飛行中喘振的預(yù)防與處置

李世林 中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院 618307

飛行中喘振的預(yù)防與處置

李世林 中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院 618307

喘振是航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的一種不正常工作狀態(tài)，會嚴(yán)重危及到飛行安全。本文闡述飛行中發(fā)動機(jī)喘振的形成機(jī)理，討論喘振的誘發(fā)因素，分析其預(yù)防及處置措施，可以為飛行安全操作提供理論依據(jù)。

飛行；喘振；速度三角形；預(yù)防

Aviation flight；speed triangle； prevention

喘振是發(fā)動機(jī)中壓氣機(jī)的一種不穩(wěn)定工作狀態(tài)，是由于壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流量驟然減小而引起的氣流沿壓氣機(jī)軸向發(fā)生低頻高振幅的氣流振蕩現(xiàn)象。發(fā)動機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，其壓氣機(jī)出口壓力和流量劇烈波動，動機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、排氣溫度升高、發(fā)動機(jī)振動加劇，并伴隨發(fā)動機(jī)放炮的聲音。若不及時(shí)修正喘振狀態(tài)，可能會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)性能急劇惡化，內(nèi)部機(jī)件損傷，甚至發(fā)動機(jī)富油熄火，將嚴(yán)重危及飛行安全。因此討論喘振的形成機(jī)理，分析其預(yù)防及處置方法，將為安全飛行提供理論依據(jù)

1. 喘振機(jī)理

壓氣機(jī)喘振的根本原因是氣流分離。當(dāng)流量系數(shù)小于設(shè)計(jì)值時(shí)，如轉(zhuǎn)速不變而空氣流量減小，氣流相對速度方向偏離了葉片前緣方向而變陡，行成正沖角，此時(shí)，隨著流量系數(shù)的減小，氣流首先就會在個(gè)別的葉片葉背上出現(xiàn)分離現(xiàn)象。由于空氣流動慣性，總有脫離葉背的趨勢，這就加劇了氣流分離，所以分離區(qū)不斷擴(kuò)大，同時(shí)引起扭速和葉輪功的增加，進(jìn)而使壓氣機(jī)增壓能力提高，氣體前后壓差增加，壓氣機(jī)變“重”。當(dāng)流量系數(shù)減小到一定值時(shí)，分離區(qū)沿徑向和周向傳播，分離區(qū)迅速擴(kuò)大。氣流分離使氣流向前運(yùn)動的動能減小，前后壓差增加，后面的高壓氣體始終有一種回沖的趨勢，當(dāng)氣體向后流動的動能不足以克服氣流回沖的趨勢時(shí)，氣流就會倒流，使壓氣機(jī)通道出現(xiàn)堵塞。但這一倒流卻又減小了壓氣機(jī)前后的壓差，氣流在葉輪的推動下，又向后流動。此時(shí)，由于進(jìn)口的流量仍小于設(shè)計(jì)值，于是又出現(xiàn)分離區(qū)，流動受阻，動能減小，氣流又會倒流。如此反復(fù)，就造成壓氣機(jī)內(nèi)的氣流來回振蕩，使空氣流量時(shí)大時(shí)小，壓力時(shí)高時(shí)低，工作不穩(wěn)定。

2. 誘發(fā)壓氣機(jī)喘振的因素

2.1 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于設(shè)計(jì)值過多

當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從設(shè)計(jì)值減小時(shí)，發(fā)動機(jī)流量也相應(yīng)減小。因葉輪轉(zhuǎn)速減小時(shí)，壓氣機(jī)每級葉輪的增壓比能力被削弱。由于逐級積累，壓氣機(jī)后面級空氣密度與設(shè)計(jì)值相比減小太多，壓氣機(jī)后面級的通道面積對其空氣密度而言就顯的太小，后級氣流存在堵塞傾向。由于后級氣流不暢，必然引起壓氣機(jī)進(jìn)口空氣的進(jìn)一步減小，所以最終引起壓氣機(jī)前級流量系數(shù)小于設(shè)計(jì)值，誘發(fā)壓氣機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)。由于流量連續(xù)，氣流軸向速度將逐漸增加，流量系數(shù)回升，在中間某級流量系數(shù)將等于設(shè)計(jì)值。隨著流量系數(shù)繼續(xù)回升，壓氣機(jī)后級流量系數(shù)大于設(shè)計(jì)值，引起壓氣機(jī)進(jìn)入渦輪狀態(tài)，壓氣機(jī)各級速度三角形如圖1所示。

2.2 壓氣機(jī)進(jìn)口總溫過高

當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口總溫升高時(shí)，由于熱空氣不易壓縮，各級壓氣機(jī)葉輪增壓效率降低。由于逐級積累，使壓氣機(jī)后級空氣密度較設(shè)計(jì)值減小太多，這與轉(zhuǎn)速過低的影響相似，最終引起壓氣機(jī)前級流量系數(shù)小于設(shè)計(jì)值，誘發(fā)發(fā)動機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)。由于流量連續(xù)，氣流軸向速度逐漸增加，在壓氣機(jī)中間某級流量系數(shù)等于設(shè)計(jì)值，而壓氣機(jī)后級的流量系數(shù)將大于設(shè)計(jì)值，引起壓氣機(jī)進(jìn)入渦輪狀態(tài)，其速度三角形如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)速過低時(shí)的速度三角形

圖2 進(jìn)口總溫過高時(shí)的速度三角形

2.3 空氣流量驟然減小

壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流量驟然減小時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)口氣流速度迅速減小，首先使前級流量系數(shù)小于設(shè)計(jì)值，引起前級喘振。由于流量連續(xù)，氣流軸向速度逐級減小，使后級流量系數(shù)低于設(shè)計(jì)值更多，最終將引起壓氣機(jī)前后級都喘振。

3. 喘振的預(yù)防措施

現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)通過安裝可調(diào)放氣活門、可變靜子葉片等設(shè)備，可以有效提高壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下工作的穩(wěn)定性。但在一定的飛行條件下，若飛行員操作不當(dāng)，發(fā)動機(jī)仍然有發(fā)生喘振的可能。所以，為了防止喘振發(fā)生，需要注意以下事項(xiàng)。

3.1 柔和操縱油門

發(fā)動機(jī)加速時(shí)，若前推油門桿過猛，燃油量增加過快，渦輪前溫度迅速升高，燃?xì)饧眲∨蛎?。由于渦輪導(dǎo)向器的限流作用，使發(fā)動機(jī)進(jìn)口空氣流量驟然減小，容易誘發(fā)壓氣機(jī)喘振。

3.2 柔和操縱飛機(jī)

若操縱飛機(jī)粗猛，飛機(jī)姿態(tài)變化過大，容易引起側(cè)滑，在進(jìn)氣道能會產(chǎn)生氣流分離，使壓氣機(jī)進(jìn)口流場不均；若飛行員拉桿過猛，飛機(jī)迎角突然變大，進(jìn)氣道內(nèi)會發(fā)生嚴(yán)重的氣流分離，進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣流量會急劇減小。

3.3 預(yù)防發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道積冰

當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道積冰時(shí)，一方面使發(fā)動機(jī)進(jìn)口空氣流量減少；另一方面由于積冰使進(jìn)氣道表面不規(guī)則，引起進(jìn)氣道中氣流分離加劇。所以，進(jìn)氣道積冰容易引起壓氣機(jī)喘振，飛行中應(yīng)正確使用發(fā)動機(jī)防冰裝置，防止發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道積冰。

3.4 避免外來物損傷

若外來物進(jìn)入發(fā)動機(jī)，一方面將損傷壓氣機(jī)葉片，容易發(fā)生氣流分離；同時(shí)也會引起發(fā)動機(jī)進(jìn)口空氣流量減小，最終使壓氣機(jī)的工作穩(wěn)定性降低，壓氣機(jī)喘振的傾向增強(qiáng)。在發(fā)動機(jī)進(jìn)行試車前，應(yīng)檢查進(jìn)氣道有無遺留雜物，檢查停機(jī)坪周圍，特別是發(fā)動機(jī)前面的場地是否已打掃干凈，以免發(fā)動機(jī)工作時(shí)，將外物吸入發(fā)動機(jī)內(nèi)。

3.5 正確使用反推裝置

飛機(jī)正常著陸或中止起飛使用反推裝置時(shí)，當(dāng)滑行速度較小時(shí)，一般為60～80海里/小時(shí)，應(yīng)及時(shí)推出發(fā)動機(jī)反推狀態(tài)，防止由于反推裝置工作時(shí)，由于發(fā)動機(jī)進(jìn)口空氣流量的迅速減小而引起壓氣機(jī)喘振。

3.6 預(yù)防夏季低空風(fēng)切變

夏季氣溫氣壓高，空氣難以壓縮，且低空風(fēng)向劇變，容易使進(jìn)氣道口氣流驟減，引發(fā)喘振。

4. 喘振的處置

發(fā)動機(jī)工作時(shí)，若出現(xiàn)鳥擊、內(nèi)部損傷、引氣系統(tǒng)故障以及葉片工作間隙變化時(shí)，都有可能引起喘振。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低空高功率狀態(tài)，會發(fā)生較大的放炮聲，發(fā)動機(jī)振動加劇，并伴隨飛機(jī)較大的范圍的偏航。發(fā)動機(jī)處于高空狀態(tài)時(shí)，一般會由于功率狀態(tài)改變或飛行高度變化而引起發(fā)動機(jī)喘振，此時(shí)放炮聲音較小，振動較弱，但會引起較大的排氣溫度變化。

喘振一般分為自行恢復(fù)、機(jī)組干預(yù)后恢復(fù)和不可恢復(fù)的喘振三種。發(fā)生自行恢復(fù)的喘振時(shí)，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、排氣溫度及發(fā)動機(jī)振動值會有輕微波動，伴隨短暫的發(fā)動機(jī)放炮聲后，發(fā)動機(jī)會自動恢復(fù)到其正常工作狀態(tài)。對于此類喘振，機(jī)組只需繼續(xù)控制飛行狀態(tài)，而不需要采取其他恢復(fù)措施。

發(fā)生機(jī)組干預(yù)后恢復(fù)的喘振時(shí)，機(jī)組會發(fā)現(xiàn)排氣溫度大幅升高，出現(xiàn)超限，并伴隨較強(qiáng)的振動。此時(shí)需要回收油門桿，降低功率，適當(dāng)頂桿增速，讓發(fā)動機(jī)恢復(fù)穩(wěn)定工作。喘振結(jié)束后，保持飛行，緩慢推桿，逐漸恢復(fù)功率，直至發(fā)動機(jī)各參數(shù)恢復(fù)正常。若推桿過程中，又產(chǎn)生喘振，則該發(fā)動機(jī)只能工作在低功率狀態(tài)或者慢車狀態(tài)工作。發(fā)動機(jī)在慢車狀態(tài)時(shí)，仍然可以發(fā)出一部分功率供飛行推進(jìn)以及飛機(jī)其它系統(tǒng)使用。發(fā)生喘振時(shí)，若機(jī)組不采取行動恢復(fù)發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)將繼續(xù)喘振，則可能發(fā)生次生損傷，直至完全損壞發(fā)動機(jī)。

發(fā)生不可恢復(fù)喘振時(shí)，若完成恢復(fù)步驟后仍不能解除喘振時(shí)，或者發(fā)動機(jī)排氣溫度處于超限狀態(tài)時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，應(yīng)當(dāng)及時(shí)關(guān)閉發(fā)動機(jī)，此時(shí)喘振一般伴隨嚴(yán)重的發(fā)動機(jī)損傷。

若在地面啟動時(shí)發(fā)生喘振，則應(yīng)該立即停車，待檢查修理完畢后再開車試運(yùn)行。

5. 總結(jié)

喘振在飛行的各個(gè)階段都可能發(fā)生，但通過正確的運(yùn)行操作，可以大大降低喘振發(fā)生的概率。若發(fā)生喘振，任何情況下，第一任務(wù)都是保證飛行的姿態(tài)，只有穩(wěn)定的飛行，才可能有時(shí)間來恢復(fù)發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作。對于飛行中發(fā)生的發(fā)動機(jī)喘振，應(yīng)該按照飛行使用手冊中的程序處理。

[1] 趙廷渝. 航空燃?xì)鉁u輪動力裝置[M]. 成都: 西南交大出版社.2008

[2] CFMI. CFM56-3 line maintenance manual [M]. CFMI Company.2010

Engine Surge Prevention and Dealing in Flight

Li Shilin Aviation Engineering Institute, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307

Surge is a kind of engine abnormal working situation, and would severely damages aero engine and harms flight safety. This paper put forward the surge theory, analyzed the inducements for engine surge in flight. At last, prevention and dealing methods were discussed to make a safe fight manipulate. This thesis gave the theoretical foundation for engine surge in flight.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.026

李世林，1978年生，成都人，講師，博士研究生，主要從事航空工程研究。