁上，在飛機下降著陸的過程中由于溫度的升高及供油流量的增大導致管路上附著的冰脫落堵塞供油管路上的燃油-滑油熱交換器，導致發動機供油流量不足，引起發動機功率衰減推力減小，最終導致空速下降。民用飛機燃油系統結冰是飛機飛行安全的嚴重威脅，在CCAR-25[2]中針對運輸類飛機燃油系統高含水結冰威脅有明確適航要求。為了滿足高含水結冰威脅適航要求，民用飛機燃油系統設計必須采取適當的措施。本文將通過對燃油系統結冰機理的探究，研究和總結民用飛機燃油系統和部件高含水結冰設計應考慮的因素。

1燃油系統結冰機理

飛機燃油系統中一直含有水，可能是加油過程中引入，或者從通氣系統進入的濕空氣中冷凝。當冷浸的飛機下降到暖濕空氣流時，后者的影響是最大的。燃油中的水以三種形式存在：溶解水，懸浮水或自由水。

溶解水：水分子附著在碳氫化合物中而產生溶解水。溶解在燃油中的水量是燃油濕度、溫度和化學成分的函數。一般來說，航空渦輪燃油的溶解水含量每百萬（ppm）分之幾數值上大概等同于華氏溫度。當熱燃油被冷卻時，溶解水分離并以懸浮水或自由水的形式出現。

懸浮水：懸浮水是以小液滴形式懸浮在燃油中，并且在水含量不足30ppm時可能是肉眼不可見的。在更高的水含量時，因水滴的尺寸和數量變化，懸浮水會讓燃油呈現出模糊的外觀。當燃油冷卻時，通過劇烈攪動水和燃油，或者燃油中存在表面活性劑，溶解水會從燃油中分離形成懸浮水。攪動發生在中途加油期間，或者除水系統出口與燃油的混合期間，或者燃油和水流經飛機燃油泵期間。表面活性劑可用來穩定小水滴，這樣小水滴就不會形成大水滴而沉積在油箱底部。

自由水：自由水既不會溶解，又不會懸浮，由于它比燃油的密度更高，它以液滴或水潭的形式存在于油箱底部。自由水也會出現在燃油過濾器和燃油轉輸系統的滯止點處。

隨著燃油中三種形式的水冷卻，其結冰情況是不一樣的。

溶解水：在低溫下依然溶解在燃油中的水不會結冰，這是由于水分子依然黏附在燃油上。燃油中的微塵會作為水滴結冰的晶核點。然而，在低燃油溫度下，溶解水的濃度非常低，因此通過該機理產生的結冰量是很少的。

懸浮水：燃油中的懸浮水將會結成冰晶，使燃油變得模糊。由于冰晶的密度與燃油大概相同，冰晶一般會懸浮并且在燃油中漂流直到它們與冷表面一致。由于水中雜質的存在，直到溫度下降到-1℃～-3℃冰晶才會在燃油中形成。隨著溫度進一步減小，會達到處于-9℃～-11℃之間的“臨界結冰溫度”。“臨界結冰溫度”是冰晶開始黏附在它們周圍的溫度。當溫度進一步減小到-18℃時，冰晶開始互相黏附、變大，并伴隨有堵塞小孔的風險。燃油中冰晶隨溫度變化而黏附在表面上或相互黏附，有時被稱為“黏性變化”。

自由水：當自由水被冷卻到低于結冰點時會結冰，而且飛機燃油箱內的冷卻機理受到下翼面總溫的影響;接近于機翼表面的水優先結冰。一般使冰從油箱底部剝離非常困難。為從油箱底部順利移除冰，有必要使燃油或下翼面的溫度達到冰熔點以上。

2燃油系統結冰設計考慮

防冰添加劑

燃油系統結冰抑制劑（FSII）是一個燃油添加劑，當采用0.10%到0.15%比體積時，能防止結冰直到-40℃。FSII只對非溶解水（懸浮水和自由水）有影響，由于它在水中比燃油更可溶大約500倍，因此它會遷移到非溶解水中并降低冰點。水和FSII的混合物與水有一個相似的密度，其會被發動機消耗掉或在燃油箱底部被例行排放。

FSII一般沒有應用在大型公共運輸機中，然而，包含FSII的航空渦輪燃油一直在英國空軍、美國空軍的飛機上采用。1958年波音B52飛機因發動機燃油濾結冰導致燃油流量限制、發動機功率衰減和火焰冒出造成飛行事故，在該事故發生后便引入了防冰添加劑。FSII在許多小型民航噴氣飛機中也作為燃油加熱器的備選。該添加劑在波音777上被許可使用，并且FAA已經通過咨詢通告20-29B提供了關于其在飛機上運用的信息。世界各國普遍使用的燃油結冰抑制劑都是醚類化合物。其中以美國為代表的北約國家使用二乙二醇甲醚（DiEGME）作為防冰劑，以俄羅斯為代表的前東歐部分國家使用乙二醇乙醚作為防冰劑，我國空軍使用乙二醇甲醚作為防冰劑[3]。

3燃油加熱

第一代噴氣飛機引進了燃油加熱器以防止燃油結冰。一般采用從發動機引氣加熱通過熱交換器的燃油，一般位于翼梁上或在發動機掛架區域。從第二代飛機開始采用發動機滑油作為熱媒介，當發動機尺寸和熱交換器達到某一個設計點，在該設計點上滑油可以加熱燃油以防止下游傳感器組件結冰。對于大型渦扇發動機來說，為達到該目的，現在通常在發動機上安裝FOHE。然而，較小的渦扇發動機，如那些商用噴氣式飛機，在它們的FOHE中沒有足夠的燃油加熱能力，因此它們采用FSII作為可選擇的防結冰方法。

若可行的話，系統部件應布置于適合的環境位置以最好地利用有效熱量。在適當且可行的位置可以考慮增加隔熱裝置。通過使用循環和轉輸泵及熱交換器，可最大限度利用可獲得的熱量來加熱燃油。在設計熱交換器時，需要考慮燃油供油流是否流經換熱器，如果是，則需要考慮供油管路結冰后突然的冰脫落是否會對通過換熱器的燃油流動造成限制。

4水管理及排放

應布置多個通氣系統開口至外界大氣，以使它們之間沒有壓力差來阻止外界空氣的連續循環，否則在一些工作條件下可引入大量水。

引射泵通常用于從燃油箱中收集自由水至集水槽或主泵入口以排除自由水。在存在措施能夠充分混合水和燃油以防止聚集成團的自由水進入發動機供油系統的情況下，自由水也可以進入循環或內部油箱轉輸泵入口或發動機供油泵入口。

通過適當的設計考慮和排放裝置及程序可以使自由水最少化。油箱底部表面和關聯的肋，長桁及特征需提供通道以使自由水遷移至足夠容量水槽的低點排放口。排放口的位置需保證可以排放最大量的自由水，易接近及易操作并具有顯著的清晰標記。同時，可制定適當的程序定期排放自由水并檢查燃油懸浮水含量，可將水含量控制在發生結冰威脅的范圍內。

5部件結冰設計考慮

換熱器

2008年在倫敦希斯羅機場發生事故的波音777-236ER飛機便是采用了燃油供油作為冷卻介質的燃油-滑油熱交換器（FOHE），見圖1，事故發生原因是在FOHE上發生了燃油限制。

FOHE是交叉流/對流混合設計，包含細管構成的基體。燃油進入FOHE的頂部并流經細管，熱態滑油進入FOHE主體并經過燃油細管的周圍。FOHE基體包含超過1，000個小管，沿著小管長度方向的各個位置均為波紋狀，以提高熱轉移效率。小管進口的波紋直徑比其余部分稍微小一點，以防止碎片駐留在基體內。小管從基體頂板處伸出大約4mm至燃油進口腔，這樣就將燃油與滑油分離。事故發生后，羅羅公司對FOHE進行了改良，移除了燃油管進口彎曲，并且將燃油進口與隔板齊平。試驗表明在冰高度聚集，且燃油溫度降低到最小-44℃時，新型FOHE對軟冰是能夠適應的，該改進也得到了適航當局認可。

以燃油為冷卻介質的換熱器，如燃油滑油換熱器，應盡量避免布置在供油管路上，可將其放至油箱內。如果布置在供油管路上，應將供油流經的細孔尺寸設置成大于4目網孔尺寸，盡量減少流路彎折設計，以最大限度提升換熱器的融冰能力，并帶有排水裝置及排水槽。

6過濾器或濾網

不需考慮對安全飛行不必要的過濾器和濾網。如果油濾或濾網堵塞會導致發動機熄火或其他飛行安全危險的，則必須圍繞油濾或濾網采用帶有可靠旁通的設計。旁通元件應位于可以阻止沉淀物回流的位置。在關鍵的過濾器上可考慮應用多個旁通元件。在關鍵過濾器或濾網上應考慮配置迫近旁通或旁通開啟的警告裝置，可提醒飛行員過濾器的流通狀態，并可提醒地勤人員對過濾器進行檢查維護。通常地，4號網孔或更粗的濾網被認為不符合臨界結冰條件，然而，這取決于臨界運行條件，并且同時需被證實符合臨界運行條件，例如任務剖面，水含量和環境。應根據過濾精度和滿足發動機需求流量來選擇過濾器和濾網，并設計排水裝置和排水槽。

7結束語

本文通過對燃油系統結冰機理的探究，對燃油系統和部件在設計時針對高含水結冰應考慮的因素進行了研究和總結，可為燃油系統和部件結冰設計提供參考。

參考文獻

[1] 劉春陽，李新.民機燃油系統結冰威脅適航要求及符合性驗證試驗研究[J].航空維修與工程，2018，（1）：40-42.

[2] 中國民用航空總局.運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空總局，2011.

[3] 王燁，王立.國內外防冰劑應用介紹[J].山東化工，2017，（46）：80-81.