樊飛 楊杰 王勇

摘要：航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)在寒冷天氣條件下運(yùn)行時，進(jìn)氣區(qū)域易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)性能及安全性。本文從航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)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(jī)除冰/防冰工作的必要性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并在此基礎(chǔ)上通過對多個型號飛機(jī)發(fā)動機(jī)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(jī)在各運(yùn)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(jī)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(jī)；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(jī)在寒冷天氣條件下運(yùn)行時，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣區(qū)域易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)性能及安全性，產(chǎn)生額外維修成本。

2017年某架A330飛機(jī)在執(zhí)行定檢工作時，發(fā)現(xiàn)雙發(fā)中壓壓氣機(jī)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(jī)第一級轉(zhuǎn)葉損傷超過50%（見圖1、圖2），發(fā)動機(jī)不再滿足適航標(biāo)準(zhǔn)，需返廠進(jìn)行修理。受損發(fā)動機(jī)維修費(fèi)用逾300萬美元。

通過分析該飛機(jī)發(fā)動機(jī)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(jī)QAR數(shù)據(jù)和機(jī)場天氣數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該飛機(jī)在德國慕尼黑機(jī)場過站時，該機(jī)場曾出現(xiàn)凍霧天氣，飛機(jī)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(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)后積冰脫落并擊傷下游中壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)葉，造成發(fā)動機(jī)性能下降、TGT上升。

1 發(fā)動機(jī)風(fēng)扇結(jié)冰原因及危害

發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生強(qiáng)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(jī)，從而發(fā)生風(fēng)扇葉片結(jié)冰現(xiàn)象，飛機(jī)在靜止條件下、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于慢車時結(jié)冰情況尤其明顯。冰雪在發(fā)動機(jī)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(jī)風(fēng)扇葉片、進(jìn)氣錐甚至發(fā)動機(jī)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(diǎn)時，飛機(jī)也會遇到可見的濕氣聚集成高濃度的小冰晶或低于冰點(diǎn)的過冷液態(tài)水滴。冰晶會在發(fā)動機(jī)風(fēng)扇后部的壓氣機(jī)進(jìn)口機(jī)匣上聚集，形成積冰。

發(fā)動機(jī)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(jìn)氣流場分布不均，甚至發(fā)生氣流畸變，影響發(fā)動機(jī)的工作穩(wěn)定性，降低推力，嚴(yán)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(jī)轉(zhuǎn)動不平衡，進(jìn)而引起發(fā)動機(jī)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(jī)吸入，還有可能損傷發(fā)動機(jī)部件。

2 發(fā)動機(jī)風(fēng)扇防冰設(shè)計(jì)及適航審定要求

中國民用航空局令第207號《航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-33R2）中第33.68條“進(jìn)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(jī)在整個飛行功率范圍（包括慢車）內(nèi)的工作中，在發(fā)動機(jī)部件上不應(yīng)出現(xiàn)影響發(fā)動機(jī)工作或引起功率或推力嚴(yán)重?fù)p失的結(jié)冰情況?！边@就要求各型發(fā)動機(jī)為滿足適航要求需在設(shè)計(jì)取證階段進(jìn)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(jī)風(fēng)扇及進(jìn)氣錐在結(jié)冰環(huán)境下不影響發(fā)動機(jī)的正常工作并滿足規(guī)章的要求。

目前，航空渦輪發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片主要分為二維設(shè)計(jì)普通葉片和三維設(shè)計(jì)寬弦葉片，其中波音747-400使用的PW4000發(fā)動機(jī)、A320s使用的CFM56-5B發(fā)動機(jī)和波音737NG使用的CFM56-7B發(fā)動機(jī)屬于二維設(shè)計(jì)普通葉片，其他型號的發(fā)動機(jī)大多為三維設(shè)計(jì)寬弦葉片。相較于二維設(shè)計(jì)普通葉片，三維設(shè)計(jì)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(jī)防冰方面并無明顯特性差異。

大多數(shù)型號發(fā)動機(jī)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(jī)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(dá)1000和LEAP-1B等新型發(fā)動機(jī)已設(shè)計(jì)有主動防止冰晶結(jié)冰的功能，利用發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的熱空氣，為風(fēng)扇后部的壓氣機(jī)進(jìn)口機(jī)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(jī)運(yùn)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(jī)結(jié)冰造成的不安全事件和由此產(chǎn)生的維護(hù)負(fù)擔(dān)，針對在寒冷天氣下運(yùn)行的發(fā)動機(jī)，對運(yùn)行各階段均有嚴(yán)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(jī)風(fēng)扇結(jié)冰處置對照說明。

3.1 各運(yùn)行階段除/防冰要求

1）在發(fā)動機(jī)啟動前，需確認(rèn)進(jìn)氣道內(nèi)部沒有冰雪，風(fēng)扇葉片可以自由旋轉(zhuǎn)。否則，機(jī)務(wù)人員需要進(jìn)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(jìn)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(jī)速度較慢時應(yīng)避免在松散雪、冰和積水污染的道面上進(jìn)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(jī)組需要定時執(zhí)行地面卸冰程序。

3）飛機(jī)除冰操作時，嚴(yán)禁向運(yùn)轉(zhuǎn)中的發(fā)動機(jī)噴射除冰液，以防止吸入的除冰液造成發(fā)動機(jī)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(jī)壓氣機(jī)失速喘振。

4）在起飛前，機(jī)組需確認(rèn)飛機(jī)推力穩(wěn)定時發(fā)動機(jī)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(jī)空中運(yùn)行階段，冰晶易在強(qiáng)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(dá)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(dá)回波上方的飛行時間。當(dāng)發(fā)動機(jī)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(jī)都有相應(yīng)的空中卸冰程序，一般采取逐臺改變發(fā)動機(jī)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(jī)停放時，建議安裝進(jìn)氣罩和排氣罩，可最大限度地減少水、雪和冰在發(fā)動機(jī)內(nèi)積聚。

3.2 各型發(fā)動機(jī)風(fēng)扇防冰/卸冰處置說明

因各型發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)原理和飛機(jī)操作程序的不同，發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)在寒冷天氣條件下運(yùn)行時進(jìn)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(jìn)行了系統(tǒng)分析，并在此基礎(chǔ)上通過對多個型號飛機(jī)發(fā)動機(jī)風(fēng)扇防冰/卸冰處置方法的對照分析，總結(jié)出發(fā)動機(jī)在運(yùn)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(jī)結(jié)冰處置方法具有指導(dǎo)和借鑒意義，能夠進(jìn)一步提高飛機(jī)發(fā)動機(jī)安全性和可靠性，避免因發(fā)動機(jī)風(fēng)扇結(jié)冰引發(fā)不必要的安全風(fēng)險及維護(hù)成本的增加。