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        國外航空發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗研究綜述

        2022-02-05 02:22:20卜旭東
        工程與試驗 2022年4期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動機

        卜旭東

        (中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710089)

        1 引 言

        火山噴發(fā)時釋放出大量的火山灰,這些火山灰會上升到大氣對流層頂部并蔓延數(shù)百公里,嚴重威脅飛機的飛行安全。中國周邊的東南亞、日本、堪察加半島等地火山眾多,隨著國內(nèi)航空運輸?shù)目焖侔l(fā)展,火山灰云對航空的威脅日益顯著?;鹕交业闹饕煞质枪杷猁},其熔點約1100℃。發(fā)動機正常運行時,其內(nèi)部溫度遠高于火山灰的熔點,發(fā)動機吸入的火山灰會熔化并在渦輪導(dǎo)向器冷卻,附著于導(dǎo)向器和高壓渦輪葉片,引起發(fā)動機喘振甚至停車。

        2015年,歐洲航空安全局(EASA)在航空發(fā)動機適航審定規(guī)章CS-E 1050中增加了需要評估火山灰對發(fā)動機危害程度的條款。美國國家航空航天局(NASA)在2015年7月對F117渦扇發(fā)動機進行了火山灰環(huán)境試驗,俄羅斯在2021年10月對MC-21客機的PD-14發(fā)動機進行了火山灰環(huán)境試驗并將其作為發(fā)動機型號取證的一部分。目前,國內(nèi)在渦扇發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗領(lǐng)域的研究較少。本文主要整理了火山灰對發(fā)動機的危害及NASA完成的發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗相關(guān)資料,為試驗設(shè)備的研發(fā)、試驗方法的設(shè)計、試驗結(jié)果的分析提供參考。

        2 火山噴發(fā)對航空業(yè)的影響

        全球約有500座活火山,大多數(shù)分布在地球板塊交界處。就世界范圍而言,火山主要集中在環(huán)太平洋一帶。據(jù)資料記載,全球80%的火山噴發(fā)位于環(huán)太平洋一帶,主要發(fā)生在北美、堪察加半島、日本、菲律賓和印度尼西亞,全球活火山分布如圖1所示。

        圖1 全球活火山分布圖

        火山噴發(fā)時會釋放出大量的火山灰,嚴重威脅飛機的飛行安全。1982年6月24日,英國航空公司的一架波音747從馬來西亞吉隆坡飛往澳大利亞珀斯,在飛行高度37000ft遭遇火山灰云,4臺發(fā)動機全部熄火失去動力。在隨后的16min內(nèi),該飛機在無動力情況下從37000ft下降到12000ft,駕駛員在這個高度成功地重新啟動了3臺發(fā)動機,并在印度尼西亞雅加達成功迫降,人們自此開始意識到火山灰對航空安全的嚴重影響[1]。

        1989年12月5日,荷蘭皇家航空一架由阿姆斯特丹飛往東京的B747-400客機,在阿拉斯加空域進入里道特火山(Mount Redoubt)爆發(fā)后的火山灰云,4臺發(fā)動機全部熄火,所幸在下降過程中發(fā)動機空中啟動成功,飛機在安克雷奇國際機場迫降,無人員傷亡。2014年2月14日,克盧德火山噴發(fā),半徑500km范圍內(nèi)降下火山灰,部分地區(qū)的火山灰厚達2cm,多個國際航班受到影響(火山灰覆蓋的飛機見圖2)。

        圖2 被火山灰覆蓋的飛機

        根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù),1953年至2016年期間,超過253架次商用飛機在飛行中遭遇到了火山灰云(如圖3所示),其中9架次出現(xiàn)發(fā)動機空中停車[2]。2010年4月,位于冰島埃亞菲亞德拉冰蓋的火山突然噴發(fā),雖然其噴發(fā)的規(guī)模不大,但由于氣流和天氣原因,飄散的火山灰致使歐洲西部和北部及北大西洋地區(qū)東部的航空器運營癱瘓多天,對整個歐洲乃至全球的航空業(yè)造成了巨大的損失。

        圖3 1953~2016年飛機遭遇火山灰云的次數(shù)

        火山灰大都由邊緣銳利、堅硬的玻璃顆粒和粉化巖礫組成,磨蝕性極強。同時,火山灰?guī)в卸趸?硫酸)和氯氣(鹽酸)氣態(tài)溶液。不難想象,火山灰會對航空器的飛行安全產(chǎn)生嚴重危害。火山灰云會阻塞皮托靜壓系統(tǒng),導(dǎo)致飛機速度指示表等各種儀器失靈而產(chǎn)生錯誤警示?;鹕交視趽躏w機風擋玻璃,污染航空器空調(diào)和設(shè)備冷卻系統(tǒng),腐蝕飛機機體和外部設(shè)備,其進入通風和增壓系統(tǒng)會磨損轉(zhuǎn)動部件,嚴重影響航空器的可靠性,同時也影響機場跑道的制動效果,增加航空運維費用[1]。

        火山灰對航空器的最大威脅是使多個發(fā)動機熄火,這是因為火山灰的主要成分是硅酸鹽,其熔點約1100℃,而發(fā)動機正常運行的溫度遠大于其熔點,所以吸入的火山灰會被熔化,而后又在渦輪導(dǎo)向器、渦輪葉片上冷卻成火山灰沉積物,并附著在葉片上,導(dǎo)致發(fā)動機空中停車。

        2015年,歐洲航空安全局(EASA)在航空發(fā)動機適航審定規(guī)章CS-E 1050中增加了需要評估火山灰對發(fā)動機危害程度的條款。目前,美國、俄羅斯均進行了航空發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗[4]。

        2021年10月,俄羅斯技術(shù)集團公司旗下的聯(lián)合航空發(fā)動機公司使用堪察加希韋盧奇火山的火山灰對MC-21客機的PD-14發(fā)動機的核心機進行了火山灰試驗,該試驗在俄羅斯中央航空發(fā)動機研究所的試車臺上進行,作為歐洲航空安全局(EASA)PD-14型號取證的一部分。該發(fā)動機在火山灰惡劣環(huán)境下工作1h,試驗過程中發(fā)動機的性能幾乎沒有改變。對其拆解后,未發(fā)現(xiàn)火山灰對該產(chǎn)品造成的任何不良后果,證明其飛越火山灰云時的使用安全性?;谒@得的數(shù)據(jù),將制定配備PD-14發(fā)動機的飛機在進入火山灰云情況下的技術(shù)維護和飛行使用建議。這次試驗是俄羅斯發(fā)動機制造史上首次用火山灰測試航空發(fā)動機。2015年7月,美國國家航空航天局(NASA)對F117渦扇發(fā)動機進行了火山灰環(huán)境試驗。

        3 火山灰對發(fā)動機的危害

        火山噴發(fā)時,巖漿或巖石被炸成碎片,大塊的火山碎屑(一般大于64mm)以彈道式從火山口拋射而出,產(chǎn)生強大的沖擊力。相對較小的火山碎屑(2mm~64mm)被噴向空中,產(chǎn)生一個噴發(fā)柱,在風和重力的影響下降落到地面。最小的火山碎屑(小于2mm)即火山灰很容易在噴發(fā)柱內(nèi)部向上對流,高度可達平流層,在很長一段時間內(nèi)順風前進,可能會飄散數(shù)星期甚至數(shù)月之久[5]。

        火山灰是指火山噴發(fā)時噴出的粒徑小于2mm的粉狀巖石,其主要成分為二氧化硅(大于50%),含少量的鋁、鐵、鈣和鈉的氧化物。二氧化硅為玻璃態(tài)硅酸鹽,在電子顯微鏡下掃描可見鋒利玻屑。玻璃態(tài)硅酸鹽非常堅硬,通常莫氏硬度等級為5或6級(類似于鉛筆刀刀片),其磨蝕性極強?;鹕交业哪ノg特性會損傷航空器結(jié)構(gòu)、駕駛艙窗和發(fā)動機零件。

        火山灰的主要成分是玻璃態(tài)硅酸鹽,其熔點約為1100℃,低于噴氣發(fā)動機在巡航狀態(tài)的溫度(大約1400℃),火山灰熔化后會對發(fā)動機造成嚴重損壞。國際民航組織建議闖入火山灰云的飛機,在可能的情況下將發(fā)動機功率降低至慢車狀態(tài)[6]。

        根據(jù)飛行期間與火山灰接觸的噴氣發(fā)動機拆卸檢查結(jié)果,以及對噴氣發(fā)動機的火山灰環(huán)境試驗(火山灰通過風機吹入發(fā)動機),人們現(xiàn)已較詳細地了解了火山灰對噴氣發(fā)動機的影響[7]。火山灰損壞發(fā)動機主要有3個原因:

        (1)火山灰的熔點低于噴氣發(fā)動機慢車以上狀態(tài)的運行溫度。火山灰的主要成分是熔點為1100℃的硅酸鹽,在巡航狀態(tài)下,噴氣發(fā)動機的運行溫度約為1400℃,吸入的火山灰會被熔化,而后又在渦輪導(dǎo)向器、渦輪葉片上冷卻成火山灰沉積物(如圖4所示),這大幅減少了高壓渦輪入口導(dǎo)葉的喉部面積,導(dǎo)致氣流不匹配,繼而造成發(fā)動機喘振,導(dǎo)致發(fā)動機推力下降,甚至造成發(fā)動機熄火。隨著發(fā)動機高壓渦輪進口溫度的不斷提高,今后火山灰在噴氣發(fā)動機中的熔化現(xiàn)象會更為嚴峻。

        圖4 高壓渦輪導(dǎo)向器前緣上堆積的黑色、玻璃狀熔化的火山灰沉積物

        (2)火山灰的磨蝕性還讓壓縮機轉(zhuǎn)子路徑和轉(zhuǎn)子葉片葉尖(主要是高壓部分)受到磨損,如圖5所示,造成高壓渦輪效率和發(fā)動機推力損失。此外,磨損還造成發(fā)動機失速裕度降低。壓氣機葉片磨損程度的主要影響因素是火山灰硬度、粒度和濃度,火山灰顆粒沖擊速度以及推力設(shè)置。雖然磨損對發(fā)動機的影響程度弱于火山灰熔化,但磨損傷害是永久的、不可逆的。

        圖5 高壓壓氣機葉片受火山灰磨損

        (3)除了上述火山灰熔化和葉片磨損問題外,火山灰還會阻塞燃油噴嘴和冷卻系統(tǒng)中的通氣孔。對吸入火山灰的噴氣發(fā)動機的地面測試發(fā)現(xiàn),燃油噴嘴處有黑色類碳沉積物,導(dǎo)致發(fā)動機功率降低。這種情況下發(fā)動機空啟十分困難,因為嘗試空啟期間,污染物并無脫落的跡象。

        2000年2月,NASA對遭遇火山灰的DC-8-72飛機的4臺CFM56-2渦扇發(fā)動機飛行數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果表明,發(fā)動機性能并沒有顯著變化,巡航狀態(tài)EGT裕度略有下降。由于少量灰燼會清潔和拋光壓氣機葉片,稍微提高了壓氣機效率,阻塞的渦輪冷卻氣流通道和孔會減少HPC的流失,這也將略微提高性能。由于冷卻孔阻塞導(dǎo)致渦輪葉片在足夠高的溫度下運行,其使用壽命可能會縮短,但不會降低其性能。此外,發(fā)動機吸入火山灰會污染發(fā)動機滑油系統(tǒng),對滑油取樣并進行光譜分析(如圖6所示),發(fā)現(xiàn)硫元素含量較高。

        圖6 遭遇火山灰后發(fā)動機滑油光譜分析結(jié)果

        4 NASA航空發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗

        4.1 試驗背景

        2010年的冰島火山噴發(fā)對航空業(yè)產(chǎn)生了巨大影響。與此同時,NASA為了開發(fā)先進的健康管理系統(tǒng)和智能傳感器并將其應(yīng)用于下一代商用發(fā)動機,制定實施了飛行器綜合推進研究項目(Vehicle Integrated Propulsion,VIPR),旨在通過一系列的發(fā)動機裝機條件下的試驗,驗證發(fā)動機氣路故障診斷技術(shù)和智能傳感器效果。2015年,出于對發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗的興趣,在該項目的第三階段(VIRP 3),NASA與其他政府機構(gòu)和行業(yè)合作,包括美國地質(zhì)調(diào)查局、美國聯(lián)邦航空管理局、美國空軍研究實驗室、普惠公司、羅羅公司、通用公司和波音公司,在NASA位于加利福尼亞州的阿姆斯特朗飛行研究中心/愛德華茲空軍基地進行了一系列發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗(Volcanic Ash Environment (VAE) Testing),將火山灰吹入發(fā)動機進氣口(如圖7所示),以模擬飛行中發(fā)動機吸入火山灰的場景。

        圖7 火山灰吹入發(fā)動機進口的示意圖

        4.2 試驗對象及設(shè)備

        美國空軍為該試驗提供了一架C-17運輸機及兩臺F117發(fā)動機(如圖8所示),這些發(fā)動機原定退役,在試驗前進行了大修。用于發(fā)動機試驗的火山灰(見圖9)來自Mazama火山,火山灰顆粒直徑為5μm~60μm,由美國地質(zhì)調(diào)查局提供?;鹕交覈娙鲈O(shè)備(如圖10所示)位于發(fā)動機的入口處,用于將超細顆粒的火山灰輸送進發(fā)動機。

        圖8 C-17運輸機和F117渦扇發(fā)動機

        圖9 發(fā)動機試驗使用的火山灰

        圖10 火山灰噴撒設(shè)備

        4.3 試驗方法

        試驗前對發(fā)動機進行水洗,試驗期間發(fā)動機按表1的試驗條件在巡航狀態(tài)穩(wěn)定工作。每次試驗結(jié)束后,對發(fā)動機壓氣機、燃燒室、渦輪進口導(dǎo)向器、高壓渦輪第1級轉(zhuǎn)子進行孔探檢查。在整個火山灰環(huán)境試驗后,對發(fā)動機進行拆解檢查。

        表1 火山灰環(huán)境試驗條件

        4.4 試驗結(jié)果

        4.4.1 每次試驗后的發(fā)動機孔探檢查結(jié)果

        (1)壓氣機。每次試驗后,壓氣機非常干凈,沒有明顯的磨損或變色(如圖11所示)。

        圖11 壓氣機孔探結(jié)果

        (2)燃燒室。試驗1、2燃燒室沒有明顯變化;試驗3燃燒室區(qū)域開始出現(xiàn)脫落材料,燃油噴嘴周圍出現(xiàn)一些沉積物;試驗4燃燒室出現(xiàn)大量較薄的火山灰熔化沉積物;試驗5相對試驗4更為明顯(如圖12所示)。

        (3)渦輪進口導(dǎo)向器。試驗1渦輪進口導(dǎo)向器沒有發(fā)現(xiàn)火山灰熔化沉積物,葉片冷卻孔有輕微堵塞;試驗2導(dǎo)向器葉片前緣有少量火山灰熔化沉積物; 試驗3到試驗5更為明顯(如圖13所示)。

        圖12 燃燒室孔探結(jié)果

        圖13 渦輪進口導(dǎo)向器孔探結(jié)果

        (4)高壓渦輪第1級轉(zhuǎn)子。試驗1到試驗4無明顯變化,試驗5在轉(zhuǎn)子葉片前緣形成火山灰沉積物,但并不是玻璃狀的(如圖14所示)。

        圖14 高壓渦輪第1級轉(zhuǎn)子孔探結(jié)果

        4.4.2 試驗后的發(fā)動機拆解檢查結(jié)果

        試驗結(jié)束后對發(fā)動機進行拆解檢查,檢查結(jié)果如表2所示。

        表2 試驗結(jié)束后發(fā)動機拆解檢查結(jié)果

        續(xù)表2

        5 結(jié)束語

        本文主要整理了國外關(guān)于火山灰對發(fā)動機影響的相關(guān)資料,并對NASA完成的發(fā)動機火山灰環(huán)境試驗進行了介紹。分析表明,火山灰對飛行安全及發(fā)動機影響重大。隨著國內(nèi)民用航空發(fā)動機的發(fā)展,有必要對發(fā)動機火山灰試驗方法進行研究,以回答適航條款中關(guān)于火山灰危害的可接受程度。

        此外,NASA火山灰環(huán)境試驗中發(fā)動機孔探及拆解檢查結(jié)果只是初步的。對于該試驗結(jié)果,其重點是如何依據(jù)試驗數(shù)據(jù)定量評估火山灰對發(fā)動機性能的影響程度。

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