減功率起飛的原理及特點

徐碩實

中國南方航空股份有限公司上海分公司飛行部

減功率起飛的原理及特點

徐碩實

中國南方航空股份有限公司上海分公司飛行部

文章闡述了減功率起飛的原理，從使用角度出發，對其使用方法作了說明。并將減功率起飛同正常情況作了比較，闡明其優點，以及使用限制。

減功率；壽命；經濟

一、前言

減功率（推力）起飛又稱靈活功率（推力）起飛，它是在跑道長度夠長，飛機載重較小，以小于手冊規定的最大起飛功率即可完成安全起飛的前提下，減小功率進行起飛。

近年來，大型民航飛機配置的動力裝置具有較大的功率儲備，推重比越來越大，性價比越來越高，剩余推力也越來越大。雙發飛機具有單發起飛和爬升的能力。所以減推力起飛的可行性是不容置疑的。

而在今天的市場經濟體制下，各航空公司在有限的市場領域競爭中，降低營運成本是其贏利的關鍵之一。飛機的減功率起飛可以降低營運成本。現在，各飛機制造廠家也在手冊中把減功率起飛作為標準程序提出并鼓勵用戶使用。

本文將初步闡明減推力起飛的原理，介紹它的優點，以及減推力起飛在波音737-300型飛機上的使用。

二、減功率起飛的原理

航空燃氣渦輪發動機的推力，要受油門桿、不同的大氣條件、不同的高度以及速度的影響。

我們采用的減功率起飛，主要利用了大氣溫度對推力影響的特性。

推力等于單位推力與空氣流量的乘積

即R=R單位×G流量…………①

式中：R——推力；

R單位——單位推力；

G流量——空氣流量。

在空氣流量不變的前提下

R單位=（C5-V）/g……②

式中：C5——加速空氣速度；

V——飛行速度；

g——重力加速度。

式中：K——絕熱指數；

T0——大氣溫度；

由④式可知，影響推力的基本參數為：渦輪前燃氣溫度、飛行速度、大氣溫度、發動機增壓比、發動機壓縮效率和膨脹效率。當發動機轉速、壓氣機引氣、除大氣溫度的主要飛行條件不變的情況下，大氣溫度升高，發動機的單位推力會減小；大氣溫度降低，發動機的單位推力會增加。

下面就以大氣溫度升高為例，分析大氣溫度對推力的影響。大氣溫度升高時，一方面空氣難于壓縮，發動機增壓比減小，降低了熱效率，空氣流量降低。同時，大氣溫度升高，還會使空氣密度降低，而增壓比減小了，渦輪前燃氣壓力勢必相應降低，而渦輪前燃氣溫度經過調節器調節可視為不變，所以空氣流量進一步降低了。空氣流量的降低，將使發動機的推力減小。另一方面，發動機的加熱量也將減少，則可以通過渦輪前燃氣溫度與壓氣機出口空氣溫度的差值的變化來說明。大氣溫度升高，壓氣機出口溫度升高。渦輪前溫度不變的情況下，溫差減小，發動機的加熱量減小，轉換成氣體動能的熱能變少了，既有效功減少，氣體速度降低，所以發動機推力減小了。

在其它參數保持不變時，根據實驗結論，大氣溫度對發動機推力的影響，可有下式表示：

式中：R——非標準大氣溫度時的推力；

R標——海平面標準大氣下的推力；

T——海平面標準大氣溫度；

T0——非標準大氣溫度。

由此可見，發動機推力與大氣溫度（絕對溫度）的平方成反比。假如，溫度由-30℃變為+30℃，由計算可知，對應的最大轉速的推力差可達45%左右。由此可見，大氣溫度變化對發動機推力影響的顯著。假設溫度法就是根據這一特性來的。

目前，使用較多的就是采用假設溫度法來確定減推力起飛的起飛推力的設置值。

在某一特定機場，可計算出飛機最大起飛重量隨氣溫的變化規律。一般來說，氣溫越低，最大起飛重量越大。從發動機原理知，發動機的推力與換算N1或EPR近似成正比；發動機的推力隨溫度的增加也是減小的。以下就以表征發動機推力大小的參數EPR來進行分析。

圖1 最大起飛重量和最大起飛推力與氣溫的關系

圖1表示某飛機在某機場的最大起飛推力和最大起飛重量隨機場溫度變化的規律。用事跡機場溫度從圖中可得到在實際氣象條件下的最大起飛重量為Wmax，對應的最大起飛推力為EPR1，但事跡起飛重量W實際小于Wmax。用實際起飛重量從圖中反查得一個溫度，這個溫度即為假設溫度。假設溫度的物理意義：如果今天的溫度為t假設，使用正常推力設置值EPR2（設置值為溫度等于t假設時的起飛推力），則把實際起飛重量W實際當作最大起飛重量，跑道剛好用完，或在起飛剖面第二段剛好滿足最低上升梯度要求。因此，可以把起飛推力設置為EPR2，EPR2比EPR1小，即采用了較小的起飛推力。

小于最大起飛推力起飛是否安全呢？答案是肯定的。減推力起飛不僅發動機受載小，而且跑道仍有一定的安全余量，在起飛剖面第二階段的上升梯度也比規定的最低上升梯度大。這是因為：如果機場實際氣溫等于假設溫度，以實際起飛重量起飛，跑道剛好用完或在起飛航道第二階段上升梯度剛好滿足要求。但實際溫度比假設溫度低，盡管使用同一N1或EPR起飛，實際推力要比假設溫度條件下起飛推力大，起飛跑道長度變短了，起飛剖面第二段爬升梯度也增加了。另外，由于實際氣溫比假設溫度低，同一表速的真速比較小，所需的中斷起飛距離和所需繼續起飛距離都比較短一些。

實際中，進行減功率起飛，只需在FMC（飛行管理計算機）上進行設置，從而控制燃油調節器減少噴油量，減少發動機對空氣的加熱量，減少轉速和T3*，從而使推力減小，達到減推力起飛的目的。

表1 B737-300最高假設溫度

表2 最大起飛%N1

表3 溫度差異的%N1調整（ΔN）

三、波音737-300型飛機實施功率起飛的方法

1、假設溫度法

首先根據當時實際的外界大氣溫度和機場標高，通過查閱《飛行手冊》中性能圖表（見表1）可查得最高假設溫度值，此溫度是基于減推力25%；然后，機長根據飛行簽派提供的飛機實際起飛重量確定此次飛行的假設溫度值（必須在最高假設溫度和最低假設溫度之間），并由此假設溫度值和機場標高通過表2查出對應的發動機最大起飛N1值；最后，由假設溫度和實際外界大氣溫度通過表3查得N1的修正值（ΔN），最大起飛N1減去ΔN即為實際減推力起飛N1。

實際飛行中，在機長確定了選擇的假設溫度之后，可在FMC“起飛基準”頁面中“OAT”欄中輸入實際外界大氣溫度，在“SEL TEMP”欄輸入選擇的假設溫度。此時，在該頁面中將自動顯示該假設溫度下的減推力N1值。

顯然，在允許的假設溫度范圍內，當飛機實際的起飛重量越小，選取的假設溫度越高，減推力的幅度就越大。但這種減推力方式只能用在飛機起飛階段。

2、在FMC起飛基準頁面中直接設置法

波音737-300的另一種減推力方式，是通過FMC“起飛基準”頁面2（如圖2所示）上直接設置減推力方式1和減推力方式2。

圖2 起飛基準頁面2

在FMC“起飛基準”頁面2上，按壓左5行選鍵并生效，此時發動機將在基于正常起飛推力N1基礎上減小約3%（圖2所示N1= 88.7%），減推力約10%；若還需進一步減小推力，可按壓右5行選鍵并生效，此時發動機推力將N1減小6%（圖2所示N1=85.2%），減推力約20%。

這種減推力設置方式減推力的幅度是由FMC固定的，而且飛機爬升時可繼續進行減推力爬升，避免了爬升N1大于起飛N1的情況。

在實際飛行中，若實際需要減推力更多時，可在假設溫度減推力的基礎上在設置“減推力方式1”或“減推力方式2”，可使起飛N1進一步減小（但必須保證飛機起飛安全性能）。而且還應特別注意：在使用假設溫度法時，應避免出現發動機爬升N1大于起飛N1。當爬升N1大于起飛N1時，飛機離地狀態不穩定，將影響安全。再者，若起飛后再增大N1等于對發動機再加熱，是發動機地熱循環次數增加，而發動機熱端部件壽命受低熱循環次數限制。所以，爬升N1大與起飛N1的減推力起飛會使發動機壽命變短，反而不經濟。

四、減推力起飛的優點

1、提高發動機的壽命

在使用權起飛功率起飛的過程中，發動機轉速接近最大值，T3*也接近最高溫度。渦輪處于高溫、高轉速下工作，環境極惡劣。渦輪葉片承受很高的熱負荷、巨大的離心力和燃氣交變力，將使渦輪產生高溫蠕變、高溫低循環疲勞等，將影響渦輪壽命。此外，由于渦輪一級葉片負荷很重，高溫高壓燃氣沖擊渦輪式，直接作用再渦輪葉片上的氣動力很大，容易使渦輪葉片發生彎曲，也將影響渦輪壽命。

由表4可知，在大氣溫度15℃條件下按熱天43℃起飛推力起飛，即采用假設溫度法減推力起飛，T3*下降值在30℃～50℃之間，熱端部件壽命可增加一倍，發動機性能衰減速度降低，熱端部件氧化與腐蝕降低。

表4 在大氣溫度15℃按43℃起飛推力起飛時下降值

表4 在大氣溫度15℃按43℃起飛推力起飛時下降值

圖3為某發動機非計劃換發率隨航程的變化。可知，減功率起飛在相同航程情況下，非計劃換發率降低。

圖3 非計劃換發率隨航程的變化

由此可見，減推力起飛可延長發動機的壽命，所以，它可以提高經濟性。

2、降低了耗油率

采用減推力起飛，燃油調節器自動降低噴油量，使得燃油消耗率減小。且飛機起飛時，飛機的噴氣速度減小，減小了離速損失，從而提高了經濟性。

3、降低了噪聲污染

根據生理學和心理學的研究成果，噪音對人的生理和心理都會產生嚴重危害。他將嚴重影響機場的工作人員和機場周圍的巨門的身心健康。長時間在噪音環境下，人將發生諸多不適，如：耳鳴、聽力衰退（甚至耳聾）、神經衰弱、疲勞、失眠、心理煩躁等。

北京首都機場自一九八一年就制定了宵禁和減噪音程序。國外許多大機場，例如，法蘭克福、戴高樂、舊金山等機場都設有機場噪音限制標準。可見，噪音污染的危害已為人們所重視了。

燃氣渦輪發動機的起飛噪音較大，其主要來自風扇、渦輪和噴氣。風扇、渦輪高速旋轉時產生干涉噪音，由于這種噪音在人耳最為敏感的范圍，所以危害較大。噴氣噪音是氣流從噴口噴出時，由于噴氣與外界氣體間的巨大速度差，在邊界產生紊流脈動，從而產生噴氣噪音。在使用減推力起飛的過程中，轉速較小，導致風扇、渦輪產生的噪音降低；T3*降低，導致為噴管噴射氣流速度降低。經理論推導，亞音速氣流產生的噴氣噪音功率與噴氣速度的8次方成正比，所以，降低噴氣速度對降低噴氣噪音具有顯著作用。

可見，減推力起飛可有效降低發動機起飛噪音。

五、減推力起飛的注意事項

1、使用假設溫度法減功率起飛，減推力的最大值不得超過25%，爬升N1不得超過起飛N1。

2、機長必須對飛機起飛重量、跑道情況、機場凈空作全面分析后，確定是否減推力和減推力的大小。

3、減推力起飛和爬升時，一旦出現特殊情況，需要增加發動機推力時，應及時前推油門，退出減推力狀態。

4、禁止在污染跑道或不良的氣象條件下實施減推力起飛。

5、在高溫、高原機場一般不采用減推力起飛。

六、總結

綜上所述，減功率起飛是通過對飛行管理系統的設置，使發動機減少噴油量，減少對空氣的加熱量，使轉速和下降，從而減小推力達到減功率的目的。

減功率起飛，具有延長發動機壽命和維護周期、減小耗油率、降低噪音等優點。它在實際應用中可以降低使用維護費用，同時，可以降低空中停車率、提前換發率、班機延誤率、使用性能衰退率，真正從航空公司的使用角度出發，降低運營成本，提高經濟效率，其必將得到日益廣泛的應用。

[1]《航空燃氣渦輪發動機》.中國民航飛行學院.

[2]《航空燃氣渦輪動力裝置》.中國民航飛行學院.

[3]《飛行性能預計劃（下）》.中國民航飛行學院.

[4]《中國民航飛行學院學報》.中國民航飛行學院.