雨水對民航發動機的影響，嚴重時會造成發動機停車機毀人亡

陳光/文

飛機在大雨中飛行時,特別是在降落過程中,大量雨水會被髮動機吸入,如果風扇不能將過多的雨水甩到外涵,雨水流入燃燒室,會使燃燒室熄火,導致發動機空中停車,嚴重威脅飛機的飛行安全。

為此,除在發動機設計中要採取儘量減少雨水流入內涵道的措施外,在民航適航條令中,還規定發動機要進行吞水試驗,考核要求發動機在運行條件下吞入空氣流量4%的水後,發動機不應停車。CFM56-3發動機雖然通過了吞水考核,但在實際使用中,卻多次出現遇大雨著陸過程中雙發熄火事件。

波音737著陸中遇特大暴雨雙發熄火。2002年1月16 日印度尼西亞 Gardua 航空公司的一架波音737-300 客機(裝有2 臺CFM56-3發動機),執行由 Ampenan到 Yogyakorta的國內421 定期航班任務,機上載有乘客54名,機組人員7人,航行距離625千米。當飛機即將飛臨 Yogyakorta機場時,突然遭遇特大雨/雹的惡劣氣候條件,此時飛機飛行高度約為5400米,發動機處於空中慢車狀態。

圖、421航班遇暴雨雙發熄火飛機迫降於BengawanSolo河中

當飛機進入暴雨區90秒後,雙發均熄火停車,駕駛員3次啟動發動機均未成功,於是啟動輔助動力裝置 APU,但也未獲成功,飛機在無動力情況下急速下降,當飛機在2400米高度穿出雲層時,駕駛員看見BengawanSolo河,於是將飛迫降於距目的機場22.5千米的河中水深約1米的河槽上,降落中撞到岩石,將飛機擊穿,一位空姐由穿孔處摔出機外致死,54名乘客及其他6名機組人員由艙門被救出(圖1),飛機因嚴重受損而報廢。

在這次事件中,駕駛員未能按飛機飛行手冊中的規定程序重新啟動發動機。程序中規定,在一次啟動不成功後,應在3分鐘後再行啟動,但駕駛員卻在一次啟動不成功後1分鐘再次啟動,因此這個失誤可能是造成這次事件的直接因素。

然而CFM56-3發動機在飛機降落中遇大暴雨熄火卻不是新聞。早在1987年5月~1989年9月就出現過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/雹的惡劣氣候條件雙發熄火,1988年5月24日在5000m高度遇特大雨/雹的惡劣氣候條件雙發熄火,1988年7月26日在5800m高度遇特大雨/雹的惡劣氣候條件單發熄火,1989年5月在5300m高度遇特大雨/雹的惡劣氣候條件雙發熄火。在此4次熄火事件中,發動機均成功地重新啟動,因而未造成事故。

在兩年多時間內,重複出現嚴重危及飛行安全的發動機降落過程中遇暴雨熄火的問題,顯然發動機設計中存在某些缺陷,為此,美國聯邦航空局要求發動機研製公司(CFMI公司)立即採取有效措施,解決問題。

1989年對CFM56-3發動機的改進。發動機在大雨中,吸入核心機的雨水,未能在進入核心機前將大部分甩到外涵氣流中,是造成這四起事件的主要原因。因為在CFM56發動機設計階段,對此瞭解不夠,故在設計中沒有采取必要的措施。為了解決飛機降落中遇大雨,過多雨水進入核心機的問題,1989年CFMI公司在CFM56-3上採取了下述幾個措施：

圖2、CFM56-3風扇葉片後緣與分流環的結構圖

(1)加大風扇葉片與分流環的間距。在CFM56-3的原設計中,風扇後外涵、內涵氣流分流處的分流環前緣與風扇葉片後緣的間距很短(如圖2所示),另外,固定於風扇輪盤前的進氣錐作成錐形,使進入風扇核心部分的雨水不易甩到外涵,雨水會隨氣流流入燃燒室,因此易造成發動機停車。

為此,結構不作大的改動,將分流環的進口整流罩長度縮短,使分流環與風扇葉片後緣的間距加長。在CFM56-3之後發展的發動機,分流環與風扇葉片後緣的間距均作得較長,如圖3、4分別示出 GE90-115B、RB211-535E4風扇葉片與分流環的結構圖,它們的分流環與風扇葉片後緣的間距均較大。

(2)進氣錐改形。將錐形進氣錐改成先橢後錐的形式,類似圖3 所示的GE90 進氣錐,便於將雨水甩到外涵道中。

圖3、GE90-115B風扇葉片後緣與分流環間距很大

(3)在增壓壓氣機後加裝放氣活門。在增壓壓氣機後加裝12個放氣活門,在發動機慢車狀態下打開,可將進入發動機的外物包括雨水甩到外涵氣流中。一般放氣活門設置在增壓壓氣機出口拐彎處,便於雨水在拐彎處離心力作用下甩到外涵。在其後的高涵道比渦扇發動機中,均裝有放氣活門,如圖3中 GE90-115B的放氣活門。

圖4、RB211-535E4風扇葉片後緣與分流環的間距很大

(4)提高空中慢車轉速。在壞天氣條件下著陸時,將發動機空中慢車轉速提高到45%N1(正常情況為32%N1),以增加雨水流過風扇、增壓壓氣機的離心力,增加將雨水甩到外涵的能力。

對於這些改進,不僅新生產的發動機要貫徹,當時在外場使用的約1500臺發動機也進行了改裝。

為了考核這些改進是否能在特大雨中有效,進行了一次特有的飛行試驗,如圖5所示,利用一架美空軍的 KC 135空中加油機盛滿水,作為噴水設備。飛在用波音707改裝的飛行試車臺的前上方,試驗的CFM56-3發動機裝在左翼外側發動機吊艙中。加油機的加油管正對試驗發動機的進氣口處噴水,以模擬飛機在空中遇到大雨的條件,試驗結果表明,這些改進是合用的,因此,在CFM56-3的後續機型中也採用了。

但是2002年仍然出現了前述的印尼 Gardua航空公司波音737雙發熄火事件,說明1989年的改進,仍不夠徹底,關鍵在於原設計中,風扇葉片後緣距分流環前緣的間距太小,用換裝長度較小的分流環的進口整流罩,間距增加不大所致。

在CFM56以後研製的高涵道比渦扇發動機,風扇葉片後緣距分流環均留有較大間隙,加上寬弦風扇葉片的採用,發動機一般均不會在在大雨中熄火。例如 V2500作吞水試驗時,吞水量比適航條令要求量大5倍,發動機仍能正常工作。

發動機吸入雨水後引起壓氣機喘振。在20世紀80年代初,GE公司的發動機曾多次在吸入雨水後引起壓氣機喘振,為了徹底找出其原因,1984年 GE公司將一臺曾在使用中吸入雨水後發生喘振的發動機,裝到試車臺中進行試驗研究,發現吸入雨水時,雨水撞到壓氣機進口處溫度傳感器的線圈,使溫度指示偏離正常值(約5℃),導致可調靜子葉片不能精確調節,引起壓氣機喘振。

飛機在雨中起飛時不僅不會熄火推力還會增大。飛機在大雨中下降時,可能會由於發動機吸入過多的雨水造成發動機空中停車事件,但是飛機在雨天起飛時,不僅不易引起發動機熄火停車,而且推力還能增加。

這是因為飛機起飛時,發動機工作於最大轉速下,進入發動機的雨水在風扇大的離心力作用下,大部分甩到外涵,只有少量雨流入內涵,不易引起燃燒室熄火;而流進內涵的雨水起到噴水加力的效應,使發動機推力增加,改善了飛機起飛性能。

發動機短期內增加推力的方法有兩種,即用加力燃燒室增加推力,以及噴水加力。所謂噴水加力是指向工作中的發動機噴入適量的水,水在壓氣機流道中或燃燒室進口處的高溫空氣(300~500℃)作用下蒸發,吸收空氣的熱量(100℃水變成100℃蒸汽時,吸收熱量為2258kJ/kg)，使空氣溫度降低,密度加大,即增加了流入發動機的空氣質量,在燃油調節器配合下增加供油量後,增加了推力。

在20世紀80 年代以前發展的旅客機如波音707、波音727、波音747-100、波音747-200、三叉戟、DC 8、安-24等,均採用了噴水加力,用於飛機在炎熱地區或高原機場上起飛時,使飛機能全載起飛。因為在機場溫度(場溫)較高或空氣壓力(場壓)較低時,發動機起飛推力會降低較多(如圖6所示為推力隨大氣溫度變化曲線)影響飛機起飛性能,向發動機噴水後,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。

圖6、大氣溫度對推力的影響`

專門用於噴水加力的水需純淨水,且需加入適量的甲醇以降低水的冰點,避免水在低溫時冰。向發動機噴水的地方,可在壓氣機進口處,也可在燃燒室進口處。一般在旅客機上,由於客艙環境系統需引入高壓壓氣機出口處空氣,此時不宜向壓氣機進口處噴水,因為水中的甲醇對旅客會造成不適感覺。如圖7所示為向燃燒室噴水的一種結構,通過燃油接頭與噴水接頭,燃油與水均由噴油杆流入噴嘴,由噴嘴噴出時,燃油在外圈,水在內圈。

圖8所示為斯貝發動機的噴嘴,與圖7一樣,燃油與水也是流入噴油杆,但水不由噴油嘴噴出,而是通過噴油嘴上的兩個噴水孔噴出,一個在噴嘴之上,一個在噴嘴之下。上噴水孔是直接在噴油杆上鑽一小孔,下噴水孔則設在水噴嘴上。斯貝發動機噴水的目的,是當大氣溫度高達35℃時,或在2700m的高度時,仍能恢復其最大推力。

圖7、向燃燒室進口噴水

用於波音747 100及 200的JT9D發動機,水是噴到燃燒室前的擴散機匣中。在波音747 100及 200上,裝有兩個水箱,每個水箱容量為1360kg,向兩臺發動機供水。每個水箱均設有加水、供水、水量指示及洩水系統。洩水系統用來在噴水後,將積存於水箱中的水放出,以免在飛行中結冰。噴水時,燃油調節器將增加供油量,約150s後結束噴水,供油量則恢復到噴水前的油量。

採用J 57發動機作動力的 KC 135加油機及 B 52轟炸機也採用了噴水加力,與旅客機噴水加力的作用不同,它們是用以增加飛機起飛時的推力,即使在場溫接近或低於0℃時也要噴水。

KC 135水箱容量為2426kg,為4 臺發動機供水,噴水時間約120s,在大氣溫度高於-7℃時均需噴水,為避免水箱結冰。水箱需用電加溫,所耗功率為8.5kW。向發動機噴水後,起飛推力約增加7.5%,當然噪聲也較大,其噪聲是在美國空軍所用飛機中最大者。據當年維護過 KC 135A的地勤人員回憶,當 KC135A採用噴水加力起飛時,站在距跑道30m處,感覺就像大地震似的,震得距跑道5km的營房都左右搖晃。

圖8、斯貝的噴水結構

B52裝有8臺J 57發動機,水箱容量為4852kg,在大氣溫度高於4℃時均需噴水。20世紀70年代後發展的各型客機,起飛時已不採用向發動機噴水加力的措施了,這主要是因為發動機設計時,已將保持起飛推力的大氣溫度(也稱拐點溫度)從以往的15℃~20℃提高到30℃~35℃,有的高達 45℃(用於 A319的 CFM56 5A4),最高的是用於 A319的V2522,達到55℃,即在大氣溫度高於30℃~55℃時,還能保持最大的起飛推力。

採用噴水加力的飛機,當水箱已加水後,在飛機起飛中,一定要將水噴到發動機中,不允許不噴水,這在飛機操作手冊中有明確規定。因為,如在起飛中水箱水未噴出,隨著飛機高度增高,水箱的水會結冰,結冰時會將水箱撐破;飛機下降時,冰會融化,融化的水會由水箱破口處流向飛機內部。

中國民航曾發生過一次飛機起飛中忘了噴水的事件:一架水箱中裝滿水的安 24輕型客機在鄭州機場起飛時,由於乘此航班的乘客較少,飛機起飛總重較輕,駕駛員很輕易地駕駛飛機離地升空,忘了向發動機噴水,當飛機飛到2000m左右時,駕駛員突然想到已違反了操作程序,怕水箱結冰,於是打開噴水開關,向兩臺發動機噴水,誰知一噴水,兩臺發動機立即熄火,釀成一次雙發空中停車事件。在塔臺指示下,駕駛員重新啟動了兩臺發動機,飛機安全降落在起飛的鄭州機場。

起飛時向發動機噴水,由於進入發動機的空氣量大,水與空氣之比較小,進入到發動機的水量不足以將燃燒室的火焰澆滅,而能增加發動機進氣量,增加推力;但在2000m左右,空氣密度降低,加上發動機處於巡航狀態,使發動機進氣量降低較多,而單位時間的噴水量不變,此時水與空氣之比相對提高較大,即水量相對增加較多,較多的水進入燃燒室當然立即澆滅了火焰,使發動機熄火停車。因此,帶噴水水箱的飛機,不能在飛機升空後向發動機噴水。