■ 沈爾明 王剛 王宇 高山 / 中國航發(fā)動(dòng)力所

鳥撞是一個(gè)令業(yè)界頭疼的全球性問題。當(dāng)飛鳥隨空氣一同被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)與風(fēng)扇葉片發(fā)生高速碰撞，如果葉片選材不當(dāng)，輕者會(huì)造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失去平衡或與機(jī)匣碰撞，重者會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障而威脅飛機(jī)安全。

全球每年會(huì)發(fā)生1萬余起鳥撞事件，造成的經(jīng)濟(jì)損失約100億 美 元。1960年，美國東方航空公司的民用客機(jī)在波士頓機(jī)場(chǎng)起飛后不久，撞上大約20000只紫翅掠鳥，密集的鳥群撞壞了4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中的3臺(tái)，飛機(jī)因失去動(dòng)力而墜入水中，機(jī)上有72人，最終導(dǎo)致62人喪生。鳥類一旦被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，與風(fēng)扇葉片發(fā)生高速碰撞，會(huì)帶來葉片的塑性變形。如果葉片變形過大或嚴(yán)重?fù)p壞，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會(huì)失去平衡或與機(jī)匣碰撞，撞斷的風(fēng)扇葉片進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵道，會(huì)損傷壓氣機(jī)葉片等零件，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障而威脅飛機(jī)安全。

適航要求

發(fā)動(dòng)機(jī)是保障飛機(jī)安全飛行的關(guān)鍵部件，直接影響飛機(jī)和機(jī)上人員的安全。發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)上受鳥撞影響最嚴(yán)重的部位之一，隨著鳥撞事件的增加，逐漸成為適航性審查的重要專項(xiàng)之一。

1960年，美國聯(lián)邦航空局（FAA）頒布了AC33-1《渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)外物吸入和轉(zhuǎn)子葉片包容性型號(hào)合格審定程序》，列出了由發(fā)動(dòng)機(jī)外物吸入導(dǎo)致的潛在不安全條件，而鳥類就屬于重要外物之一。為了適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展， FAA不斷對(duì)聯(lián)邦航空條例（FAR） 33部中有關(guān)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的吸鳥條款進(jìn)行修訂，其中的33.75條和33.76條與發(fā)動(dòng)機(jī)吸鳥相關(guān)，分別是吸鳥后限制出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障和吸鳥適航取證的具體規(guī)定等給出了發(fā)動(dòng)機(jī)吸鳥的適航要求，規(guī)定了發(fā)動(dòng)機(jī)吸入大型鳥類和中等型鳥類后不得出現(xiàn)具有危害性的發(fā)動(dòng)機(jī)故障，并且在取證時(shí)，根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)迎風(fēng)面積，對(duì)吸入的飛鳥數(shù)量、質(zhì)量及試驗(yàn)流程等提出了具體要求[1]。

GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇

風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)選材要求

20世紀(jì)60年代以來，民用航空逐漸采用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為民用客貨運(yùn)輸飛機(jī)的動(dòng)力裝置。大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)80%以上的推力都來自于風(fēng)扇，因此風(fēng)扇結(jié)構(gòu)受損將嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，威脅飛機(jī)的飛行安全。受鳥撞影響最大的是風(fēng)扇葉片。風(fēng)扇葉片作為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要零件之一，它的好壞直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率、氣動(dòng)性能、安全性、可靠性、質(zhì)量和成本等。風(fēng)扇葉片不僅受到較高的氣動(dòng)載荷、離心載荷和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的交變載荷影響，同時(shí)還要受到包括鳥類在內(nèi)的外物沖擊影響，以及受到風(fēng)沙、潮濕的侵蝕，導(dǎo)致在使用過程中風(fēng)扇葉片比風(fēng)扇和壓氣機(jī)的其他零部件故障要多得多，因而在設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)時(shí)，風(fēng)扇葉片的成本較高。

風(fēng)扇葉片作為發(fā)動(dòng)機(jī)上重要的轉(zhuǎn)動(dòng)零件，材料的選用應(yīng)滿足在工作溫度及受力條件下，具備一定的強(qiáng)度且具有較輕的質(zhì)量，同時(shí)要考慮葉片的環(huán)境介質(zhì)、使用壽命、制造工藝性和材料的經(jīng)濟(jì)性。由于風(fēng)扇葉片在高速工作時(shí)，離心力很大，因此需要選用的材料應(yīng)在工作溫度范圍內(nèi)，具有較高的強(qiáng)度持久性、抗環(huán)境腐蝕性，較高的疲勞強(qiáng)度和抗振動(dòng)性能。同時(shí)，為了減輕葉片的慣性，還必須選擇比強(qiáng)度高的材料。由于風(fēng)扇葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)的第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片，雖然工作溫度低，但為了預(yù)防飛鳥、沙石和冰塊等外來物的打擊和損壞，防止零件腐蝕和提高零件的抗振性，一般采用強(qiáng)度高的鈦合金或不銹鋼。

鳥撞對(duì)風(fēng)扇葉片的影響，輕者導(dǎo)致葉片振顫、進(jìn)口氣流畸變；重者葉片斷裂、甩脫，風(fēng)扇結(jié)構(gòu)會(huì)因質(zhì)量分布不均而發(fā)生振動(dòng)，進(jìn)而降低發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。增加風(fēng)扇葉片的厚度，可以提高葉片自身的抗鳥撞能力，但是作為發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)零件中尺寸最大的懸臂梁結(jié)構(gòu)，增加葉片質(zhì)量會(huì)加大風(fēng)扇盤和風(fēng)扇軸的質(zhì)量。同時(shí)，為了保證對(duì)葉片的包容能力，還會(huì)增加風(fēng)扇機(jī)匣包容結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，進(jìn)而增加包括中介機(jī)匣、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝吊掛等一系列結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，最終會(huì)大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，影響飛機(jī)性能，導(dǎo)致耗油率增加，承載能力降低。據(jù)普惠公司研究，風(fēng)扇葉片增加兩頁紙的厚度，會(huì)間接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)增加50kg的整體質(zhì)量。早期的大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)薄的葉片并增加凸肩結(jié)構(gòu)，凸肩位于距葉尖1/3葉高處，采用鈦合金制造。這種葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在提高葉片的抗外物打擊能力的同時(shí)還能夠減少風(fēng)扇葉片自重，并且改善了葉片的振動(dòng)特性，葉片兩側(cè)的凸肩能在葉片出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，通過相互接觸摩擦來吸收振動(dòng)能量，降低葉片斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。但是帶凸肩結(jié)構(gòu)的葉片缺點(diǎn)也很明顯，給葉片的加工制造增加了很多難度，葉片質(zhì)量增加，使得葉根和風(fēng)扇盤均要承受更大負(fù)荷，凸肩與葉身連接部位還會(huì)增加一個(gè)附加力矩。凸肩會(huì)減少氣流通道面積，在凸肩后部形成回流氣流旋渦，影響風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)性能，降低風(fēng)扇和發(fā)動(dòng)機(jī)效率。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇效率，取消凸肩，就必須采用寬弦（小展弦比）風(fēng)扇葉片，才能提高葉片的抗外物撞擊和抗振動(dòng)能力。但是如果采用金屬材料直接制造實(shí)心的寬弦風(fēng)扇葉片，會(huì)大大增加葉片榫頭受到的離心負(fù)荷，榫槽的設(shè)計(jì)強(qiáng)度也要隨之增大，進(jìn)一步增加風(fēng)扇盤、軸和機(jī)匣的厚度及設(shè)計(jì)強(qiáng)度，最終會(huì)大幅增加發(fā)動(dòng)機(jī)的整體質(zhì)量。如果不能在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的同時(shí)降低葉片質(zhì)量，就無法實(shí)現(xiàn)大尺寸風(fēng)扇葉片的正式應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)的大涵道比設(shè)計(jì)要求就不能實(shí)現(xiàn)[2]。

為了解決寬弦風(fēng)扇葉片的輕量化問題，羅羅公司、GE公司、普惠公司、賽峰集團(tuán)等都開展了各種研發(fā)和改進(jìn)。

窄弦?guī)辜鐚?shí)心葉片

羅羅發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的選材

20世紀(jì)60年代，羅羅公司曾經(jīng)采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料制造大尺寸風(fēng)扇，鳥撞試驗(yàn)是唯一沒有通過的部件試驗(yàn)，無法滿足FAR 33部的規(guī)定，導(dǎo)致復(fù)合材料葉片的研制失敗，這也成為導(dǎo)致公司面臨破產(chǎn)的直接原因之一。直到鈦合金空心葉片的研制成功，才讓羅羅公司起死回生。

20世紀(jì)80年代，羅羅公司采用兩片Ti-6Al-4V鈦合金板夾上鈦合金蜂窩芯材，在高溫下經(jīng)過擴(kuò)散連接成一整體結(jié)構(gòu)，再在模具中一體扭轉(zhuǎn)成風(fēng)扇葉片。該空心葉片具有質(zhì)量輕、抗外物打擊能力強(qiáng)、抗振性好和喘振裕度大等優(yōu)點(diǎn)，耗油率比常規(guī)葉片低2.5%。

20世紀(jì)90年代，羅羅公司研究出采用超塑性成形/擴(kuò)散連接（SPF/DB）工藝制造的夾芯結(jié)構(gòu)寬弦空心葉片，其芯部采用Ti-6Al-4V鈦合金薄板制造截面為三角形的桁架結(jié)構(gòu)代替原來的蜂窩結(jié)構(gòu)。1995年在A330上投入使用的遄達(dá)700發(fā)動(dòng)機(jī)采用了這種葉片，這種桁架結(jié)構(gòu)不僅能提高風(fēng)扇葉片抗外物撞擊能力，而且比前一代蜂窩結(jié)構(gòu)的葉片質(zhì)量減輕15%，該葉片成功通過了質(zhì)量分別為0.68kg、1.14kg、1.81kg及3.63kg的吸鳥試驗(yàn)。遄達(dá)800、遄達(dá)900、遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)上都采用了該種葉片[2]。

隨著復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的技術(shù)成熟，羅羅公司也開始研制復(fù)合材料-鈦合金（CTi）風(fēng)扇葉片。該公司與吉?jiǎng)P恩（GKN）公司共同開發(fā)碳纖維風(fēng)扇葉片，用于代替空心鈦合金葉片，計(jì)劃用在遄達(dá)XWB之后的下一代發(fā)動(dòng)機(jī)[3]。

普惠發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的選材

普惠公司研制的金屬寬弦空心葉片結(jié)構(gòu)與羅羅公司有所不同。

普惠公司的金屬寬弦空心葉片僅由兩塊鈦合金面板組成，但在面板內(nèi)側(cè)結(jié)合面上銑出多道縱向槽道，沒有夾心結(jié)構(gòu)，再采用超塑性成形/擴(kuò)散連接工藝連接兩塊面板成一體，制造成金屬寬弦空心葉片。這種葉片結(jié)構(gòu)比羅羅公司的夾心結(jié)構(gòu)葉片容易加工，降低了葉片的制造難度和成本，但葉片質(zhì)量較大，普惠公司的寬弦空心葉片首先被用于PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)上。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期使用，該結(jié)構(gòu)的問題逐漸暴露出來。先后發(fā)生3起事故都是風(fēng)扇葉片縱槽根部出現(xiàn)疲勞裂紋導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)的葉片斷裂所致。

普惠公司和美國鋁業(yè)公司還合作研發(fā)新的鋁合金風(fēng)扇葉片。金屬葉片可以制造更薄的前后緣，可提高2%的氣動(dòng)效率。新種類的鍛造鋁合金具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)，比鈦合金質(zhì)量更輕，成本更低，這種鋁合金風(fēng)扇葉片比鈦合金空心葉片具有更高的抗拉強(qiáng)度和更好的抗疲勞性能。該鋁合金風(fēng)扇葉片已經(jīng)應(yīng)用于PW1100G-JM發(fā)動(dòng)機(jī)上[4]。

羅羅公司與普惠公司的空心葉片結(jié)構(gòu)差別

GE發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的選材

20世紀(jì)60年代末，GE公司采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制造TF39發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片，但沒有通過0.68kg小鳥的吸鳥試驗(yàn)。GE公司后續(xù)又在F103、QCSEE等發(fā)動(dòng)機(jī)上繼續(xù)開展相關(guān)研究，一直等到在UDF發(fā)動(dòng)機(jī)上開展的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片研制改進(jìn)后，才終于通過了3.63kg大鳥的吸鳥試驗(yàn)，這一系列的研制經(jīng)驗(yàn)為GE90及其后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)采用樹脂基復(fù)合材料制造風(fēng)扇葉片奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

GE公司研制的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)是世界上最大的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)之一，直徑達(dá)到3.12m，風(fēng)扇葉片每片長(zhǎng)為1.22m。該風(fēng)扇葉片即使采用羅羅公司的鈦合金空心葉片的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，風(fēng)扇葉片的質(zhì)量仍然很大，作用在輪盤上的離心力也十分巨大，以至于輪盤無法承受，榫頭處的強(qiáng)度問題也難于解決。GE公司選用樹脂基復(fù)合材料制造風(fēng)扇葉片來解決大尺寸風(fēng)扇葉片的難題。GE90發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片最終選用赫氏（Hexcel）公司的8551-7增韌環(huán)氧樹脂作為樹脂基體材料，采用IM7高強(qiáng)中模碳纖維作為增強(qiáng)體，制造成IM7/8551-7樹脂基復(fù)合材料單向帶預(yù)浸料，再將1000層左右的預(yù)浸料按照設(shè)計(jì)要求鋪放在模具中，最終采用熱壓罐固化工藝制造風(fēng)扇葉片。為了提高葉片前緣抗鳥撞能力，還將Ti-6Al-4V鈦合金包片用3M公司的RAF191膠粘結(jié)在葉片邊緣上。這種金屬包邊結(jié)構(gòu)不僅可以分散外物撞擊能量，還可以防止在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)復(fù)合材料分層。

1994年11月，GE90發(fā)動(dòng)機(jī)通過了3.63kg大鳥的適航吸鳥試驗(yàn)，并于1995年2月通過了FAA的適航認(rèn)證[5]。隨后，GE公司在GE90-115b、GEnx和GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)上均采用碳纖維增強(qiáng)增韌環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料制造單向帶預(yù)浸料，再通過熱壓罐固化工藝成形制造風(fēng)扇葉片，從此推動(dòng)了世界各國采用樹脂基復(fù)合材料制造大尺寸風(fēng)扇葉片的發(fā)展。

賽峰發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的選材

賽峰集團(tuán)采用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小尺寸葉片的復(fù)合材料制造，并成功應(yīng)用于LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)。與GE公司風(fēng)扇葉片采用熱壓罐固化的鋪層預(yù)浸料方式不同，賽峰集團(tuán)先將IM7碳纖維三維編織成葉片的平面結(jié)構(gòu)，再采用樹脂傳遞模塑成形（RTM）工藝加注PR520樹脂并加溫加壓固化直接成形的方式來制造風(fēng)扇葉片。LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片成為世界上首個(gè)通過適航吸鳥試驗(yàn)的中小推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)已被應(yīng)用于C919、737MAX、A320neo等飛機(jī)上[6]。

民用發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片選材建議

隨著民用大型飛機(jī)對(duì)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的需求日益迫切，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片如何選材、如何減少鳥撞的危害，已經(jīng)成為一個(gè)急需解決的重要問題。從各發(fā)動(dòng)機(jī)公司對(duì)風(fēng)扇葉片選材情況的討論與分析（見表1），結(jié)合國內(nèi)的技術(shù)水平，建議采取兩步走方案：一方面采用超塑性成形/擴(kuò)散連接技術(shù)開展鈦合金空心葉片的研制；另一方面在開發(fā)高性能碳纖維增強(qiáng)增韌環(huán)氧樹脂預(yù)浸料的基礎(chǔ)上開展復(fù)合材料葉片的設(shè)計(jì)和制造。此外，應(yīng)與適航當(dāng)局緊密配合，從材料研制階段就開展抗鳥撞設(shè)計(jì)，盡快實(shí)現(xiàn)新型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的研發(fā)與制造。

表1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料風(fēng)扇葉片選材情況

結(jié)束語

鳥撞是威脅航空安全，尤其是民用發(fā)動(dòng)機(jī)安全的重要因素之一，應(yīng)采用各種辦法減少鳥類撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的安全隱患。金屬材料空心風(fēng)扇葉片和樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片都具有優(yōu)異的抗鳥撞能力，值得借鑒。鳥撞成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)選材中的重要考慮因素，也成為民用渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片選材革命性變化的推動(dòng)力之一。