动力装置是飞机的重要系统, 在维修过程中所采取的安全措施有其特殊性。特别是在发动机地面开车和运行的过程中, 进气道前方存在强大的吸力, 而核心排气系统会喷出高温高速的气体, 并产生巨大噪声, 这些因素都会对人、飞机和各种设备构成威胁。本文旨在通过研究发动机的进气、排气和噪声作为危险源的成因, 以期更好理解飞机维修手册中相关安全预防措施。
1 发动机地面运行时进气、排气和噪声危险源成因分析
1.1 发动机进气危险源成因分析
进气道通常分为亚音速进气道和超音速进气道两种类型。目前主流的民用航空发动机均采用亚音速进气道设计。亚音速进气道一般为扩张型管道。图1是飞行速度小于压气机进口气流速度时进气道流场状态示意图。发动机地面开车或起飞时, V<-C1, 从0-0截面开始, 在0-1′段内, 由于压气机的吸力作用, 气流速度逐渐增大, 压力和温度相应降低;空气流入进气道后, 由于管道扩散, 气流速度略为减小, 压力和温度略有提高[1]。由此可见, 发动机地面运行时, 进气道处会形成低压区, 产生的吸力足以将人和工具等吸进进气道。必须注意的是, 在距离进气道较近时, 吸力会突然增加。因此, 在飞机维修手册中必须明确指出进气安全区域的范围和应采取的安全注意事项以防止发生事故。进气危险区域一般根据发动机推力等级、反推状态、风向、风速等因素划分, 发动机的推力等级是主要的划分依据。图2和图3示出了A320 (采用CFM56-5B) 的慢车推力和起飞推力危险区域分布图[2]。
1.2 发动机排气危险源成因分析
发动机运行时, 涡轮后的燃气继续膨胀, 将剩余的热焓充分转变成动能, 高温高速的燃气从尾喷口喷出。
排气危险区域的通常按慢车推力和起飞推力划分。图2、图3示出A320 (配置CFM56-5B发动机) 排气危险区域。即使在慢车状态下, 飞机轴向后25m处的排气速度也可达到104.585km/h。表1为A320飞机维修手册列出的5个等级风速的破坏力, 其中D等级速度 (105km/h～32km/h) 也能导致飞机轻度到中度损坏。
排气的另一种方式为反推排气。以737-600 (采用的CFM56-7发动机) 反推排气为例, 慢车状态下开启反推时, 其危险区域为发动机中心半径12.2m的范围[3]。
另一个危险因素是排气温度。尾喷排气虽然经过了外涵气流混合降温, 但其温度依然非常高。除了排气速度和温度可构成危险外, 喷气中含有小量具有一定的毒性的一氧化碳、未燃碳氢化合物和氮氧化物等也存在一定的危险性。一氧化碳和未燃碳氢化合物通常在发动机慢车和其他低功率的状态时燃油不完全燃烧产生的[4]。
通过排气速度、温度和毒性的来源分析可知, 采取相应的措施是十分必要的, 飞机维修手册的维修实施中需明确指出排气危险区域的范围并以警告形式强调人员和设备禁止进入这些区域;并说明开车时的跑道状态、排气空间和排气可能影响到的各种物体及告知有毒气体、易燃材料的防护。
需指出的是, 在大于最小慢车时禁止接近发动机。如在慢车泄漏检查或断开地面气源车时, 需接近正在运行的发动机, 必须在慢车状态或以下才可接近, 并遵从进入/离开通道的要求以接近或离开风扇区域。图2示出了A320 (配置CFM56-5B发动机) 的接近区域[2]。
1.3 发动机噪声危险源成因分析
喷气发动机的噪声源主要有三个:压气机、涡轮和排气流。压气机和涡轮的噪声主要是由于各级转子叶片和静子叶片的压力场和紊流尾流的相互作用产生的。排气流的噪声由高速排出的气流与周围空气的紊流混合产生。在大流量比的涡扇发动机中, 由外涵风扇排出的大量气流与外界空气的速度差也很大, 两者混合时将引起速度和压力的剧烈波动, 从而产生声波。而且, 两者混合时引起的强烈紊流, 其相互位移的剪力会大大增强气流和涡流的音响, 会在排气口附近产生小涡流引起高频噪声, 并在排气流后部大的涡流处产生低频噪声[4]。
虽然发动机适航取证和机场条例对强烈约束飞机的最大噪声水平, 但现代发动机运行时的噪声足以对人身健康构成威胁。以A320 (配置CFM56-5B发动机) 为例, 即使在慢车推力的状态下, 发动机的200m半径范围内的大部份噪声高于85dBA[2]。职业安全和卫生组织在1988年1月1日的相关条例中规定在90dBA噪声环境下配备标准降噪设备的暴露时间为8min。而欧盟在2003年2月15日发布了更严格的标准, 规定在85dBA噪声环境下配备标准降噪设备的暴露时间为8min[3]。
图4为A320 (配置CFM56-5B发动机) 飞机维修手册给出的暴露时间限制图和危险区域图[2]。由图可见, 距离运行的发动机的径向距离越近, 每周暴露的时间越短。在噪声级达到一定程度时, 必须佩戴符合要求的护耳装置方可接近发动机, 并要严格遵守暴露时间的限制。
2 结语
本文通过对发动机地面开车和运行时的进气、排气和噪声危险成因的详细分析, 为更好理解飞机维修手册中相关的发动机安全预防措施提供了帮助。
摘要：本文详细分析了航空喷气发动机地面运行时进气、排气和噪声给人及设备构成危险的原因, 并指出遵守发动机地面运行安全预防措施的重要性和必要性。
关键词：喷气发动机,进气,排气,噪声,安全
参考文献
[1] 刘长福, 邓明.航空发动机结构[M].西安:西北工业大学出版社, 2006.
[2] A319/A320.飞机维修手册[s], 1998.
[3] 737-600/700/800/900飞机维修手册[s], 2006.
[4] 邓明.航空燃气涡轮发动机原理与构造[M].北京:国防工业出版社, 2008.