淺析航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機結(jié)冰與處置

樊飛 楊杰 王勇

摘要：航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機在寒冷天氣條件下運行時，進氣區(qū)域易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，進而影響發(fā)動機性能及安全性。本文從航空發(fā)動機設(shè)計和運行原理、適航審定要求和冰晶結(jié)冰原理等方面對發(fā)動機除冰/防冰工作的必要性進行了系統(tǒng)分析，并在此基礎(chǔ)上通過對多個型號飛機發(fā)動機風(fēng)扇防冰/卸冰處置方法的深入對照分析，總結(jié)出發(fā)動機在各運行階段的風(fēng)扇除/防冰要求。研究結(jié)果對各型渦輪風(fēng)扇發(fā)動機結(jié)冰處置方法具有指導(dǎo)和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機；結(jié)冰；防冰；除冰；卸冰

Keywords：aero-turbo fan engine；icing；anti-ice；deicing；ice shedding

0 引言

航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機在寒冷天氣條件下運行時，發(fā)動機進氣區(qū)域易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，進而影響發(fā)動機性能及安全性，產(chǎn)生額外維修成本。

2017年某架A330飛機在執(zhí)行定檢工作時，發(fā)現(xiàn)雙發(fā)中壓壓氣機多級轉(zhuǎn)葉出現(xiàn)卷曲、撕裂、材料丟失等損傷。其中，雙發(fā)中壓壓氣機第一級轉(zhuǎn)葉損傷超過50%（見圖1、圖2），發(fā)動機不再滿足適航標(biāo)準(zhǔn)，需返廠進行修理。受損發(fā)動機維修費用逾300萬美元。

通過分析該飛機發(fā)動機性能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在2016年12月3日左右雙發(fā)巡航階段TGT（渦輪排氣溫度）發(fā)生突然升高（見圖3）。鎖定臨近日期航段，分析飛機QAR數(shù)據(jù)和機場天氣數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該飛機在德國慕尼黑機場過站時，該機場曾出現(xiàn)凍霧天氣，飛機在地面停留時間超過卸冰程序要求，且在起飛前未按照要求完成地面卸冰程序以去除積冰，導(dǎo)致發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)后積冰脫落并擊傷下游中壓壓氣機轉(zhuǎn)葉，造成發(fā)動機性能下降、TGT上升。

1 發(fā)動機風(fēng)扇結(jié)冰原因及危害

發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生強大的吸力，使外界空氣始終處于被抽吸狀態(tài)，氣流速度增加的同時靜溫下降。當(dāng)?shù)孛嫱饨鐪囟龋∣AT）/總溫（TAT）等于或低于10℃時，若環(huán)境中存在任何形式的可見水氣、冰雪或地面存有雪、水（特別是大雪、凍雨、凍霧），大量的冰雪和低溫水滴會被吸入發(fā)動機，從而發(fā)生風(fēng)扇葉片結(jié)冰現(xiàn)象，飛機在靜止條件下、發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于慢車時結(jié)冰情況尤其明顯。冰雪在發(fā)動機氣流通道內(nèi)堆積、融化、重新凍結(jié)，并會由此附著在發(fā)動機風(fēng)扇葉片、進氣錐甚至發(fā)動機其他部件表面。

在飛行過程中，當(dāng)對流天氣附近外界溫度低于冰點時，飛機也會遇到可見的濕氣聚集成高濃度的小冰晶或低于冰點的過冷液態(tài)水滴。冰晶會在發(fā)動機風(fēng)扇后部的壓氣機進口機匣上聚集，形成積冰。

發(fā)動機風(fēng)扇葉片上凝結(jié)冰晶后會改變其氣動外形，增加流動阻力，使進氣流場分布不均，甚至發(fā)生氣流畸變，影響發(fā)動機的工作穩(wěn)定性，降低推力，嚴重時可能導(dǎo)致喘振停車。另外，積冰在風(fēng)扇葉片上的不均勻排布還會造成發(fā)動機轉(zhuǎn)動不平衡，進而引起發(fā)動機高振動現(xiàn)象的發(fā)生。若風(fēng)扇葉片所結(jié)冰晶融化脫落，冰塊被發(fā)動機吸入，還有可能損傷發(fā)動機部件。

2 發(fā)動機風(fēng)扇防冰設(shè)計及適航審定要求

中國民用航空局令第207號《航空發(fā)動機適航規(guī)定》（CCAR-33R2）中第33.68條“進氣系統(tǒng)的結(jié)冰”規(guī)定“在中國民用航空規(guī)章第25部附件C中規(guī)定的連續(xù)最大或間斷最大結(jié)冰狀態(tài)下，發(fā)動機在整個飛行功率范圍（包括慢車）內(nèi)的工作中，在發(fā)動機部件上不應(yīng)出現(xiàn)影響發(fā)動機工作或引起功率或推力嚴重損失的結(jié)冰情況。”這就要求各型發(fā)動機為滿足適航要求需在設(shè)計取證階段進行自然結(jié)冰測試和連續(xù)結(jié)冰測試，以向?qū)彾ú块T表明發(fā)動機風(fēng)扇及進氣錐在結(jié)冰環(huán)境下不影響發(fā)動機的正常工作并滿足規(guī)章的要求。

目前，航空渦輪發(fā)動機的風(fēng)扇葉片主要分為二維設(shè)計普通葉片和三維設(shè)計寬弦葉片，其中波音747-400使用的PW4000發(fā)動機、A320s使用的CFM56-5B發(fā)動機和波音737NG使用的CFM56-7B發(fā)動機屬于二維設(shè)計普通葉片，其他型號的發(fā)動機大多為三維設(shè)計寬弦葉片。相較于二維設(shè)計普通葉片，三維設(shè)計寬弦葉片在氣動性能和防止外物擊傷方面有較大優(yōu)勢，但在發(fā)動機防冰方面并無明顯特性差異。

大多數(shù)型號發(fā)動機并無主動防止冰晶結(jié)冰的功能，當(dāng)飛行中發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇葉片結(jié)冰時，一般采取逐臺改變發(fā)動機風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的方式（加減速），利用轉(zhuǎn)速改變和離心力松動冰層并將積冰甩離葉片表面。湍達1000和LEAP-1B等新型發(fā)動機已設(shè)計有主動防止冰晶結(jié)冰的功能，利用發(fā)動機壓氣機的熱空氣，為風(fēng)扇后部的壓氣機進口機匣加熱，防止冰晶在此位置聚集形成積冰。

3 寒冷天氣下發(fā)動機運行各階段的風(fēng)扇除/防冰要求和處置說明

為更好地避免因發(fā)動機結(jié)冰造成的不安全事件和由此產(chǎn)生的維護負擔(dān)，針對在寒冷天氣下運行的發(fā)動機，對運行各階段均有嚴格的風(fēng)扇除冰和防冰要求。以下總結(jié)各階段的風(fēng)扇除/防冰要求和各型發(fā)動機風(fēng)扇結(jié)冰處置對照說明。

3.1 各運行階段除/防冰要求

1）在發(fā)動機啟動前，需確認進氣道內(nèi)部沒有冰雪，風(fēng)扇葉片可以自由旋轉(zhuǎn)。否則，機務(wù)人員需要進行人工除冰，一般采取熱水和除/防冰溶劑混合物或/和熱空氣去除氣流通道、風(fēng)扇葉片和進氣錐上的積冰和積雪，并使風(fēng)扇能夠自由轉(zhuǎn)動。

2）滑行階段，當(dāng)飛機速度較慢時應(yīng)避免在松散雪、冰和積水污染的道面上進行高推力操作，避免冰和雪被吸入（在雪堆附近滑行時需格外注意）。在結(jié)冰條件下長時間滑行時，機組需要定時執(zhí)行地面卸冰程序。

3）飛機除冰操作時，嚴禁向運轉(zhuǎn)中的發(fā)動機噴射除冰液，以防止吸入的除冰液造成發(fā)動機部件的腐蝕和損傷，而傳感器若被污染則會導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)錯誤，從而引起發(fā)動機壓氣機失速喘振。

4）在起飛前，機組需確認飛機推力穩(wěn)定時發(fā)動機的振動情況，高于正常的風(fēng)扇振動表明可能存在風(fēng)扇積冰。這種情況下應(yīng)完成相應(yīng)的地面卸冰程序以去除積冰。

5）發(fā)動機空中運行階段，冰晶易在強降水區(qū)域附近和上方集中出現(xiàn)，且不會造成明顯的氣象雷達回波，從而難以被探測到，因此在飛行過程中需盡量減少在琥珀色或紅色氣象雷達回波上方的飛行時間。當(dāng)發(fā)動機出現(xiàn)高振動且此時其他參數(shù)沒有變化時，可懷疑為風(fēng)扇結(jié)冰。這種情況應(yīng)采取空中風(fēng)扇卸冰的操作程序。各型發(fā)動機都有相應(yīng)的空中卸冰程序，一般采取逐臺改變發(fā)動機風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的方式（加減速），利用轉(zhuǎn)速改變和離心力松動冰層并將積冰甩離葉片表面，上述風(fēng)扇轉(zhuǎn)速改變的操作要求反復(fù)執(zhí)行數(shù)次，以確保葉片上的積冰完全除去或振動水平恢復(fù)。

6）飛機停放時，建議安裝進氣罩和排氣罩，可最大限度地減少水、雪和冰在發(fā)動機內(nèi)積聚。

3.2 各型發(fā)動機風(fēng)扇防冰/卸冰處置說明

因各型發(fā)動機設(shè)計原理和飛機操作程序的不同，發(fā)動機風(fēng)扇防冰/卸冰處置程序也有很大差別，表1為梳理并總結(jié)出的各型發(fā)動機風(fēng)扇防冰/卸冰處置程序?qū)φ铡?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/04/13/qkimageshkwghkwg202011hkwg20201131-2-l.jpg"/>

4 總結(jié)

本文對航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機在寒冷天氣條件下運行時進氣區(qū)域結(jié)冰現(xiàn)象的成因、危害及除冰/防冰的必要性進行了系統(tǒng)分析，并在此基礎(chǔ)上通過對多個型號飛機發(fā)動機風(fēng)扇防冰/卸冰處置方法的對照分析，總結(jié)出發(fā)動機在運行各階段的風(fēng)扇防冰要求。研究結(jié)果對各型渦輪風(fēng)扇發(fā)動機結(jié)冰處置方法具有指導(dǎo)和借鑒意義，能夠進一步提高飛機發(fā)動機安全性和可靠性，避免因發(fā)動機風(fēng)扇結(jié)冰引發(fā)不必要的安全風(fēng)險及維護成本的增加。