雨水對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

陳光

（北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,北京100191）

雨水對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

陳光

（北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,北京100191）

雨水對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)影響較大，當(dāng)飛機(jī)在大雨中降落時(shí)，可能會(huì)引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，但在飛機(jī)起飛時(shí)，能起到噴水加力的效應(yīng)。為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)投入使用后出現(xiàn)的一些吞雨停車故障，并總結(jié)了在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中采取的盡量減少雨水流入內(nèi)涵的4點(diǎn)措施，介紹了噴水增大推力的機(jī)理和其在一些軍、民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用情況。

雨水；飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)；空中停車；噴水加力

0 引言

飛機(jī)在大雨中降落時(shí)，可能由于發(fā)動(dòng)機(jī)吸入過(guò)多的雨水造成發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車事件，但是，飛機(jī)在雨天起飛時(shí)，不僅不易引起發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停車，而且還能增大發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。這是因?yàn)轱w機(jī)起飛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作于最大轉(zhuǎn)速下，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨水在風(fēng)扇大的離心力作用下，大部分甩到外涵，只有少量雨流入內(nèi)涵，不易引起燃燒室熄火；而流進(jìn)內(nèi)涵的雨水起到噴水加力的作用，使發(fā)動(dòng)機(jī)推力增大，從而改善了飛機(jī)起飛性能。

本文闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)因吞雨水引起停車故障實(shí)例，并分析其原因，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，同時(shí)，介紹了噴水增大推力機(jī)理及應(yīng)用情況，為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)防吞雨水停車和噴水增大推力提供借鑒作用。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)吞雨水空中停車

飛機(jī)飛行時(shí)特別是在降落過(guò)程中，大量雨水會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)吸入，如果風(fēng)扇不能將其甩到外涵而流入燃燒室，會(huì)使燃燒室熄火，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，嚴(yán)重威脅飛機(jī)的飛行安全。為此，在民航適航條令中，規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)要進(jìn)行吞水試驗(yàn)，考核發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行條件下吞入空氣流量4%的水后的持續(xù)工作情況。CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)雖然通過(guò)了吞水考核，但在實(shí)際使用中，卻多次出現(xiàn)遇大雨降落過(guò)程中雙發(fā)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(jī)（裝有2臺(tái)CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)），執(zhí)行由Ampenan到Y(jié)ogyakorta國(guó)內(nèi)421定期航班任務(wù)，機(jī)上載有乘客54名，機(jī)組人員7人，航行距離625 km。當(dāng)飛機(jī)即將飛臨Yogyakorta機(jī)場(chǎng)時(shí)，突然遭遇特大雨/雹的惡劣氣候條件，此時(shí)飛機(jī)飛行高度約為5400 m，發(fā)動(dòng)機(jī)處于空中慢車狀態(tài)。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入暴雨區(qū)90 s后，雙發(fā)均熄火停車，駕駛員3次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)均未成功，于是，啟動(dòng)輔助動(dòng)力裝置APU，但也未獲成功，飛機(jī)在無(wú)動(dòng)力情況急速下降，當(dāng)飛機(jī)在2400 m高度穿出云層時(shí)，駕駛員看見 Bengawan Solo河，于是將飛機(jī)迫降于距目的機(jī)場(chǎng)22.5 km的水深約1 m的河道上，但是，飛機(jī)在降落中撞到巖石上并被擊穿，嚴(yán)重受損而報(bào)廢（如圖1所示）。除1位空姐摔出飛機(jī)死亡外，54名乘客及其他6名機(jī)組人員由艙門被救出。

圖1 421航班遇暴雨雙發(fā)熄火飛機(jī)迫降于Bengawan Solo河道上

程序中規(guī)定，在一次起動(dòng)不成功后，應(yīng)在3 min后再行起動(dòng)。但在這次事件中，駕駛員卻在起動(dòng)不成功后1 min再次起動(dòng)，未能按飛機(jī)飛行手冊(cè)中的規(guī)定程序重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。這個(gè)失誤可能是造成這次事件的直接因素。

CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)降落中遇大暴雨會(huì)熄火已不是新聞，早在1987年5月～1989年9月就出現(xiàn)過(guò)4次（CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)是1984年12月投入使用的）。在飛機(jī)降落中遇大暴雨會(huì)熄火的事件，即：1987 年8月在2424 m高空雙發(fā)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(fā)熄火；1988年7月26日在5800 m高空單發(fā)熄火，1989年5月在5300 m高空雙發(fā)熄火。但是，在這4次熄火事件中，發(fā)動(dòng)機(jī)均成功重新起動(dòng)，而未造成事故。

在2年多時(shí)間里，重復(fù)出現(xiàn)嚴(yán)重危及飛行安全的發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)降落過(guò)程中遇暴雨熄火的問(wèn)題，顯然發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中存在某些缺陷。為此，美國(guó)聯(lián)邦航空局要求CFMI公司立即采取有效措施，解決問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，CFMI公司1989年在CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)上采取了下述幾個(gè)措施。

1.1 加大風(fēng)扇葉片與分流環(huán)的間距

在CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)的原設(shè)計(jì)中，風(fēng)扇葉片后緣與分流環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，從圖中可見，風(fēng)扇后外涵、內(nèi)涵氣流分流處的分流環(huán)前緣與風(fēng)扇葉片后緣的間距很短，同時(shí)，固定于風(fēng)扇輪盤前的進(jìn)氣錐呈錐形，使進(jìn)入風(fēng)扇核心部分的雨水不易甩到外涵，過(guò)多的雨水將隨著氣流流入燃燒室，因此，易造成發(fā)動(dòng)機(jī)停車。為此，換裝長(zhǎng)度較短的分流環(huán)的進(jìn)口整流罩，使分流環(huán)與風(fēng)扇葉片后緣的間距加長(zhǎng)。另外，在CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)之后發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)，分流環(huán)與風(fēng)扇葉片后緣的間距均作得較長(zhǎng)，如GE90-115B、RB211-535E4發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖3、4所示。

圖2 CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片后緣與分流環(huán)的結(jié)構(gòu)

圖3 GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片后緣與分流環(huán)

圖4 RB211-535E4發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片后緣與分流環(huán)

1.2 進(jìn)氣錐改形

將錐形進(jìn)氣錐改成先橢后錐的形式，類似圖3中的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣錐，便于將雨水甩到外涵道中。

1.3 在增壓壓氣機(jī)后加裝放氣活門

在增壓壓氣機(jī)后加裝12個(gè)放氣活門。在發(fā)動(dòng)機(jī)慢車狀態(tài)下，這些活門被打開，可將包括雨水的進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的外物甩到外涵氣流中。一般放氣活門設(shè)置在增壓壓氣機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)中，均裝有放氣活門，如圖3中GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)的放氣活門。

1.4 提高空中慢車轉(zhuǎn)速

在惡劣天氣條件下降落時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)空中慢車轉(zhuǎn)速提高到45%N1（正常情況為32%N1），以增大雨水流過(guò)風(fēng)扇、增壓壓氣機(jī)的離心力，提高將雨水甩到外涵的能力。

為了考核這些改進(jìn)是否能在特大雨中有效，進(jìn)行了1次專門的飛行試驗(yàn)（如圖5所示），利用1架美空軍的KC-135空中加油機(jī)盛滿水，作為噴水設(shè)備，飛在由波音707客機(jī)改裝的飛行試車臺(tái)的前上方，試驗(yàn)的CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在左翼外側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙中。加油機(jī)的加油管正對(duì)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口處噴水，以模擬飛機(jī)在空中遇到大雨的條件。試驗(yàn)表明：這些改進(jìn)是合適的，因此，在CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)的后續(xù)機(jī)型中也采用了這些改進(jìn)措施。對(duì)于這些改進(jìn)，不僅運(yùn)用在新生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)上，當(dāng)時(shí)對(duì)在外場(chǎng)使用的約1500臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)也進(jìn)行了改裝。

圖5 CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行空中吞水試驗(yàn)

但是，2002年仍然出現(xiàn)了前述的印尼Gardua航空公司波音737雙發(fā)熄火事件，說(shuō)明1989年的改進(jìn)，仍不夠徹底，關(guān)鍵在于原設(shè)計(jì)中，風(fēng)扇葉片后緣距分流環(huán)前緣的間距太小，用換裝長(zhǎng)度較小的分流環(huán)的進(jìn)口整流罩，間距增加不大所致。在CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)以后研制的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，風(fēng)扇葉片后緣距分流環(huán)均留有較大間隙，加上寬弦風(fēng)扇葉片的采用，發(fā)動(dòng)機(jī)一般均不會(huì)在大雨中熄火。例如，V2500發(fā)動(dòng)機(jī)作吞水試驗(yàn)時(shí)，吞水量比適航條令要求量大5倍，發(fā)動(dòng)機(jī)仍能正常工作。

此外，20世紀(jì)80年代初，GE公司的發(fā)動(dòng)機(jī)曾多次在吸入雨水后引起壓氣機(jī)喘振。為了徹底找出其原因，1984年GE公司將1臺(tái)曾在使用中吸入雨水后發(fā)生喘振的發(fā)動(dòng)機(jī)，裝到試車臺(tái)中進(jìn)行試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，吸入雨水時(shí)，雨水撞到壓氣機(jī)進(jìn)口處溫度傳感器的線圈，使溫度指示偏離正常值（約5℃），導(dǎo)致可調(diào)靜子葉片不能精確調(diào)節(jié)，引起壓氣機(jī)喘振。

2 噴水加力原理及應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)短期內(nèi)增大推力的方法有2種，通過(guò)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(fā)動(dòng)機(jī)噴入適量的水，水在壓氣機(jī)流道中或燃燒室進(jìn)口處的高溫空氣（300～500℃）作用下蒸發(fā)，吸收空氣的熱量（100℃水變成100℃蒸汽時(shí)，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(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量，在燃油調(diào)節(jié)器配合下增加供油量后，增大了推力。

圖6 大氣溫度對(duì)推力的影響

在20世紀(jì)80年代以前發(fā)展的客機(jī)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(jī)在炎熱地區(qū)或高原機(jī)場(chǎng)上起飛時(shí)，使飛機(jī)全載起飛。大氣溫度對(duì)推力的影響如圖6所示。在機(jī)場(chǎng)溫度（場(chǎng)溫）較高或空氣壓力（場(chǎng)壓）較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起飛推力會(huì)降低較多，影響飛機(jī)起飛性能，因此，向發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，避免水在低溫時(shí)結(jié)冰。向發(fā)動(dòng)機(jī)噴水的地方，可在壓氣機(jī)進(jìn)口處，也可在燃燒室進(jìn)口處。一般在客機(jī)上，由于客艙環(huán)境系統(tǒng)需引入高壓壓氣機(jī)出口處空氣，此時(shí)不宜向壓氣機(jī)進(jìn)口處噴水，因?yàn)椋械募状紩?huì)給旅客造成不適感覺。向燃燒室噴水的1種結(jié)構(gòu)如圖7所示。通過(guò)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(shí)，燃油在外圈，水在內(nèi)圈。斯貝的噴水結(jié)構(gòu)如圖8所示，從圖中可見，斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)噴水孔，1個(gè)在噴嘴之上，1個(gè)在噴嘴之下。上噴水孔是直接在噴油桿上鉆1個(gè)小孔，下噴水孔則設(shè)在專門的噴水嘴上。斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)噴水的目的，是當(dāng)大氣溫度高達(dá)35℃時(shí)或在2700 m的高空時(shí)，仍能恢復(fù)其最大推力。

圖7 向燃燒室進(jìn)口噴水的結(jié)構(gòu)

圖8 斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)的噴水結(jié)構(gòu)

用于波音747-100及-200的JT9D發(fā)動(dòng)機(jī)，水是噴到燃燒室前的擴(kuò)散機(jī)匣中。在波音747-100及-200上裝有2個(gè)水箱，每個(gè)水箱容量為1360 kg，向2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)供水。每個(gè)水箱均設(shè)有加水、供水、水量指示及泄水系統(tǒng)。泄水系統(tǒng)用來(lái)在噴水后，將積存于水箱中的水放出，以免在飛行中結(jié)冰。噴水時(shí)，燃油調(diào)節(jié)器將增加供油量，約150 s后結(jié)束噴水，供油量則恢復(fù)到噴水前的油量。

采用J-57發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力裝置的KC-135加油機(jī)及B-52轟炸機(jī)均采用了噴水加力，與客機(jī)噴水加力的作用不同，它們是用以增大飛機(jī)起飛推力，即使在場(chǎng)溫接近或低于0℃時(shí)也要噴水。

KC-135加油機(jī)水箱容量為2426 kg，為4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)供水，噴水時(shí)間約120 s，在大氣溫度高于-7℃時(shí)均需噴水，為避免水箱結(jié)冰，水箱需用電加溫，所耗功率為8.5 kW。向發(fā)動(dòng)機(jī)噴水后，起飛推力約增大7.5%，當(dāng)然噪聲也較大，其噪聲在美國(guó)空軍所用飛機(jī)中最大。據(jù)當(dāng)年維護(hù)過(guò)KC-135A加油機(jī)的地勤人員回憶，當(dāng)KC-135A加油機(jī)采用噴水加力起飛時(shí)，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(yíng)房都左右搖晃。

B-52裝有8臺(tái)J-57發(fā)動(dòng)機(jī)，水箱容量為4852 kg，在大氣溫度高于4℃時(shí)均需噴水。

20世紀(jì)70年代后發(fā)展的各型客機(jī)，起飛時(shí)已不再采用向發(fā)動(dòng)機(jī)噴水加力的措施，這主要是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，已將保持起飛推力的大氣溫度（也稱拐點(diǎn)溫度）從以往的15～20℃提高到30～35℃，有的高達(dá)45℃（用于A319客機(jī)的CFM56-5A4發(fā)動(dòng)機(jī)），最高的是用于A319的V2522發(fā)動(dòng)機(jī)，達(dá)到55℃。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有較大影響，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分理解吞水增大推力和吞水引發(fā)的停車的機(jī)理，并采取有效措施，確保飛機(jī)的安全和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高。

[1]陳光.CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)研制特點(diǎn)[M]//航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析.北京：北京航空航天大學(xué)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(guò)去與未來(lái)結(jié)合起來(lái)的、用于波音777的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與設(shè)計(jì)特點(diǎn) [M]//航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析.北京：北京航空航天大學(xué)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(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與研制特點(diǎn) [M]//航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析.北京：北京航空航天大學(xué)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(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與設(shè)計(jì)特點(diǎn) [M]//航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析.北京：北京航空航天大學(xué)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(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[M]//航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析.北京：北京航空航天大學(xué)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(jī)編寫組.世界飛機(jī)手冊(cè)1994[M].北京：航空工業(yè)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(zhǎng)期從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的教學(xué)、科研與生產(chǎn)工作。

2012-06-22