雨水对飞机发动机的影响

陈光

（北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100191）

雨水对飞机发动机的影响

陈光

（北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100191）

雨水对飞机发动机影响较大，当飞机在大雨中降落时，可能会引发发动机熄火，但在飞机起飞时，能起到喷水加力的效应。为了对发动机防吞雨水停车和喷水增大推力研究提供参考，综述了CFM 56-3型发动机投入使用后出现的一些吞雨停车故障，并总结了在发动机设计中采取的尽量减少雨水流入内涵的4点措施，介绍了喷水增大推力的机理和其在一些军、民用飞机发动机上的应用情况。

雨水；飞机发动机；空中停车；喷水加力

0 引言

飞机在大雨中降落时，可能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，而且还能增大发动机的推力。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作用，使发动机推力增大，从而改善了飞机起飞性能。

本文阐述了发动机因吞雨水引起停车故障实例，并分析其原因，提出相应的改进措施，同时，介绍了喷水增大推力机理及应用情况，为对发动机防吞雨水停车和喷水增大推力提供借鉴作用。

1 发动机吞雨水空中停车

飞机飞行时特别是在降落过程中，大量雨水会被发动机吸入，如果风扇不能将其甩到外涵而流入燃烧室，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，在民航适航条令中，规定发动机要进行吞水试验，考核发动机在运行条件下吞入空气流量4%的水后的持续工作情况。CFM56-3发动机虽然通过了吞水考核，但在实际使用中，却多次出现遇大雨降落过程中双发熄火事件。

2002年1月16日印度尼西亚Gardua航空公司的1架波音737-300客机（装有2台CFM56-3发动机），执行由Ampenan到Yogyakorta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625 km。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。当飞机进入暴雨区90 s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，飞机在无动力情况急速下降，当飞机在2400 m高度穿出云层时，驾驶员看见 Bengawan Solo河，于是将飞机迫降于距目的机场22.5 km的水深约1 m的河道上，但是，飞机在降落中撞到岩石上并被击穿，严重受损而报废（如图1所示）。除1位空姐摔出飞机死亡外，54名乘客及其他6名机组人员由舱门被救出。

图1 421航班遇暴雨双发熄火飞机迫降于Bengawan Solo河道上

程序中规定，在一次起动不成功后，应在3 min后再行起动。但在这次事件中，驾驶员却在起动不成功后1 min再次起动，未能按飞机飞行手册中的规定程序重新起动发动机。这个失误可能是造成这次事件的直接因素。

CFM56-3发动机在飞机降落中遇大暴雨会熄火已不是新闻，早在1987年5月～1989年9月就出现过4次（CFM56-3发动机是1984年12月投入使用的）。在飞机降落中遇大暴雨会熄火的事件，即：1987 年8月在2424 m高空双发熄火；1988年5月24日在5000 m高空遇特大雨/雹的恶劣气候条件双发熄火；1988年7月26日在5800 m高空单发熄火，1989年5月在5300 m高空双发熄火。但是，在这4次熄火事件中，发动机均成功重新起动，而未造成事故。

在2年多时间里，重复出现严重危及飞行安全的发动机在飞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CFMI公司立即采取有效措施，解决问题。为了解决这一问题，CFMI公司1989年在CFM56-3发动机上采取了下述几个措施。

1.1 加大风扇叶片与分流环的间距

在CFM56-3发动机的原设计中，风扇叶片后缘与分流环的结构如图2所示，从图中可见，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，同时，固定于风扇轮盘前的进气锥呈锥形，使进入风扇核心部分的雨水不易甩到外涵，过多的雨水将随着气流流入燃烧室，因此，易造成发动机停车。为此，换装长度较短的分流环的进口整流罩，使分流环与风扇叶片后缘的间距加长。另外，在CFM56-3发动机之后发展的发动机，分流环与风扇叶片后缘的间距均作得较长，如GE90-115B、RB211-535E4发动机，如图3、4所示。

图2 CFM56-3发动机风扇叶片后缘与分流环的结构

图3 GE90-115B发动机风扇叶片后缘与分流环

图4 RB211-535E4发动机风扇叶片后缘与分流环

1.2 进气锥改形

将锥形进气锥改成先椭后锥的形式，类似图3中的GE90发动机进气锥，便于将雨水甩到外涵道中。

1.3 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，这些活门被打开，可将包括雨水的进入发动机的外物甩到外涵气流中。一般放气活门设置在增压压气机出口拐弯处，便于水在拐弯处因离心力作用甩到外涵。在其后的大涵道比涡扇发动机中，均装有放气活门，如图3中GE90-115B发动机的放气活门。

1.4 提高空中慢车转速

在恶劣天气条件下降落时，将发动机空中慢车转速提高到45%N1（正常情况为32%N1），以增大雨水流过风扇、增压压气机的离心力，提高将雨水甩到外涵的能力。

为了考核这些改进是否能在特大雨中有效，进行了1次专门的飞行试验（如图5所示），利用1架美空军的KC-135空中加油机盛满水，作为喷水设备，飞在由波音707客机改装的飞行试车台的前上方，试验的CFM56-3发动机安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。试验表明：这些改进是合适的，因此，在CFM56-3发动机的后续机型中也采用了这些改进措施。对于这些改进，不仅运用在新生产的发动机上，当时对在外场使用的约1500台发动机也进行了改装。

图5 CFM56-3发动机进行空中吞水试验

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发动机以后研制的大涵道比涡扇发动机中，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大雨中熄火。例如，V2500发动机作吞水试验时，吞水量比适航条令要求量大5倍，发动机仍能正常工作。

此外，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1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。

2 喷水加力原理及应用

发动机短期内增大推力的方法有2种，通过加力燃烧室增大推力和喷水加力。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2258 kJ/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，增大了推力。

图6 大气温度对推力的影响

在20世纪80年代以前发展的客机如波音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，使飞机全载起飞。大气温度对推力的影响如图6所示。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，影响飞机起飞性能，因此，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。

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，避免水在低温时结冰。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，水中的甲醇会给旅客造成不适感觉。向燃烧室喷水的1种结构如图7所示。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。斯贝的喷水结构如图8所示，从图中可见，斯贝发动机的喷嘴与图7中的一样，燃油与水也是流入喷油杆，但水不由喷油嘴喷出，而是在喷油嘴上有2个喷水孔，1个在喷嘴之上，1个在喷嘴之下。上喷水孔是直接在喷油杆上钻1个小孔，下喷水孔则设在专门的喷水嘴上。斯贝发动机喷水的目的，是当大气温度高达35℃时或在2700 m的高空时，仍能恢复其最大推力。

图7 向燃烧室进口喷水的结构

图8 斯贝发动机的喷水结构

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2个水箱，每个水箱容量为1360 kg，向2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150 s后结束喷水，供油量则恢复到喷水前的油量。

采用J-57发动机作动力装置的KC-135加油机及B-52轰炸机均采用了喷水加力，与客机喷水加力的作用不同，它们是用以增大飞机起飞推力，即使在场温接近或低于0℃时也要喷水。

KC-135加油机水箱容量为2426 kg，为4台发动机供水，喷水时间约120 s，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8.5 kW。向发动机喷水后，起飞推力约增大7.5%，当然噪声也较大，其噪声在美国空军所用飞机中最大。据当年维护过KC-135A加油机的地勤人员回忆，当KC-135A加油机采用喷水加力起飞时，站在距跑道30 m处，感觉就像旧金山大地震似的，震得距跑道5 km的营房都左右摇晃。

B-52装有8台J-57发动机，水箱容量为4852 kg，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，起飞时已不再采用向发动机喷水加力的措施，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客机的CFM56-5A4发动机），最高的是用于A319的V2522发动机，达到55℃。

3 结束语

由于水对发动机的性能具有较大影响，在设计时要充分理解吞水增大推力和吞水引发的停车的机理，并采取有效措施，确保飞机的安全和发动机性能的提高。

[1]陈光.CFM56系列发动机研制特点[M]//航空发动机结构设计分析.北京：北京航空航天大学出版社，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]陈光.将过去与未来结合起来的、用于波音777的GE90发动机的研制与设计特点 [M]//航空发动机结构设计分析.北京：北京航空航天大学出版社，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]陈光.遄达发动机设计与研制特点 [M]//航空发动机结构设计分析.北京：北京航空航天大学出版社，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]陈光.PW4000发动机的发展与设计特点 [M]//航空发动机结构设计分析.北京：北京航空航天大学出版社，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]陈光.CF6-80C2发动机结构设计分析[M]//航空发动机结构设计分析.北京：北京航空航天大学出版社，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]世界飞机编写组.世界飞机手册1994[M].北京：航空工业出版社，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

陈光（1930），男，教授，长期从事航空发动机结构设计的教学、科研与生产工作。

2012-06-22