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浅析航空涡轮风扇发动机结冰与处置

作者：樊飞杨杰王勇

来源：《航空维修与工程》2020年第11期

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-turbofanengine；icing；anti-ice；deicing；iceshedding

引言0

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300萬美元。

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。

发动机风扇结冰原1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。

发动机风扇防冰设计及适航审定要求2

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