减功率起飞的原理及特点

2016-12-27徐硕实

科学中国人 2016年33期

关键词：涡轮噪音重量

徐硕实

中国南方航空股份有限公司上海分公司飞行部

减功率起飞的原理及特点

徐硕实

中国南方航空股份有限公司上海分公司飞行部

文章阐述了减功率起飞的原理，从使用角度出发，对其使用方法作了说明。并将减功率起飞同正常情况作了比较，阐明其优点，以及使用限制。

减功率；寿命；经济

一、前言

减功率（推力）起飞又称灵活功率（推力）起飞，它是在跑道长度够长，飞机载重较小，以小于手册规定的最大起飞功率即可完成安全起飞的前提下，减小功率进行起飞。

近年来，大型民航飞机配置的动力装置具有较大的功率储备，推重比越来越大，性价比越来越高，剩余推力也越来越大。双发飞机具有单发起飞和爬升的能力。所以减推力起飞的可行性是不容置疑的。

而在今天的市场经济体制下，各航空公司在有限的市场领域竞争中，降低营运成本是其赢利的关键之一。飞机的减功率起飞可以降低营运成本。现在，各飞机制造厂家也在手册中把减功率起飞作为标准程序提出并鼓励用户使用。

本文将初步阐明减推力起飞的原理，介绍它的优点，以及减推力起飞在波音737-300型飞机上的使用。

二、减功率起飞的原理

航空燃气涡轮发动机的推力，要受油门杆、不同的大气条件、不同的高度以及速度的影响。

我们采用的减功率起飞，主要利用了大气温度对推力影响的特性。

推力等于单位推力与空气流量的乘积

即R=R单位×G流量…………①

式中：R——推力；

R单位——单位推力；

G流量——空气流量。

在空气流量不变的前提下

R单位=（C5-V）/g……②

式中：C5——加速空气速度；

V——飞行速度；

g——重力加速度。

式中：K——绝热指数；

T0——大气温度；

由④式可知，影响推力的基本参数为：涡轮前燃气温度、飞行速度、大气温度、发动机增压比、发动机压缩效率和膨胀效率。当发动机转速、压气机引气、除大气温度的主要飞行条件不变的情况下，大气温度升高，发动机的单位推力会减小；大气温度降低，发动机的单位推力会增加。

下面就以大气温度升高为例，分析大气温度对推力的影响。大气温度升高时，一方面空气难于压缩，发动机增压比减小，降低了热效率，空气流量降低。同时，大气温度升高，还会使空气密度降低，而增压比减小了，涡轮前燃气压力势必相应降低，而涡轮前燃气温度经过调节器调节可视为不变，所以空气流量进一步降低了。空气流量的降低，将使发动机的推力减小。另一方面，发动机的加热量也将减少，则可以通过涡轮前燃气温度与压气机出口空气温度的差值的变化来说明。大气温度升高，压气机出口温度升高。涡轮前温度不变的情况下，温差减小，发动机的加热量减小，转换成气体动能的热能变少了，既有效功减少，气体速度降低，所以发动机推力减小了。

在其它参数保持不变时，根据实验结论，大气温度对发动机推力的影响，可有下式表示：

式中：R——非标准大气温度时的推力；

R标——海平面标准大气下的推力；

T——海平面标准大气温度；

T0——非标准大气温度。

由此可见，发动机推力与大气温度（绝对温度）的平方成反比。假如，温度由-30℃变为+30℃，由计算可知，对应的最大转速的推力差可达45%左右。由此可见，大气温度变化对发动机推力影响的显著。假设温度法就是根据这一特性来的。

目前，使用较多的就是采用假设温度法来确定减推力起飞的起飞推力的设置值。

在某一特定机场，可计算出飞机最大起飞重量随气温的变化规律。一般来说，气温越低，最大起飞重量越大。从发动机原理知，发动机的推力与换算N1或EPR近似成正比；发动机的推力随温度的增加也是减小的。以下就以表征发动机推力大小的参数EPR来进行分析。

图1 最大起飞重量和最大起飞推力与气温的关系

图1表示某飞机在某机场的最大起飞推力和最大起飞重量随机场温度变化的规律。用事迹机场温度从图中可得到在实际气象条件下的最大起飞重量为Wmax，对应的最大起飞推力为EPR1，但事迹起飞重量W实际小于Wmax。用实际起飞重量从图中反查得一个温度，这个温度即为假设温度。假设温度的物理意义：如果今天的温度为t假设，使用正常推力设置值EPR2（设置值为温度等于t假设时的起飞推力），则把实际起飞重量W实际当作最大起飞重量，跑道刚好用完，或在起飞剖面第二段刚好满足最低上升梯度要求。因此，可以把起飞推力设置为EPR2，EPR2比EPR1小，即采用了较小的起飞推力。

小于最大起飞推力起飞是否安全呢？答案是肯定的。减推力起飞不仅发动机受载小，而且跑道仍有一定的安全余量，在起飞剖面第二阶段的上升梯度也比规定的最低上升梯度大。这是因为：如果机场实际气温等于假设温度，以实际起飞重量起飞，跑道刚好用完或在起飞航道第二阶段上升梯度刚好满足要求。但实际温度比假设温度低，尽管使用同一N1或EPR起飞，实际推力要比假设温度条件下起飞推力大，起飞跑道长度变短了，起飞剖面第二段爬升梯度也增加了。另外，由于实际气温比假设温度低，同一表速的真速比较小，所需的中断起飞距离和所需继续起飞距离都比较短一些。

实际中，进行减功率起飞，只需在FMC（飞行管理计算机）上进行设置，从而控制燃油调节器减少喷油量，减少发动机对空气的加热量，减少转速和T3*，从而使推力减小，达到减推力起飞的目的。

表1 B737-300最高假设温度

表2 最大起飞%N1

表3 温度差异的%N1调整（ΔN）

三、波音737-300型飞机实施功率起飞的方法

1、假设温度法

首先根据当时实际的外界大气温度和机场标高，通过查阅《飞行手册》中性能图表（见表1）可查得最高假设温度值，此温度是基于减推力25%；然后，机长根据飞行签派提供的飞机实际起飞重量确定此次飞行的假设温度值（必须在最高假设温度和最低假设温度之间），并由此假设温度值和机场标高通过表2查出对应的发动机最大起飞N1值；最后，由假设温度和实际外界大气温度通过表3查得N1的修正值（ΔN），最大起飞N1减去ΔN即为实际减推力起飞N1。

实际飞行中，在机长确定了选择的假设温度之后，可在FMC“起飞基准”页面中“OAT”栏中输入实际外界大气温度，在“SEL TEMP”栏输入选择的假设温度。此时，在该页面中将自动显示该假设温度下的减推力N1值。

显然，在允许的假设温度范围内，当飞机实际的起飞重量越小，选取的假设温度越高，减推力的幅度就越大。但这种减推力方式只能用在飞机起飞阶段。

2、在FMC起飞基准页面中直接设置法

波音737-300的另一种减推力方式，是通过FMC“起飞基准”页面2（如图2所示）上直接设置减推力方式1和减推力方式2。

图2 起飞基准页面2

在FMC“起飞基准”页面2上，按压左5行选键并生效，此时发动机将在基于正常起飞推力N1基础上减小约3%（图2所示N1= 88.7%），减推力约10%；若还需进一步减小推力，可按压右5行选键并生效，此时发动机推力将N1减小6%（图2所示N1=85.2%），减推力约20%。

这种减推力设置方式减推力的幅度是由FMC固定的，而且飞机爬升时可继续进行减推力爬升，避免了爬升N1大于起飞N1的情况。

在实际飞行中，若实际需要减推力更多时，可在假设温度减推力的基础上在设置“减推力方式1”或“减推力方式2”，可使起飞N1进一步减小（但必须保证飞机起飞安全性能）。而且还应特别注意：在使用假设温度法时，应避免出现发动机爬升N1大于起飞N1。当爬升N1大于起飞N1时，飞机离地状态不稳定，将影响安全。再者，若起飞后再增大N1等于对发动机再加热，是发动机地热循环次数增加，而发动机热端部件寿命受低热循环次数限制。所以，爬升N1大与起飞N1的减推力起飞会使发动机寿命变短，反而不经济。

四、减推力起飞的优点

1、提高发动机的寿命

在使用权起飞功率起飞的过程中，发动机转速接近最大值，T3*也接近最高温度。涡轮处于高温、高转速下工作，环境极恶劣。涡轮叶片承受很高的热负荷、巨大的离心力和燃气交变力，将使涡轮产生高温蠕变、高温低循环疲劳等，将影响涡轮寿命。此外，由于涡轮一级叶片负荷很重，高温高压燃气冲击涡轮式，直接作用再涡轮叶片上的气动力很大，容易使涡轮叶片发生弯曲，也将影响涡轮寿命。

由表4可知，在大气温度15℃条件下按热天43℃起飞推力起飞，即采用假设温度法减推力起飞，T3*下降值在30℃～50℃之间，热端部件寿命可增加一倍，发动机性能衰减速度降低，热端部件氧化与腐蚀降低。

表4 在大气温度15℃按43℃起飞推力起飞时下降值

图3为某发动机非计划换发率随航程的变化。可知，减功率起飞在相同航程情况下，非计划换发率降低。

图3 非计划换发率随航程的变化

由此可见，减推力起飞可延长发动机的寿命，所以，它可以提高经济性。

2、降低了耗油率

采用减推力起飞，燃油调节器自动降低喷油量，使得燃油消耗率减小。且飞机起飞时，飞机的喷气速度减小，减小了离速损失，从而提高了经济性。

3、降低了噪声污染

根据生理学和心理学的研究成果，噪音对人的生理和心理都会产生严重危害。他将严重影响机场的工作人员和机场周围的巨门的身心健康。长时间在噪音环境下，人将发生诸多不适，如：耳鸣、听力衰退（甚至耳聋）、神经衰弱、疲劳、失眠、心理烦躁等。

北京首都机场自一九八一年就制定了宵禁和减噪音程序。国外许多大机场，例如，法兰克福、戴高乐、旧金山等机场都设有机场噪音限制标准。可见，噪音污染的危害已为人们所重视了。

燃气涡轮发动机的起飞噪音较大，其主要来自风扇、涡轮和喷气。风扇、涡轮高速旋转时产生干涉噪音，由于这种噪音在人耳最为敏感的范围，所以危害较大。喷气噪音是气流从喷口喷出时，由于喷气与外界气体间的巨大速度差，在边界产生紊流脉动，从而产生喷气噪音。在使用减推力起飞的过程中，转速较小，导致风扇、涡轮产生的噪音降低；T3*降低，导致为喷管喷射气流速度降低。经理论推导，亚音速气流产生的喷气噪音功率与喷气速度的8次方成正比，所以，降低喷气速度对降低喷气噪音具有显著作用。

可见，减推力起飞可有效降低发动机起飞噪音。