某受鳥擊發動機的損傷及運行分析

姬鵬飛 任炎炎 吳憲 林育森

摘要：針對一臺發生鳥擊的CFM56發動機，分析了飛行監控數據，并對發動機進行了分解檢查，研究了鳥擊對發動機造成的直接和間接損傷。以此為基礎分析總結了鳥擊發生后發動機的運行情況。

關鍵詞：鳥擊；航空發動機；損傷分析；運行分析

Keywords：bird-strike；aero-engine；damage analysis；operation analysis

0 引言

鳥擊是指飛行中的飛行器與鳥類或蝙蝠發生碰撞的事件 [1] 。鳥擊對飛行器的危害很大，甚至可能造成飛行器墜毀。有研究表明，鳥擊造成飛機墜毀的主要原因是發動機因遭受鳥擊而失效 [2] 。

鳥擊對航空發動機造成的損傷主要為葉片損壞甚至脫落，進而造成旋轉失速和喘振。鳥擊產生的殘骸還會隨氣流通道移動進而引發流道阻塞，導致包括冷卻失效在內的其他故障，最終導致推力損失和空中停車等嚴重事故 [3-4] 。

對發動機管理與送修而言，鳥擊發動機的情況很復雜，加大了工作范圍制定的難度，修理過程中又涉及性能和成本間的平衡，這些均給鳥擊發動機的管理與送修帶來挑戰。

對鳥擊后發動機的研究有助于分析鳥擊造成的損傷，了解鳥擊對發動機運行的影響，對于發動機設計、發動機維護修理特別是視情維修等都有現實意義。

本文針對一臺發生鳥擊的CFM56發動機，分析其飛行監控數據，對發動機進行分解檢查，研究了鳥擊對發動機造成的直接和間接損傷，并以此為基礎分析總結了鳥擊發生后發動機的運行情況。

1 在翼監控數據分析

某航班在起飛階段報告發生劇烈振動，推力損失，后經確認為鳥擊事件。

提取在翼監控數據后，對低壓轉子轉速、高壓轉子轉速、排氣溫度、燃油流量、低壓轉子振動、高壓轉子振動等參數進行了分析，如圖1所示。最先發生變化的參數是低壓轉子振動，因此假設低壓轉子振動發生躍升的時間為鳥擊發生的時間T0。

從T0開始，低壓、高壓轉子轉速和燃油流量開始發生波動。T0+1s時低壓轉子振動瞬間超過記錄極限5Unit，一直持續到鳥擊發生約2min后發動機減速到慢車時才降低到3.8Unit左右，已經接近下發標準的4Unit。高壓轉子振動也在鳥擊瞬間迅速增大，并于T0+3s超過記錄極限5Unit。但高壓振動在T0+12s開始迅速降低，之后保持在1Unit以下。

排氣溫度從T0+1s開始逐漸增加，結合燃油流量的變化可以推斷發動機運行效率逐漸惡化。排氣溫度到T0+12s時達到最高，之后開始降低，這是由于燃油流量從T0+10s開始明顯下降。放氣活門也在T0+10s被開啟，因此判斷在T0+10s附近發動機觸發了發動機旋轉失速而引發喘振保護，主動降低了燃油流量，并開啟了放氣活門。受此影響高壓轉子轉速和低壓轉子轉速顯著下降，隨后高壓轉子振動大幅下降。

T0+10s之后雖然油門桿依舊保持在起飛狀態，但發動機低壓轉子轉速只保持在87%附近，顯示發動機已經出現了明顯的推力損失。T0+28s后飛行員收油門將發動機推力主動降低到巡航推力附近，后又降低至慢車。隨后飛機依靠另一臺發動機成功降落。

2 損傷分析

該發動機在航班結束后進行了檢查，發現發動機受損嚴重，如圖2所示。隨后該發動機被換下，送往大修廠進行維修。

2.1 外觀檢查

發動機進廠后，首先使用黑光燈對發動機外圍進行檢測，發現風扇葉片等多處有明顯的熒光反應，如圖3所示，進一步確認該發動機在運行過程中發生鳥擊。

檢查發現損壞最為嚴重的葉片存在面積最大的熒光痕跡，并存在明顯的材料缺失，其相鄰兩葉片上也發現了明顯熒光痕跡，因此判斷該葉片即為被鳥擊中的位置。其他風扇葉片和風扇包容機匣也發現一些熒光痕跡。其中，風扇葉片出現彎曲、葉尖撕裂等損傷，風扇機匣出現撞擊損傷，經過判斷是由鳥的殘骸和受到撞擊后脫落的葉片材料共同導致的。此外，風扇葉片的損傷所導致的低壓轉子不平衡也被認為是發動機低壓轉子高振動的主要原因。

檢查后部的風扇出口靜子葉片，發現嚴重損傷及熒光痕跡，而對內涵道的黑光燈檢查沒有發現明顯熒光痕跡，因此認為鳥在撞擊到風扇葉片后其殘骸大部分隨著外涵道氣流流動，經過外涵道離開了發動機。

2.2 內部檢查

經過全面的內部分解檢查，除外部檢查暴露的直接損傷外，鳥擊對該發動機造成的損傷大體上可分為靜轉子接觸類損傷和附著物兩類。

1）靜轉子接觸類損傷

發動機的內部分解檢查結果顯示，壓氣機機匣表面存在刮磨痕跡（見圖4），與之配合的壓氣機葉片葉尖發現刮磨和部分材料缺失（見圖5）；葉片前后緣發現刮磨；渦輪葉片和與之配合的罩環之間也發現刮磨；對葉片高度的測量結果表明發動機壓氣機葉片的葉高損失嚴重。此外，多處篦齒封嚴面之間發現嚴重磨損。可見，鳥擊發生后，發動機的轉子產生劇烈振動，導致靜子和轉子之間無法保持合適間隙，靜轉子發生接觸刮磨。

高壓轉子的檢查顯示，高壓轉子的損傷導致的轉子不平衡并不是造成高壓振動大幅增長的主要原因。在翼監控數據顯示，高壓振動在鳥擊發生后12s左右就隨著發動機旋轉失速觸發喘振保護而明顯恢復。因此，判斷認為造成高壓轉子高振動的主要原因是旋轉失速。

2）附著物

檢查中發現，燃燒室、高壓渦輪及低壓渦輪氣流通道部件上均有黑色附著物，如圖6所示。

在對黑色附著物取樣后進行了掃描電鏡–能譜分析。表1為附著物能譜分析結果，可見附著物中主要含有氧鋁硅鎳四種元素。

將該附著物的成分與CFM56發動機部件的材料進行比對，發現低壓壓氣機耐磨層的成分與能譜分析結果相符。

分解檢查的結果也顯示低壓壓氣機耐磨層出現了嚴重刮磨，大量耐磨層材料被刮下，如圖7所示。因此，判斷附著在發動機內黑色附著物中的鋁、硅主要來自于低壓壓氣機耐磨層的鋁硅聚酯纖維涂層 [5] ，而其中的鎳元素應來自于被刮磨的鎳基高溫合金。

從以上結果可以得出，鳥擊發生后，低壓壓氣機葉片與耐磨層之間產生嚴重刮磨，耐磨層材料沿發動機氣流通道流動，在經過燃燒室、高壓渦輪及低壓渦輪時，受高溫影響又重新附著在發動機部件上。

3）鳥擊發動機損傷總結

進廠檢查的結果顯示，鳥擊對發動機造成的直接損傷主要集中在風扇葉片、風扇包容機匣等外涵部件。同時，鳥擊也間接造成了發動機內部部件的損傷，包括壓氣機、渦輪葉片與機匣等配合件、篦齒封嚴等部件。

風扇作為渦扇發動機產生推力的主要部件，它的損傷會影響發動機推力和氣動效率。靜轉子接觸損傷造成的影響包括：葉片和機匣的損傷，進而影響葉片葉形；加大葉片與機匣的間隙，從而影響氣動效率；脫離的材料還會造成其他部件的損傷；篦齒封嚴的磨損，增加漏氣量進而影響發動機運行效率。附著物附著在葉片表面會改變葉片葉形，影響氣動效率；附著在氣膜冷卻通道會造成冷卻通道阻塞，進而造成燒蝕等。這也解釋了鳥擊發生后發動機運行持續惡化，進而發生旋轉失速和推力損失的原因。

3 鳥擊后發動機運行情況

綜上所述，鳥擊發生后，發動機風扇葉片被鳥直接命中，鳥的殘骸和脫落的發動機材料隨氣流流動損傷了其他風扇葉片及其他發動機部件，隨后，大部分殘骸隨著氣流流經外涵道離開發動機。

風扇葉片的損傷造成了低壓轉子不平衡，導致低壓轉子劇烈振動。振動導致了靜轉子接觸和附著物的產生，發動機運行效率顯著降低。發動機隨后產生旋轉失速并導致高壓轉子振動增加，加劇了靜轉子接觸，使發動機運行情況進一步惡化，排氣溫度持續增加。發動機控制系統監測到旋轉失速并觸發旋轉失速和喘振保護，抑制了旋轉失速。此時發動機已經無法維持起飛推力的轉速，發動機推力明顯損失。最后飛行員主動降低發動機推力直至慢車，航班依靠另一臺發動機安全降落。

4 結束語

本文研究總結了某受鳥擊的CFM56發動機的損傷情況和鳥擊后發動機的運轉情況，對發動機設計、發動機維護和修理特別是針對性的視情維修有現實意義。

參考文獻

[1] Hedayati R，Sadighi M. Bird strike：an experimental，theoretical and numerical investigation [M]. Woodhead Publishing，2015.

[2] Blokpoel H. Bird hazards to aircraft：problems and prevention of bird/ aircraft collisions [M]. Clarke Irwin；[Ottawa] ：Canadian Wildlife Service，Environment Canada：Pub. Centre，Supply and Services Canada，1976.

[3] Avrenli，Kivanc A，Dempsey，Barry J. From Yesterdays Three- and Four-Engine Airliners to Twin-Engine Airliners：Are Bird Strikes More Hazardous for Todays Twin-Engine Aircraft· [A]. Transportation Research Board 94th Annual Meeting，2015，15-0314.

[4] Mishra R K，Ahmed S I，Srinivasan K. Investigation of a Bird Strike Incident of a Military Gas Turbine Engine[J]. Journal of Failure Analysis and Prevention，2013，13（6）：666-672.

[5] 崔慧然，李宏然，崔啟政，等.航空發動機及燃氣輪機葉片涂層概述[J]. 熱噴涂技術，2019，11（1）：88-100.

作者簡介

姬鵬飛，工程師，主要從事CFM56、LEAP系列航空發動機的維修工作。