浅析航空涡轮风扇发动机结冰与处置

樊飞 杨杰 王勇

摘要：航空涡轮风扇发动机在寒冷天气条件下运行时，进气区域易出现结冰现象，进而影响发动机性能及安全性。本文从航空发动机设计和运行原理、适航审定要求和冰晶结冰原理等方面对发动机除冰/防冰工作的必要性进行了系统分析，并在此基础上通过对多个型号飞机发动机风扇防冰/卸冰处置方法的深入对照分析，总结出发动机在各运行阶段的风扇除/防冰要求。研究结果对各型涡轮风扇发动机结冰处置方法具有指导和借鉴意义。

关键词：航空涡轮风扇发动机；结冰；防冰；除冰；卸冰

Keywords：aero-turbo fan engine；icing；anti-ice；deicing；ice shedding

0 引言

航空涡轮风扇发动机在寒冷天气条件下运行时，发动机进气区域易出现结冰现象，进而影响发动机性能及安全性，产生额外维修成本。

2017年某架A330飞机在执行定检工作时，发现双发中压压气机多级转叶出现卷曲、撕裂、材料丢失等损伤。其中，双发中压压气机第一级转叶损伤超过50%（见图1、图2），发动机不再满足适航标准，需返厂进行修理。受损发动机维修费用逾300万美元。

通过分析该飞机发动机性能数据，发现在2016年12月3日左右双发巡航阶段TGT（涡轮排气温度）发生突然升高（见图3）。锁定临近日期航段，分析飞机QAR数据和机场天气数据，发现该飞机在德国慕尼黑机场过站时，该机场曾出现冻雾天气，飞机在地面停留时间超过卸冰程序要求，且在起飞前未按照要求完成地面卸冰程序以去除积冰，导致发动机高速运转后积冰脱落并击伤下游中压压气机转叶，造成发动机性能下降、TGT上升。

1 发动机风扇结冰原因及危害

发动机高速运转时会产生强大的吸力，使外界空气始终处于被抽吸状态，气流速度增加的同时静温下降。当地面外界温度（OAT）/总温（TAT）等于或低于10℃时，若环境中存在任何形式的可见水气、冰雪或地面存有雪、水（特别是大雪、冻雨、冻雾），大量的冰雪和低温水滴会被吸入发动机，从而发生风扇叶片结冰现象，飞机在静止条件下、发动机转速高于慢车时结冰情况尤其明显。冰雪在发动机气流通道内堆积、融化、重新冻结，并会由此附着在发动机风扇叶片、进气锥甚至发动机其他部件表面。

在飞行过程中，当对流天气附近外界温度低于冰点时，飞机也会遇到可见的湿气聚集成高浓度的小冰晶或低于冰点的过冷液态水滴。冰晶会在发动机风扇后部的压气机进口机匣上聚集，形成积冰。

发动机风扇叶片上凝结冰晶后会改变其气动外形，增加流动阻力，使进气流场分布不均，甚至发生气流畸变，影响发动机的工作稳定性，降低推力，严重时可能导致喘振停车。另外，积冰在风扇叶片上的不均匀排布还会造成发动机转动不平衡，进而引起发动机高振动现象的发生。若风扇叶片所结冰晶融化脱落，冰块被发动机吸入，还有可能损伤发动机部件。

2 发动机风扇防冰设计及适航审定要求

中国民用航空局令第207号《航空发动机适航规定》（CCAR-33R2）中第33.68条“进气系统的结冰”规定“在中国民用航空规章第25部附件C中规定的连续最大或间断最大结冰状态下，发动机在整个飞行功率范围（包括慢车）内的工作中，在发动机部件上不应出现影响发动机工作或引起功率或推力严重损失的结冰情况。”这就要求各型发动机为满足适航要求需在设计取证阶段进行自然结冰测试和连续结冰测试，以向审定部门表明发动机风扇及进气锥在结冰环境下不影响发动机的正常工作并满足规章的要求。

目前，航空涡轮发动机的风扇叶片主要分为二维设计普通叶片和三维设计宽弦叶片，其中波音747-400使用的PW4000发动机、A320s使用的CFM56-5B发动机和波音737NG使用的CFM56-7B发动机属于二维设计普通叶片，其他型号的发动机大多为三维设计宽弦叶片。相较于二维设计普通叶片，三维设计宽弦叶片在气动性能和防止外物击伤方面有较大优势，但在发动机防冰方面并无明显特性差异。

大多数型号发动机并无主动防止冰晶结冰的功能，当飞行中发现风扇叶片结冰时，一般采取逐台改变发动机风扇转速的方式（加减速），利用转速改变和离心力松动冰层并将积冰甩离叶片表面。湍达1000和LEAP-1B等新型发动机已设计有主动防止冰晶结冰的功能，利用发动机压气机的热空气，为风扇后部的压气机进口机匣加热，防止冰晶在此位置聚集形成积冰。

3 寒冷天气下发动机运行各阶段的风扇除/防冰要求和处置说明

为更好地避免因发动机结冰造成的不安全事件和由此产生的维护负担，针对在寒冷天气下运行的发动机，对运行各阶段均有严格的风扇除冰和防冰要求。以下总结各阶段的风扇除/防冰要求和各型发动机风扇结冰处置对照说明。

3.1 各运行阶段除/防冰要求

1）在发动机启动前，需确认进气道内部没有冰雪，风扇叶片可以自由旋转。否则，机务人员需要进行人工除冰，一般采取热水和除/防冰溶剂混合物或/和热空气去除气流通道、风扇叶片和进气锥上的积冰和积雪，并使风扇能够自由转动。

2）滑行阶段，当飞机速度较慢时应避免在松散雪、冰和积水污染的道面上进行高推力操作，避免冰和雪被吸入（在雪堆附近滑行时需格外注意）。在结冰条件下长时间滑行时，机组需要定时执行地面卸冰程序。

3）飞机除冰操作时，严禁向运转中的发动机喷射除冰液，以防止吸入的除冰液造成发动机部件的腐蚀和损伤，而传感器若被污染则会导致采集数据错误，从而引起发动机压气机失速喘振。

4）在起飞前，机组需确认飞机推力稳定时发动机的振动情况，高于正常的风扇振动表明可能存在风扇积冰。这种情况下应完成相应的地面卸冰程序以去除积冰。

5）发动机空中运行阶段，冰晶易在强降水区域附近和上方集中出现，且不会造成明显的气象雷达回波，从而难以被探测到，因此在飞行过程中需尽量减少在琥珀色或红色气象雷达回波上方的飞行时间。当发动机出现高振动且此时其他参数没有变化时，可怀疑为风扇结冰。这种情况应采取空中风扇卸冰的操作程序。各型发动机都有相应的空中卸冰程序，一般采取逐台改变发动机风扇转速的方式（加减速），利用转速改变和离心力松动冰层并将积冰甩离叶片表面，上述风扇转速改变的操作要求反复执行数次，以确保叶片上的积冰完全除去或振动水平恢复。

6）飛机停放时，建议安装进气罩和排气罩，可最大限度地减少水、雪和冰在发动机内积聚。

3.2 各型发动机风扇防冰/卸冰处置说明

因各型发动机设计原理和飞机操作程序的不同，发动机风扇防冰/卸冰处置程序也有很大差别，表1为梳理并总结出的各型发动机风扇防冰/卸冰处置程序对照。

4 总结

本文对航空涡轮风扇发动机在寒冷天气条件下运行时进气区域结冰现象的成因、危害及除冰/防冰的必要性进行了系统分析，并在此基础上通过对多个型号飞机发动机风扇防冰/卸冰处置方法的对照分析，总结出发动机在运行各阶段的风扇防冰要求。研究结果对各型涡轮风扇发动机结冰处置方法具有指导和借鉴意义，能够进一步提高飞机发动机安全性和可靠性，避免因发动机风扇结冰引发不必要的安全风险及维护成本的增加。