鄭瑋晟，丁鐵純，任廣惠

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110122）

0 引言

適航指的是航空器基于預(yù)定運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)用限制條件，可以進(jìn)行安全飛行且達(dá)到最低安全標(biāo)準(zhǔn)所需要具備的特性。適航性研究在國(guó)外已經(jīng)形成了較為先進(jìn)、系統(tǒng)的管理模式及理念，我國(guó)雖然已經(jīng)成立了專門(mén)的機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行適航管理及審定，但是研究時(shí)間尚短，還未形成較為系統(tǒng)、完整的適航管理和審定體系。本文研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)失速喘振的原理及適航審定方法，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)失速喘振原理

伴隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其可靠性與安全性水平不斷提升。航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多次飛躍，A320neo、737MAX 等機(jī)型所配套的PW1000G、CFM LEAP-1B 等型號(hào)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供更大的推重比、涵道比，具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性[1]。隨著國(guó)內(nèi)民用航空業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)的利用率也不斷提升，飛機(jī)運(yùn)行的時(shí)間也不斷延長(zhǎng)。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)型的號(hào)多樣化，無(wú)法避免偶發(fā)性的發(fā)動(dòng)機(jī)故障問(wèn)題，例如發(fā)動(dòng)機(jī)喘振、壓縮機(jī)葉片受損、發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪盤(pán)破損、發(fā)動(dòng)機(jī)失速等。

目前大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)一般由兩軸或者三軸轉(zhuǎn)子構(gòu)成。在兩軸轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，N1 指風(fēng)扇/低壓壓氣機(jī)/低壓渦輪參數(shù)，N2 指高壓壓氣機(jī)/高壓渦輪參數(shù)。氣流由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)涵道，一部分會(huì)由風(fēng)扇直接通過(guò)外涵道排出，繼而形成了較多的推力；另一部分會(huì)將氣流輸送至低壓壓縮機(jī)，之后經(jīng)過(guò)高壓壓縮機(jī)將高壓空氣引入燃燒室，通過(guò)燃燒釋放大量的能量，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)高壓渦輪與低壓渦輪排出尾噴管，同時(shí)形成少量推力（圖1）?？傮w來(lái)說(shuō)，高壓渦輪驅(qū)動(dòng)高壓壓縮機(jī)，低壓渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇及低壓壓縮機(jī)[2]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

造成發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定的重要因素是失速與喘振，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能減弱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。

在關(guān)于飛機(jī)機(jī)翼失速的原理中，如果飛機(jī)超過(guò)臨界迎角，翼型上表面邊界層會(huì)產(chǎn)生氣流分離，導(dǎo)致升力急劇下降而無(wú)法維持正常飛行。發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇與壓縮機(jī)葉片剖面與機(jī)翼剖面較為相似，若壓氣機(jī)葉片被污染，失速攻角變小，便會(huì)導(dǎo)致失速問(wèn)題的產(chǎn)生。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)失速的最根本原因是壓縮機(jī)葉片表面氣流分離超過(guò)臨界值[3]。

若停滯的氣流量較小，則可能在后續(xù)運(yùn)行中被吸收甚至消散。若停滯的氣流量過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致下一級(jí)葉片的正常運(yùn)轉(zhuǎn)受到阻礙，這種現(xiàn)象被稱為旋轉(zhuǎn)失速。若分離氣流繼續(xù)傳播，便會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)將氣流傳送到后級(jí)壓縮機(jī)的能力遭受阻礙，也會(huì)導(dǎo)致流入燃燒室的氣流壓力突然下降。其間，燃燒室高壓氣體便會(huì)流入壓縮機(jī)，繼而形成氣流的反轉(zhuǎn)，出現(xiàn)失速喘振問(wèn)題。與此同時(shí)，燃燒室也會(huì)出現(xiàn)富油，繼而影響高壓渦輪與低壓渦輪的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且會(huì)出現(xiàn)噴火的問(wèn)題。若進(jìn)氣道進(jìn)氣壓力較低，且在一定的條件下使用大馬力如極端機(jī)動(dòng)、失速等，便會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣道出現(xiàn)噴火問(wèn)題。其中，導(dǎo)致進(jìn)氣道壓力小的因素包括極端飛行機(jī)動(dòng)、吸入熱尾氣及進(jìn)氣道結(jié)冰等。

由于失速所導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)喘振一般表現(xiàn)在較高發(fā)動(dòng)機(jī)功率下所產(chǎn)生的爆炸性壓氣機(jī)氣流反轉(zhuǎn)，同時(shí)也包括產(chǎn)生的尾噴管與進(jìn)氣口的火焰。因此，首要的工作便是收回油門(mén)桿，其主要目的是減少進(jìn)入燃燒室的燃油流量，降低燃燒室壓力?；诖?，可知壓縮機(jī)失速可能會(huì)引發(fā)喘振，而發(fā)動(dòng)機(jī)喘振也可能是由壓縮機(jī)失速導(dǎo)致。

失速主要包括初始失速和深度失速兩種。中度及以上程度的喘振可能會(huì)導(dǎo)致失速，且出現(xiàn)失速喘振現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致氣流倒轉(zhuǎn)。瞬間產(chǎn)生的進(jìn)氣流干擾會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)喘振，但可以恢復(fù)，此種情況不需采取應(yīng)對(duì)措施。而不可恢復(fù)的喘振需要飛行員及時(shí)采取行動(dòng)，以保障穩(wěn)定運(yùn)行，如減少推力、增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量、按照手冊(cè)關(guān)斷發(fā)動(dòng)機(jī)等。此外，還可以依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)失速喘振原理，做好預(yù)防與阻止失速喘振的反應(yīng)，例如在安全包線中操作發(fā)動(dòng)機(jī)，避免大力操控發(fā)動(dòng)機(jī)部件，防止發(fā)動(dòng)機(jī)超出喘振限制線。重復(fù)理解并嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的檢查單，及時(shí)收減油門(mén)，以此減少燃燒室的壓力，確保核心機(jī)內(nèi)氣流再次流暢。另外，要接通防冰，釋放壓氣機(jī)的氣流，慢速度避免大推力反噴工作。

為更加全面地評(píng)估喘振和失速的影響因素，綜合研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定、工程實(shí)踐數(shù)據(jù)及相關(guān)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)資料，總結(jié)出其中的重要影響因素。英國(guó)、美國(guó)在評(píng)估軍用小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性時(shí)所提出的22 項(xiàng)喘振和失速影響因素，俄羅斯與我國(guó)提出了16 項(xiàng)影響因素?；谏鲜龇治?，本文總結(jié)其中的重要影響因素主要包括4 類：①進(jìn)氣畸變類，包括大攻角、側(cè)風(fēng)；②工質(zhì)變化，包括雷諾數(shù)、吸雨等；③幾何變化類，包括加工及裝配公差、壽命期內(nèi)結(jié)構(gòu)衰變等；④功率瞬間變化類，包括加速與減速。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)失速喘振特性的適航規(guī)定

2.1 民用航空規(guī)章的相關(guān)規(guī)定

2011 年1 月30 日，中國(guó)民用航空局局務(wù)會(huì)議通過(guò)了《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》，其中對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)失速喘振問(wèn)題的適航規(guī)定指出，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)按照CCAR 第33.64 條（b）規(guī)定的使用說(shuō)明進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，也就是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線中的任意點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)注意不得引起喘振或失速達(dá)到出現(xiàn)熄火、結(jié)構(gòu)失效、超溫或者發(fā)動(dòng)機(jī)功率、推力等無(wú)法恢復(fù)的程度。其中，引發(fā)這一后果的因素包括啟動(dòng)功率或推力的變化，功率的增大或推力的加力，極限的進(jìn)氣畸變或者進(jìn)氣溫度等。

2.2 失速喘振適航審定的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)失速喘振的問(wèn)題，最根本的解決方法就是保證壓縮系統(tǒng)在各種工況下都不會(huì)進(jìn)入失速喘振狀態(tài)，以此來(lái)避免出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的熄火、結(jié)構(gòu)性破壞問(wèn)題。

根據(jù)適航規(guī)定可以看出，為了保障發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)失速或者喘振問(wèn)題，就需要明確其工作在喘振邊界之內(nèi)（圖2）。其中，πc為壓比，ncor為換算轉(zhuǎn)速，q（λ2）為流量函數(shù)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作線

圖2 中共同工作線到喘振邊界的工作范圍展現(xiàn)出壓氣機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的安全裕度，一般用失速裕度或喘振裕度SM 表示：

其中，SM 為喘振裕度，mas為不穩(wěn)定邊界點(diǎn)的流量，πks為不穩(wěn)定邊界點(diǎn)的壓比，ma0為工作點(diǎn)的流量，πk0為工作點(diǎn)的壓比。

喘振裕度是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要性能參數(shù)，可以直接顯示出發(fā)動(dòng)機(jī)的安全工作范圍。適航規(guī)定確定了喘振裕度標(biāo)準(zhǔn)，即表示極限的工作狀態(tài)或者工作條件?；诖耍疚倪x擇喘振裕度作為分析適航審定的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)失速喘振的適航審定方法

3.1 適航審定方法的制定規(guī)劃

依據(jù)《中國(guó)民航規(guī)則》第33.65 條中對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度的規(guī)定，配合上本文所運(yùn)用的喘振裕度計(jì)算公式，依據(jù)不同飛行狀態(tài)獲得畸變度及畸變范圍，以此計(jì)算出壓氣機(jī)特性線，從而計(jì)算出喘振裕度，獲得飛行迎角與喘振裕度的關(guān)系曲線，然后通過(guò)飛機(jī)最低可使用喘振裕度計(jì)算獲得極限飛行迎角，繼而確定極限飛行狀態(tài)。因此，通過(guò)對(duì)飛行姿態(tài)的驗(yàn)證，對(duì)照其是否符合我國(guó)民用航空規(guī)章對(duì)于失速喘振的適航要求，繼而發(fā)展為較為完整的進(jìn)氣畸變狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)失速喘振的適航審定方法。

3.2 適航審定流程

依據(jù)適航審定方法制定相關(guān)計(jì)劃，并以此來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)在某一工作條件下關(guān)于失速喘振的適航審定程序。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行迎角變化時(shí)的適航審定問(wèn)題確定具體的流程及步驟：①獲取發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，并獲取均勻進(jìn)氣時(shí)壓氣機(jī)的通用特性，包括總壓比—流量特性、絕熱效率—流量特性等；②獲取發(fā)動(dòng)機(jī)短艙幾何尺寸，并計(jì)算不同飛行速度時(shí)的流量；③獲取飛機(jī)的飛行條件，主要由飛行高度、飛行迎角以及飛行馬赫數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速等；④按照飛行迎角與飛行馬赫數(shù)，獲得相應(yīng)的畸變范圍及畸變度；⑤將所得到的數(shù)據(jù)代入平行壓氣機(jī)程序進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)依據(jù)變化中的飛行馬赫數(shù)來(lái)獲得不同工況下的畸變范圍與畸變度，繼而計(jì)算出壓氣機(jī)在此飛行迎角下的特性曲線；⑥待獲得特性線后，按照喘振裕度計(jì)算公式獲得壓氣機(jī)在此狀態(tài)下的喘振裕度；⑦不斷增加飛行迎角，獲得不同狀態(tài)下的喘振裕度，并獲得飛行迎角與喘振裕度的關(guān)系曲線，按照最低允許喘振裕度判斷極限飛行迎角。

4 結(jié)束語(yǔ)

失速喘振是影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能與運(yùn)行安全的重要因素，備受行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定中對(duì)失速喘振適航審定方法進(jìn)行了說(shuō)明。本文分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)失速喘振的原理，并進(jìn)一步分析適航審定規(guī)定及方法，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。