雨水对飞机发动机的影响，严重时会造成发动机在空中停车！|陈光谈航发240

飞机在大雨中飞行时,特别是在降落过程中,大量雨水会被发动机吸入,如果风扇不能将过多的雨水甩到外涵,雨水流入燃烧室,会使燃烧室熄火,导致发动机空中停车,严重威胁飞机的飞行安全。为此,除在发动机设计中要采取尽量减少雨水流入内涵道的措施外,在民航适航条令中,还规定发动机要进行吞水试验,考核要求发动机在运行条件下吞入空气流量4%的水后,发动机不应停车。CFM56 3发动机虽然通过了吞水考核,但在实际使用中,却多次出现遇大雨着陆过程中双发熄火事件。

波音737着陆中遇特大暴雨双发熄火。2002年1月16 日印度尼西亚Gardua 航空公司的一架波音737 300 客机(装有2 台CFM56-3发动机),执行由Ampenan到Yogyakorta的国内421 定期航班任务,机上载有乘客54名,机组人员7人,航行距离625km。当飞机即将飞临Yogyakorta机场时,突然遭遇特大雨/雹的恶劣气候条件,此时飞机飞行高度约为5400 m,发动机处于空中慢车状态。

图、421航班遇暴雨双发熄火飞机迫降于BengawanSolo河中

当飞机进入暴雨区90秒后,双发均熄火停车,驾驶员3次启动发动机均未成功,于是启动辅助动力装置APU,但也未获成功,飞机在无动力情况下急速下降,当飞机在2400 m高度穿出云层时,驾驶员看见BengawanSolo河,于是将飞迫降于距目的机场22.5km的河中水深约1m的河槽上,降落中撞到岩石,将飞机击穿,一位空姐由穿孔处摔出机外致死,54名乘客及其他6名机组人员由舱门被救出(图1),飞机因严重受损而报废。

在这次事件中,驾驶员未能按飞机飞行手册中的规定程序重新启动发动机。程序中规定,在一次启动不成功后,应在3分钟后再行启动,但驾驶员却在一次启动不成功后1分钟再次启动,因此这个失误可能是造成这次事件的直接因素。

然而CFM56-3发动机在飞机降落中遇大暴雨熄火却不是新闻。早在1987年5月~1989年9月就出现过4次(CFM563是1984年12月投入使用的):1987年8 月在2424m高度上遇到特大雨/雹的恶劣气候条件双发熄火,1988年5月24日在5000m高度遇特大雨/雹的恶劣气候条件双发熄火,1988年7月26日在5800m高度遇特大雨/雹的恶劣气候条件单发熄火,1989年5月在5300m高度遇特大雨/雹的恶劣气候条件双发熄火。在此4次熄火事件中,发动机均成功地重新启动,因而未造成事故。

在两年多时间内,重复出现严重危及飞行安全的发动机降落过程中遇暴雨熄火的问题,显然发动机设计中存在某些缺陷,为此,美国联邦航空局要求发动机研制公司(CFMI公司)立即采取有效措施,解决问题。

1989年对CFM56-3发动机的改进

发动机在大雨中,吸入核心机的雨水,未能在进入核心机前将大部分甩到外涵气流中,是造成这四起事件的主要原因。因为在CFM56发动机设计阶段,对此了解不够,故在设计中没有采取必要的措施。为了解决飞机降落中遇大雨,过多雨水进入核心机的问题,1989年CFMI公司在CFM563上采取了下述几个措施:

图2、CFM56-3风扇叶片后缘与分流环的结构图

(1)加大风扇叶片与分流环的间距。在CFM56 3的原设计中,风扇后外涵、内涵气流分流处的分流环前缘与风扇叶片后缘的间距很短(如图2所示),另外,固定于风扇轮盘前的进气锥作成锥形,使进入风扇核心部分的雨水不易甩到外涵,雨水会随气流流入燃烧室,因此易造成发动机停车。

为此,结构不作大的改动,将分流环的进口整流罩长度缩短,使分流环与风扇叶片后缘的间距加长。在CFM56-3之后发展的发动机,分流环与风扇叶片后缘的间距均作得较长,如图3、4分别示出GE90 115B、RB211535E4风扇叶片与分流环的结构图,它们的分流环与风扇叶片后缘的间距均较大。

(2)进气锥改形。将锥形进气锥改成先椭后锥的形式,类似图3 所示的GE90 进气锥,便于将雨水甩到外涵道中

图3、GE90-115B风扇叶片后缘与分流环间距很大

图4、RB211-535E4风扇叶片后缘与分流环的间距很大

(3)在增压压气机后加装放气活门。在增压压气机后加装12个放气活门,在发动机慢车状态下打开,可将进入发动机的外物包括雨水甩到外涵气流中。一般放气活门设置在增压压气机出口拐弯处,便于雨水在拐弯处离心力作用下甩到外涵。在其后的高涵道比涡扇发动机中,均装有放气活门,如图3中GE90115B的放气活门。

(4)提高空中慢车转速。在坏天气条件下着陆时,将发动机空中慢车转速提高到45%N1(正常情况为32%N1),以增加雨水流过风扇、增压压气机的离心力,增加将雨水甩到外涵的能力。

对于这些改进,不仅新生产的发动机要贯彻,当时在外场使用的约1500台发动机也进行了改装。

为了考核这些改进是否能在特大雨中有效,进行了一次特有的飞行试验,如图5所示,利用一架美空军的KC 135空中加油机盛满水,作为喷水设备。飞在用波音707改装的飞行试车台的前上方,试验的CFM563发动机装在左翼外侧发动机吊舱中。加油机的加油管正对试验发动机的进气口处喷水,以模拟飞机在空中遇到大雨的条件,试验结果表明,这些改进是合用的,因此,在CFM563的后续机型中也采用了。

但是2002年仍然出现了前述的印尼Gardua航空公司波音737双发熄火事件,说明1989年的改进,仍不够彻底,关键在于原设计中,风扇叶片后缘距分流环前缘的间距太小,用换装长度较小的分流环的进口整流罩,间距增加不大所致。

在CFM56以后研制的高涵道比涡扇发动机,风扇叶片后缘距分流环均留有较大间隙,加上宽弦风扇叶片的采用,发动机一般均不会在在大雨中熄火。例如V2500作吞水试验时,吞水量比适航条令要求量大5倍,发动机仍能正常工作。

发动机吸入雨水后引起压气机喘振。在20世纪80年代初,GE公司的发动机曾多次在吸入雨水后引起压气机喘振,为了彻底找出其原因,1984年GE公司将一台曾在使用中吸入雨水后发生喘振的发动机,装到试车台中进行试验研究,发现吸入雨水时,雨水撞到压气机进口处温度传感器的线圈,使温度指示偏离正常值(约5℃),导致可调静子叶片不能精确调节,引起压气机喘振。

飞机在雨中起飞时不仅不会熄火推力还会增大。飞机在大雨中下降时,可能会由于发动机吸入过多的雨水造成发动机空中停车事件,但是飞机在雨天起飞时,不仅不易引起发动机熄火停车,而且推力还能增加。

这是因为飞机起飞时,发动机工作于最大转速下,进入发动机的雨水在风扇大的离心力作用下,大部分甩到外涵,只有少量雨流入内涵,不易引起燃烧室熄火;而流进内涵的雨水起到喷水加力的效应,使发动机推力增加,改善了飞机起飞性能。

发动机短期内增加推力的方法有两种,即用加力燃烧室增加推力,以及喷水加力。所谓喷水加力是指向工作中的发动机喷入适量的水,水在压气机流道中或燃烧室进口处的高温空气(300~500℃)作用下蒸发,吸收空气的热量(100℃水变成100℃蒸汽时,吸收热量为2258kJ/kg)，使空气温度降低,密度加大,即增加了流入发动机的空气质量,在燃油调节器配合下增加供油量后,增加了推力。

在20世纪80 年代以前发展的旅客机如波音707、波音727、波音747-100、波音747-200、三叉戟、DC 8、安-24等,均采用了喷水加力,用于飞机在炎热地区或高原机场上起飞时,使飞机能全载起飞。因为在机场温度(场温)较高或空气压力(场压)较低时,发动机起飞推力会降低较多(如图6所示为推力随大气温度变化曲线)影响飞机起飞性能,向发动机喷水后,在较高的大气温度或较低的大气压力下,也能保持起飞推力。

图6、大气温度对推力的影响`

专门用于喷水加力的水需纯净水,且需加入适量的甲醇以降低水的冰点,避免水在低温时冰。向发动机喷水的地方,可在压气机进口处,也可在燃烧室进口处。一般在旅客机上,由于客舱环境系统需引入高压压气机出口处空气,此时不宜向压气机进口处喷水,因为水中的甲醇对旅客会造成不适感觉。如图7所示为向燃烧室喷水的一种结构,通过燃油接头与喷水接头,燃油与水均由喷油杆流入喷嘴,由喷嘴喷出时,

燃油在外圈,水在内圈。图8所示为斯贝发动机的喷嘴,与图7一样,燃油与水也是流入喷油杆,但水不由喷油嘴喷出,而是通过喷油嘴上的两个喷水孔喷出,一个在喷嘴之上,一个在喷嘴之下。上喷水孔是直接在喷油杆上钻一小孔,下喷水孔则设在水喷嘴上。斯贝发动机喷水的目的,是当大气温度高达35℃时,或在2700m的高度时,仍能恢复其最大推力。

图7向燃烧室进口喷水

用于波音747 100及200的JT9D发动机,水是喷到燃烧室前的扩散机匣中。在波音747 100及200上,装有两个水箱,每个水箱容量为1360kg,向两台发动机供水。每个水箱均设有加水、供水、水量指示及泄水系统。泄水系统用来在喷水后,将积存于水箱中的水放出,以免在飞行中结冰。喷水时,燃油调节器将增加供油量,约150s后结束喷水,供油量则恢复到喷水前的油量。

采用J 57发动机作动力的KC 135加油机及B 52轰炸机也采用了喷水加力,与旅客机喷水加力的作用不同,它们是用以增加飞机起飞时的推力,即使在场温接近或低于0℃时也要喷水。

KC 135水箱容量为2426kg,为4 台发动机供水,喷水时间约120s,在大气温度高于-7℃时均需喷水,为避免水箱结冰。水箱需用电加温,所耗功率为8.5kW。向发动机喷水后,起飞推力约增加7.5%,当然噪声也较大,其噪声是在美国空军所用飞机中最大者。据当年维护过KC 135A的地勤人员回忆,当KC135A采用喷水加力起飞时,站在距跑道30m处,感觉就像大地震似的,震得距跑道5km的营房都左右摇晃。

图8、斯贝的喷水结构

B52装有8台J 57发动机,水箱容量为4852kg,在大气温度高于4℃时均需喷水。20世纪70年代后发展的各型客机,起飞时已不采用向发动机喷水加力的措施了,这主要是因为发动机设计时,已将保持起飞推力的大气温度(也称拐点温度)从以往的15℃~20℃提高到30℃~35℃,有的高达45℃(用于A319的CFM56 5A4),最高的是用于A319的V2522,达到55℃,即在大气温度高于30℃~55℃时,还能保持最大的起飞推力。

采用喷水加力的飞机,当水箱已加水后,在飞机起飞中,一定要将水喷到发动机中,不允许不喷水,这在飞机操作手册中有明确规定。因为,如在起飞中水箱水未喷出,随着飞机高度增高,水箱的水会结冰,结冰时会将水箱撑破;飞机下降时,冰会融化,融化的水会由水箱破口处流向飞机内部。

中国民航曾发生过一次飞机起飞中忘了喷水的事件:一架水箱中装满水的安24轻型客机在郑州机场起飞时,由于乘此航班的乘客较少,飞机起飞总重较轻,驾驶员很轻易地驾驶飞机离地升空,忘了向发动机喷水,当飞机飞到2000m左右时,驾驶员突然想到已违反了操作程序,怕水箱结冰,于是打开喷水开关,向两台发动机喷水,谁知一喷水,两台发动机立即熄火,酿成一次双发空中停车事件。在塔台指示下,驾驶员重新启动了两台发动机,飞机安全降落在起飞的郑州机场。

起飞时向发动机喷水,由于进入发动机的空气量大,水与空气之比较小,进入到发动机的水量不足以将燃烧室的火焰浇灭,而能增加发动机进气量,增加推力;但在2000m左右,空气密度降低,加上发动机处于巡航状态,使发动机进气量降低较多,而单位时间的喷水量不变,此时水与空气之比相对提高较大,即水量相对增加较多,较多的水进入燃烧室当然立即浇灭了火焰,使发动机熄火停车。因此,带喷水水箱的飞机,不能在飞机升空后向发动机喷水。