■ 陳璐璐/ 中國航發(fā)商發(fā)

對于大涵道比商用航空發(fā)動機，最前端的風(fēng)扇葉片是尤為重要的，它不僅提供了80%的推力，同時作為航空發(fā)動機中尺寸最大的轉(zhuǎn)動零件，其可靠性是影響發(fā)動機安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與風(fēng)扇葉片相關(guān)的氣動設(shè)計、噪聲設(shè)計、結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計等相關(guān)技術(shù)發(fā)展十分迅速，在實際工程設(shè)計中更需考慮多場景、不同功能需求，在多專業(yè)間權(quán)衡，開展風(fēng)扇葉片的集成設(shè)計。

航空發(fā)動機已從機械產(chǎn)品時代進入到了功能產(chǎn)品時代，安全、可靠是基本要求，好用、經(jīng)濟則是更高要求。風(fēng)扇葉片作為影響滿足航空發(fā)動機推力功能實現(xiàn)的主要零件，同時也作為最大尺寸的旋轉(zhuǎn)件，其功能設(shè)計和安全性、可靠性等非功能設(shè)計尤為重要。通過了解和分析國內(nèi)外目前在役發(fā)動機的風(fēng)扇葉片技術(shù)現(xiàn)狀，理解風(fēng)扇葉片集成設(shè)計，以支撐航空發(fā)動機作為功能產(chǎn)品的設(shè)計。

風(fēng)扇葉片技術(shù)的重要性

商用航空發(fā)動機作為產(chǎn)品，主要服務(wù)對象為飛機，最為重要的功能需求是提供推力。因此在發(fā)動機氣動熱力設(shè)計中，最基本的設(shè)計目標是滿足飛機的推力。

大涵道比渦扇發(fā)動機風(fēng)扇葉片

位于發(fā)動機最前端的風(fēng)扇葉片提供了約80%的推力，因此通常在發(fā)動機的控制中會根據(jù)風(fēng)扇特性確定所需推力對應(yīng)的低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速，從而決定增壓級、低壓渦輪的工作線；根據(jù)高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的匹配來決定高壓轉(zhuǎn)子的換算轉(zhuǎn)速。除此之外，風(fēng)扇根部的流場品質(zhì)基本決定了進入發(fā)動機內(nèi)涵道，特別是高壓壓氣機的進氣品質(zhì)；而風(fēng)扇前端的進氣環(huán)境受飛行迎角、側(cè)風(fēng)、結(jié)冰等因素的影響，無法人為控制。因此，風(fēng)扇葉片根部的流場設(shè)計和低敏感性設(shè)計對于核心機的穩(wěn)定工作影響極大。與此同時，風(fēng)扇葉片作為發(fā)動機中尺寸最大的旋轉(zhuǎn)部件，是影響發(fā)動機可靠性、安全性的關(guān)鍵零件。風(fēng)扇葉片丟失載荷決定了傳力路徑上零組件的最低要求，影響風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)完整性的各種使用限制也將影響發(fā)動機的可操作性。從某種意義上，發(fā)動機的各個零件都是服務(wù)于風(fēng)扇葉片，同時也受制于風(fēng)扇葉片。

從適航條款與風(fēng)扇葉片的關(guān)系也可以看出其重要性。在適航條款中，大部分條款均與風(fēng)扇有直接或者間接的相關(guān)性，如33.65“喘振和失速特性”、33.68“進氣系統(tǒng)的結(jié)冰”、33.76“吸鳥”、33.77“吸冰”、33.83“振動”、33.94“葉片包容性和轉(zhuǎn)子不平衡試驗”等。這些條款既包含對發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性的要求，也包含特殊場景、惡劣天氣下發(fā)動機的操作性、安全性要求。因此，大涵道比航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片研發(fā)中需綜合考慮上述這些條款的約束。

大涵道比渦扇發(fā)動機風(fēng)扇葉片技術(shù)的水平，從一定程度上是可以代表大涵道比渦扇發(fā)動機的水平。發(fā)動機業(yè)界一直以來十分重視風(fēng)扇葉片技術(shù)的研究，其發(fā)展也是十分顯著的。

大涵道比渦扇發(fā)動機風(fēng)扇葉片的氣動設(shè)計演變

從風(fēng)扇葉片氣動設(shè)計技術(shù)的發(fā)展來看，三維復(fù)合彎掠的氣動造型、前緣橢圓造型、為降低前傳噪聲的后掠葉型設(shè)計等，都在考慮氣動性能的基礎(chǔ)上，更多地考慮了噪聲、制造分散性等綜合因素的影響。但是隨著航空發(fā)動機的發(fā)展，針對風(fēng)扇外涵道的效率要求越來越高，已接近0.94；隨著對推力需求的增加，涵道比越來越大，已接近15；通過傳動技術(shù)的提升，風(fēng)扇葉片葉尖切線速度逐漸下降以適應(yīng)低噪聲、高效率、高可靠性等需求。而葉片數(shù)也隨著氣動設(shè)計技術(shù)、先進材料等應(yīng)用，已降至了16片。

風(fēng)扇葉片高可靠性和輕量化設(shè)計也一直在推進之中。因風(fēng)扇葉片輕量化設(shè)計所帶來的整個發(fā)動機降載收益十分可觀，“葉片每降低1kg，發(fā)動機降低2.5kg”的說法是有實例為證的。特別是近幾十年來的樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的應(yīng)用，使風(fēng)扇葉片的輕量化設(shè)計有了質(zhì)的變化，并由此帶來了復(fù)合材料風(fēng)扇機匣、流道板等的應(yīng)用。同時，復(fù)合材料具有對缺陷不敏感這一顯著不同于傳統(tǒng)鈦合金風(fēng)扇葉片的優(yōu)勢。據(jù)不完全統(tǒng)計，航線運營的GE90發(fā)動機的風(fēng)扇葉片在十幾年內(nèi)因自身原因僅更換了3片。

風(fēng)扇葉片技術(shù)的復(fù)雜性

商用航空發(fā)動機產(chǎn)品所采用的技術(shù)包含氣動、熱力、結(jié)構(gòu)、強度、材料和工藝等專業(yè)方向最先進水平，同時多專業(yè)的匹配性和權(quán)衡體現(xiàn)了復(fù)雜系統(tǒng)管理工程最高水平，不受人為控制的外界環(huán)境變化更是對發(fā)動機產(chǎn)品性能的評估和維護水平提出了最高要求。國際上公認航空發(fā)動機是一個國家綜合工業(yè)水平的實力體現(xiàn)，風(fēng)扇葉片作為這一復(fù)雜系統(tǒng)的重要零件，其技術(shù)的復(fù)雜性尤為突出。

以風(fēng)扇葉片所處的氣動環(huán)境為例，從氣動設(shè)計專業(yè)講，針對已知的進出口條件的氣動設(shè)計、均勻性設(shè)計是傳統(tǒng)氣動設(shè)計的基礎(chǔ)，針對穩(wěn)態(tài)設(shè)計點的設(shè)計方法工具已經(jīng)極為成熟。但是處于發(fā)動機最前緣的風(fēng)扇葉片進口條件更為復(fù)雜，無法直接運用成熟方法工具。

影響風(fēng)扇葉片氣動設(shè)計以及風(fēng)扇葉片氣動設(shè)計需要考慮的因素，至少包括以下幾個方面。

一是進出口畸變的影響。隨著短艙技術(shù)的不斷發(fā)展，以及受來自飛機方需求的影響，發(fā)動機唇口越來越短，進口流場的品質(zhì)設(shè)計技術(shù)也越來越難，此外還需要面臨自然環(huán)境風(fēng)、側(cè)風(fēng)、飛發(fā)匹配等影響。在進氣畸變場景下穩(wěn)定工作是風(fēng)扇葉片氣動設(shè)計的難題，而更為突出的是在畸變場景下的葉片振動問題。

吸冰、吸鳥等外物吸入場景

二是結(jié)構(gòu)完整性的約束。風(fēng)扇葉片在氣動設(shè)計之初必須考慮抗鳥撞、抗冰撞等適航要求。外物吸入后葉片損傷、振動帶來的氣動擾動，也會影響內(nèi)外涵道的流場品質(zhì)，從而引起發(fā)動機穩(wěn)定性問題。

三是低敏感性設(shè)計。在風(fēng)扇機匣上風(fēng)扇葉片葉尖對應(yīng)區(qū)域往往設(shè)計有易磨環(huán)，用于起飛、降落，甚至鳥撞等場景的葉尖刮磨，在實際使用期間很難保障完美氣動流道。同時當(dāng)遭受鳥撞、冰撞等損傷后，仍然保證推力下降不超過適航或者飛機方需求限制，使得風(fēng)扇葉片氣動設(shè)計不僅具有足夠的裕度，同時要具有足夠的魯棒性。

除了風(fēng)扇葉片氣動設(shè)計之外，風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計更是綜合所有可控的和不可控的場景。在結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計中，需要考慮本身的特性和所處的環(huán)境對其的影響。風(fēng)扇葉片所處的環(huán)境極為復(fù)雜，除了安裝、氣動環(huán)境外，還受限于整機環(huán)境，因為環(huán)境所提供的靜載荷、動載荷、沖擊載荷等，會誘發(fā)風(fēng)扇葉片共振、顫振，以及風(fēng)扇葉片與機匣刮磨、耦合振動等問題。同時風(fēng)扇葉片作為轉(zhuǎn)子件，其自身的特性也會對相鄰零件產(chǎn)生影響，如風(fēng)扇葉片安裝帶來的轉(zhuǎn)子不平衡量問題等。因此，風(fēng)扇葉片在研發(fā)過程中，集成、權(quán)衡設(shè)計的水平將直接影響發(fā)動機的穩(wěn)定性和安全性。

復(fù)合材料風(fēng)扇葉片技術(shù)

在役的新一代大涵道比渦扇發(fā)動機大多數(shù)采用了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片方案。預(yù)浸料成型和機織樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝是目前在服役商用大涵道比渦扇發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片兩大主流方案。機織葉片抗分層能力優(yōu)于鋪層葉片，而鋪層葉片的可設(shè)計性優(yōu)于機織葉片。采用預(yù)浸料成型復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的典型是GE90發(fā)動機、GEnx發(fā)動機以及最新一代GE9X發(fā)動機。葉片由數(shù)百層增韌環(huán)氧/碳纖維預(yù)浸帶制成，壓力面和吸力面都涂有聚氨酯涂層，在葉片前緣增加了鈦合金加強邊，葉片根部的三角形榫頭承受壓力的面涂有低摩擦因數(shù)的耐磨材料。LEAP發(fā)動機則采用2.5D機織RTM工藝的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。

相較于鈦合金技術(shù)風(fēng)扇葉片，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的應(yīng)用具有顯著的輕量收益。同時得益于復(fù)合材料構(gòu)件的特點，葉片具有良好的可設(shè)計性。另外，可設(shè)計性也帶來了設(shè)計的復(fù)雜性，從微觀的纖維、樹脂到界面性能，延伸到帶有鋪層或機織結(jié)構(gòu)特征的細觀結(jié)構(gòu)性能，最后符合風(fēng)扇葉片產(chǎn)品功能和非功能需求的宏觀性能。

為此，針對復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的特點，各國適航當(dāng)局也公開發(fā)布一些專用條件，如1995年發(fā)布的針對GE90復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的專用條件，內(nèi)容中主要包含了：針對流道線處的葉片脫落要求；兩倍離心載荷的靜強度要求；考慮高低周組合影響的葉片流道線以下的壽命評估；葉片流道線以下失效概率的要求；風(fēng)扇葉片抗雷擊能力的要求；需要考慮最小材料性能的要求。

綜合分析，針對復(fù)合材料應(yīng)用于發(fā)動機葉片，需考慮其不同于金屬材料的復(fù)合材料特性，以及特別考慮復(fù)合材料風(fēng)扇葉片失效對如風(fēng)扇機匣等相鄰零件的影響。針對不同的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片特性，基于特定的發(fā)動機型號，保障復(fù)合材料風(fēng)扇葉片具有發(fā)動機適航條款要求的同等安全水平，要求具有共同性，同時在不斷地完善。例如，針對復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，在新近專用條件中提出了止裂特性的驗證要求。

除了在役典型的帶金屬加強邊復(fù)合材料風(fēng)扇葉片外，為發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計性的優(yōu)勢，在已公開的專利中發(fā)布了大量特殊設(shè)計的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，如外部金屬蒙皮，內(nèi)部復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特征，并在葉片吸力面施加預(yù)應(yīng)力呈繃緊狀態(tài)。通過摻入增韌纖維使葉片內(nèi)部出現(xiàn)瓦倫梁結(jié)構(gòu)等。

目前針對復(fù)合材料構(gòu)建的商用分析制造軟件已較為成熟，如針對鋪層設(shè)計的Fibersim模塊，用于強度分析的Hyperworks等。同時，結(jié)合LS-Dyna、Ansys等商用軟件可以進行風(fēng)扇葉片強度設(shè)計、振動分析和抗外物吸入分析等。

風(fēng)扇葉片驗證技術(shù)及保護措施

作為一項航空產(chǎn)品，航空發(fā)動機配套有明確的使用說明手冊。為指導(dǎo)發(fā)動機的正常、安全使用，需要航空公司、飛行員了解所用特定型號發(fā)動機的系統(tǒng)特性、使用邊界。同時航空公司的飛行計劃、飛行員的飛行習(xí)慣也會影響航空發(fā)動機系統(tǒng)特性的變化。在航空發(fā)動機的全生命周期的使用都是在大自然環(huán)境中，大自然環(huán)境的復(fù)雜多變、不受控制，需將上述全部因素考慮在風(fēng)扇葉片的驗證中。風(fēng)扇葉片的驗證技術(shù)中最為關(guān)鍵的在于如何篩選試驗工況以及如何實現(xiàn)試驗工況的模擬。

在吸鳥條款中，針對不同吸入鳥彈工況的差異對于發(fā)動機的要求也不盡相同，因此，進而分解到風(fēng)扇葉片的要求并不相同。例如，當(dāng)發(fā)動機吸入單只大鳥，對于發(fā)動機的要求是不得導(dǎo)致危害性后果，但不要求具有保持推力或者功率的能力，此要求類似于發(fā)生風(fēng)扇葉片丟失的場景。因此可以推斷，針對吸入單只大鳥情況，風(fēng)扇葉片是允許發(fā)生斷裂的。另外一個場景，當(dāng)發(fā)動機吸入大型群鳥后，發(fā)動機要求能夠保持最大額定起飛推力的50%及以上，完成規(guī)定的運轉(zhuǎn)程序，不引起發(fā)動機停車和危害性后果。由此可以推斷，風(fēng)扇葉片在吸入大型群鳥的場景，應(yīng)仍能保持基本結(jié)構(gòu)完整性，不應(yīng)產(chǎn)生影響氣動性能發(fā)生超過50%以上推力的材料丟失和型面變化。

在吸冰條款中，與吸鳥條款規(guī)定了鳥體的質(zhì)量不同，對于吸入冰撞擊風(fēng)扇葉片的場景，需要通過相關(guān)場景分析，進而分析確定吸冰的質(zhì)量和不同類型冰的影響。根據(jù)參考文獻，發(fā)動機吸入冰可能來自進氣道（短艙）的脫冰、機身脫冰、機翼前緣脫冰以及尾翼脫冰等。同時冰的類型還需考慮明冰、霜冰、混合冰等。冰的本構(gòu)建立和冰片的制作均需考慮上述情況。在考慮外部環(huán)境的同時，還需要考慮場景對應(yīng)的發(fā)動機狀態(tài)。據(jù)不完全統(tǒng)計，發(fā)動機吸冰事件多發(fā)生于爬升、巡航和下降時，還有少部分發(fā)生于滑行、起飛、進近和著陸狀態(tài)。不同發(fā)動機工況下，風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)速度不同，冰片、鳥彈的沖擊破壞也不盡相同，因此如何識別最為苛刻的外物吸入場景，進行相應(yīng)的試驗方案制定和設(shè)計尤為重要。

通常在風(fēng)扇葉片取證過程中，針對不同的條款需求需考慮振動疲勞、抗外物沖擊能力、抗缺陷損傷能力等相關(guān)驗證。風(fēng)扇葉片因尺寸大、切線速度高導(dǎo)致相關(guān)的試驗工況模擬比較困難。如針對抗外物吸入試驗，考慮鳥體和葉片旋轉(zhuǎn)速度的夾角，使得靜止態(tài)模擬鳥撞沖擊需要實現(xiàn)250m/s以上的鳥彈發(fā)射速度，遠高于傳統(tǒng)航空器的鳥撞速度；旋轉(zhuǎn)部件的結(jié)冰及脫冰試驗驗證、云霧條件的模擬，以及在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的結(jié)冰冰型等關(guān)鍵參數(shù)的測量。

風(fēng)扇葉片的大量驗證試驗既獲取了相應(yīng)設(shè)計方案的使用邊界，同時為后續(xù)發(fā)動機的使用維護提供了大量的輸入，甚至可能影響發(fā)動機的控制系統(tǒng)。

例如，在役發(fā)動機中出現(xiàn)過飛行員推動油門桿，但是發(fā)動機推力變化不大的情況。究其根本原因，在發(fā)動機的控制中存在油門桿空行程設(shè)置，以避免在某個低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍停留，防止出現(xiàn)風(fēng)扇葉片顫振風(fēng)險。通過后期的使用維護方法來確保已發(fā)現(xiàn)的風(fēng)扇葉片使用問題在發(fā)動機全生命周期不發(fā)生失效，也是一種常用的手段。

風(fēng)扇葉片驗證試驗數(shù)量大、成本高。在試驗安排中，為規(guī)避試驗風(fēng)險和降低試驗成本，遵循經(jīng)典的積木式驗證試驗矩陣，開展大量的材料試驗、元件級試驗以及系統(tǒng)級試驗，最后在整機試驗中予以驗證。逐層驗證，從材料屬性到零件特性，從零件特性到系統(tǒng)特性最終支撐發(fā)動機產(chǎn)品的特性確認。

結(jié)束語

隨著氣動、沖擊動力學(xué)、材料、制造等多種技術(shù)的不斷進步，大涵道比航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片的設(shè)計水平也在日新月異地提升。針對服務(wù)于發(fā)動機功能需求的風(fēng)扇葉片設(shè)計來說，需在綜合考慮不同場景、不同需求的基礎(chǔ)上，進行多專業(yè)的協(xié)同和權(quán)衡，并在實際使用過程中規(guī)定使用方法和制定后期維護要求提高風(fēng)扇葉片的可靠性。