高空飛行中冰晶在發動機內結冰和風扇葉片結冰 冰塊脫落造成空中停車

陳光/文

高空飛行中冰晶在發動機內結冰

GE公司於2013年底宣布，GEnx當年發生過9次在高空中吸入冰晶（ice crystal）引起推力損失事件，所有這9次事件均發生在熱帶及亞熱帶的高度為12000m左右的高空中，空氣潔凈且無雲，也不在雷暴區內，不僅飛行員看不出大氣中有冰晶存左，氣象雷達也不能測出。

高空中的冰晶大小與麵粉相當，其直徑約為40μm，通常在強烈的對流雷暴區附近形成，強烈的對流雷暴區面積相當大，直徑約為645km。鄰近雷暴區的上空，有時大氣溫度會突然上升，這會使空氣變潮，潮濕空氣中的水在被零下30-40度的空氣作用下，形成微小的冰粒，這種小的冰粒即是冰晶。NASA稱，冰晶會從主風暴區飄移到56km以外。

圖8、冰晶在高壓壓氣機靜子葉片上融化後結成的冰層

通常，飛機穿過雷雨區時，雨水撞擊到溫度較低的飛機表面上，立即在飛機表面上結冰，可是冰晶在發動機內部結冰的過程，與其不同。當冰晶吸入發動機核心機後，撞擊到溫度較高的高壓壓氣機後幾級靜子葉片時，冰晶被融化，被融化後的水份被隨後流入的冷空氣作用下，在靜子葉片周邊結成冰層，如圖8所示。

靜子葉片結冰後，一者堵塞了氣流通道，影響壓氣機及發動機的正常工作，推力會短時下降，約20sec後推力恢復到原值，有時還會引起發動機喘振；另外，冰塊從葉片上脫落後，會對其後的工作葉片、燃燒室甚至渦輪葉片造成二次損傷。

圖9、高壓壓氣機後幾級葉片被冰塊打傷的情況

2013年7月31日，俄羅斯空橋貨運公司（Air Bridge Cargo）的一架B747-8HVF（裝4台GEnx-2B67）貨機執行莫斯科-香港-芝加哥任務途經成都附近上空約12000m高度飛行時，在黑夜中為避開雷暴區而繞行，卻誤入看不出的且氣象雷達也未發現的含有冰晶的空域，空氣溫度在86sec內上升20℃成為-34℃，飛機在這一「高溫區」穿越約20min後，由於發動機吸入冰晶，冰晶在發動機核心機中結冰，引起2號發動機喘振停車，但隨後自動重新起動，推力恢復到原值；

1號發動機轉速下降70%且未恢復到原值。飛機到香港降落後，對4台發動機進行分解檢查，發現1、2與4號發動機高壓壓氣機8、9級中均有多片葉片被冰塊打壞，見圖9。這是一次比較典型的高空吸入冰晶造成發動機出現損傷的事件。

2013年11月22日，波音公司發布安全警告，稱由於GEnx發動機存在冰晶結冰風險，建議B747-8和B787型兩款飛機在飛行時避免靠近雷暴區。聲明稱，為了減少結冰的可能，建議飛行員駕駛航班時應與雷暴最少保持50海里的距離。隨後，美國FAA正式警告運營配裝GEnx發動機的B747-8和B787飛機的運營商避免進入冰晶結冰區域，FAA還命令GEnx發動機運營商檢查在飛行員無意進入結冰區情況下的所有發動機。

GE公司提出了一項對發動機全權數字控制系統（FADEC）進行軟體更改的措施。新的軟體能夠探測出移向發動機核心機的冰晶。一旦有冰晶進入發動機，FADEC將命令位於增壓壓氣機後的可調節放氣閥門（圖10）打開，以便將冰晶排到外涵道，不會對發動機核心機有影響。

圖10、 GEnx設在增壓壓氣機後的可調放氣閥門

此項改進在2014年3月完成。大涵道比渦扇發動機在增壓壓氣機後轉彎處，大都裝有可調節的放氣閥門，起飛時打開，將可能進入發動機核心的砂石冰塊等甩到外涵，起飛後此閥門關閉，GE公司利用此閥門來放出冰晶。羅羅公司最新的發動機遄達XWB中，在分流環內通可控的熱空氣，當察覺到可能有冰晶時，通熱空氣來以將進入核心的冰晶融化，見圖11。

圖11、遄達XWB分流環引入熱空氣

風扇葉片結冰冰塊脫落造成空中停車

2016年1月29日，日本航空公司JAL的一架B787在執行由溫哥華開往日本東京的JL17航班任務，當飛機距成田機場約160km時，飛機已降低高度到有結冰條件的6080m時，突然2號發動機停車，且無法再次起動，駕駛員用單發將客機在1.5h後安全降落在成田機場，無人員在此事件中受傷或死亡。

經檢查分析，飛機穿過6080m時，風扇葉片結冰，當積累在葉片上的冰塊較厚而脫落時，造成風扇轉子不平衡，葉尖與機匣內的耐磨層相碰蹭，引起極大的振動，使發動機多處受損，導致發動機停車，且無法再次起動。

裝在JAL這架飛機上的2台發動機中，2號發動機是GEnx-1B PIP2，而1號發動機是GEnx-1B PIP1，PIP2是在PIP1的基礎上減小風扇葉尖間隙等降低油耗的性能提高型。

由於風扇葉尖間隙小了，引起在結冰條件下，風扇葉尖與機匣相磨蹭，最終造成空中停車，在相同飛行結冰條件下，1號發動機中，風扇葉片也有結冰，冰塊脫落後未造成葉尖與機匣相碰蹭，發動機中只有微小的損傷而沒有空中停車，說明這次JAL空中停車事件是由於風扇葉尖過小造成的，而且也說明PIP2的提高性能的攺型是不成功的。

FAA考慮到如果JAL這次事件的飛機上裝有2台PIP2，可能會造成雙發停車，那就非常嚴重，因此在3月份頒發了緊急適航指令，要求GE儘快對PIP2採取措施，消除隱患，並對裝有2台PIP2的B787，須在9月?前完成發動機的修復。受此指令的影響，涉及美國43架B787，全球則有29家航空公司的176架B787。

3月11日，GE公司發布了1份服務通報，宣稱將釆取用專用磨具，磨削風扇機匣內與風扇葉尖對應的耐磨層金屬，磨掉2.54mm的方法來增加葉尖間隙，每修復1個風扇機匣用時16h，修理時發動機不需從飛機上拆下，相當于飛機的A檢，這樣不會對航空公司的飛行計劃造成大的麻煩。截至4月中旬，己經完成30架飛機的發動機修復。

GE公司宣稱，已向B787用戶交付了460台GE nx-1B PIP2發動機，將按FAA的指令在10月1日前，完成所有裝2台PIP2發動機的B787中的1台發動機修復工作，即從10月1日那天起，B787飛機中沒有裝2台PIP2的飛機了。

4月22日FAA又頒布了一項將於5月9日生效的適航指令，要求波音公司修改B787飛機飛行手冊，加入新的如何處理風扇結冰的程序，以減少風扇冰塊脫落帶來損壞發動機的可能性。即在3800m以上飛行時，當駕駛員懷疑風扇結冰或指示燈指示結冰時，要求駕駛員每5min一次，短暫地增加發動機轉速，即將油門推到最大時的85%，以避免冰在風扇葉片上積累過多。

結朿語

用於B787「夢幻客機」的GEnx發動機於2011年?投入使用，至今不到8年時間，卻出現了如本文所述的幾個影響較大的故障。這一方面再次說明航空發動機工作條件十分惡劣，發動機在工作中會遇到各種挑戰，稍有不慎，就會出問題。另方面，再次證明在研製發動機時，要處理好性能與可靠性間的矛盾，不能僅僅從提高性能方面考慮，GEnx從PIP1升級到PIP2遇到風扇葉片冰塊脫落造成空中停車的事件，就說明了這一點。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！