鳥撞對商用發動機風扇葉片選材影響

■ 沈爾明 王剛 王宇 高山 / 中國航發動力所

鳥撞是一個令業界頭疼的全球性問題。當飛鳥隨空氣一同被吸入發動機時，會與風扇葉片發生高速碰撞，如果葉片選材不當，輕者會造成轉子系統失去平衡或與機匣碰撞，重者會導致發動機故障而威脅飛機安全。

全球每年會發生1萬余起鳥撞事件，造成的經濟損失約100億 美 元。1960年，美國東方航空公司的民用客機在波士頓機場起飛后不久，撞上大約20000只紫翅掠鳥，密集的鳥群撞壞了4臺發動機中的3臺，飛機因失去動力而墜入水中，機上有72人，最終導致62人喪生。鳥類一旦被吸入發動機，與風扇葉片發生高速碰撞，會帶來葉片的塑性變形。如果葉片變形過大或嚴重損壞，轉子系統會失去平衡或與機匣碰撞，撞斷的風扇葉片進入發動機內涵道，會損傷壓氣機葉片等零件，導致發動機發生故障而威脅飛機安全。

適航要求

發動機是保障飛機安全飛行的關鍵部件，直接影響飛機和機上人員的安全。發動機作為飛機上受鳥撞影響最嚴重的部位之一，隨著鳥撞事件的增加，逐漸成為適航性審查的重要專項之一。

1960年，美國聯邦航空局（FAA）頒布了AC33-1《渦輪發動機外物吸入和轉子葉片包容性型號合格審定程序》，列出了由發動機外物吸入導致的潛在不安全條件，而鳥類就屬于重要外物之一。為了適應航空發動機技術的不斷發展， FAA不斷對聯邦航空條例（FAR） 33部中有關飛機和發動機的吸鳥條款進行修訂，其中的33.75條和33.76條與發動機吸鳥相關，分別是吸鳥后限制出現的發動機故障和吸鳥適航取證的具體規定等給出了發動機吸鳥的適航要求，規定了發動機吸入大型鳥類和中等型鳥類后不得出現具有危害性的發動機故障，并且在取證時，根據不同發動機迎風面積，對吸入的飛鳥數量、質量及試驗流程等提出了具體要求[1]。

GE9X發動機風扇

風扇葉片的設計選材要求

20世紀60年代以來，民用航空逐漸采用大涵道比渦扇發動機作為民用客貨運輸飛機的動力裝置。大涵道比渦扇發動機80%以上的推力都來自于風扇，因此風扇結構受損將嚴重影響發動機的推力，威脅飛機的飛行安全。受鳥撞影響最大的是風扇葉片。風扇葉片作為大涵道比渦扇發動機上的重要零件之一，它的好壞直接影響著發動機的工作效率、氣動性能、安全性、可靠性、質量和成本等。風扇葉片不僅受到較高的氣動載荷、離心載荷和發動機振動的交變載荷影響，同時還要受到包括鳥類在內的外物沖擊影響，以及受到風沙、潮濕的侵蝕，導致在使用過程中風扇葉片比風扇和壓氣機的其他零部件故障要多得多，因而在設計、制造和使用維護時，風扇葉片的成本較高。

風扇葉片作為發動機上重要的轉動零件，材料的選用應滿足在工作溫度及受力條件下，具備一定的強度且具有較輕的質量，同時要考慮葉片的環境介質、使用壽命、制造工藝性和材料的經濟性。由于風扇葉片在高速工作時，離心力很大，因此需要選用的材料應在工作溫度范圍內，具有較高的強度持久性、抗環境腐蝕性，較高的疲勞強度和抗振動性能。同時，為了減輕葉片的慣性，還必須選擇比強度高的材料。由于風扇葉片是發動機的第一級轉子葉片，雖然工作溫度低，但為了預防飛鳥、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，一般采用強度高的鈦合金或不銹鋼。

鳥撞對風扇葉片的影響，輕者導致葉片振顫、進口氣流畸變；重者葉片斷裂、甩脫，風扇結構會因質量分布不均而發生振動，進而降低發動機結構的整體穩定性。增加風扇葉片的厚度，可以提高葉片自身的抗鳥撞能力，但是作為發動機結構上高速旋轉運動零件中尺寸最大的懸臂梁結構，增加葉片質量會加大風扇盤和風扇軸的質量。同時，為了保證對葉片的包容能力，還會增加風扇機匣包容結構的質量，進而增加包括中介機匣、發動機安裝吊掛等一系列結構的質量，最終會大幅降低發動機的工作效率，影響飛機性能，導致耗油率增加，承載能力降低。據普惠公司研究，風扇葉片增加兩頁紙的厚度，會間接導致發動機增加50kg的整體質量。早期的大涵道比發動機風扇葉片設計成細長薄的葉片并增加凸肩結構，凸肩位于距葉尖1/3葉高處，采用鈦合金制造。這種葉片結構的優點是在提高葉片的抗外物打擊能力的同時還能夠減少風扇葉片自重，并且改善了葉片的振動特性，葉片兩側的凸肩能在葉片出現振動時，通過相互接觸摩擦來吸收振動能量，降低葉片斷裂的風險。但是帶凸肩結構的葉片缺點也很明顯，給葉片的加工制造增加了很多難度，葉片質量增加，使得葉根和風扇盤均要承受更大負荷，凸肩與葉身連接部位還會增加一個附加力矩。凸肩會減少氣流通道面積，在凸肩后部形成回流氣流旋渦，影響風扇結構的氣動性能，降低風扇和發動機效率。為了提高發動機的風扇效率，取消凸肩，就必須采用寬弦（小展弦比）風扇葉片，才能提高葉片的抗外物撞擊和抗振動能力。但是如果采用金屬材料直接制造實心的寬弦風扇葉片，會大大增加葉片榫頭受到的離心負荷，榫槽的設計強度也要隨之增大，進一步增加風扇盤、軸和機匣的厚度及設計強度，最終會大幅增加發動機的整體質量。如果不能在滿足設計強度的同時降低葉片質量，就無法實現大尺寸風扇葉片的正式應用，發動機的大涵道比設計要求就不能實現[2]。

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

窄弦帶凸肩實心葉片

羅羅發動機風扇葉片的選材

20世紀60年代，羅羅公司曾經采用玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料制造大尺寸風扇，鳥撞試驗是唯一沒有通過的部件試驗，無法滿足FAR 33部的規定，導致復合材料葉片的研制失敗，這也成為導致公司面臨破產的直接原因之一。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，在高溫下經過擴散連接成一整體結構，再在模具中一體扭轉成風扇葉片。該空心葉片具有質量輕、抗外物打擊能力強、抗振性好和喘振裕度大等優點，耗油率比常規葉片低2.5%。

20世紀90年代，羅羅公司研究出采用超塑性成形/擴散連接（SPF/DB）工藝制造的夾芯結構寬弦空心葉片，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構代替原來的蜂窩結構。1995年在A330上投入使用的遄達700發動機采用了這種葉片，這種桁架結構不僅能提高風扇葉片抗外物撞擊能力，而且比前一代蜂窩結構的葉片質量減輕15%，該葉片成功通過了質量分別為0.68kg、1.14kg、1.81kg及3.63kg的吸鳥試驗。遄達800、遄達900、遄達1000發動機上都采用了該種葉片[2]。

隨著復合材料風扇葉片的技術成熟，羅羅公司也開始研制復合材料-鈦合金（CTi）風扇葉片。該公司與吉凱恩（GKN）公司共同開發碳纖維風扇葉片，用于代替空心鈦合金葉片，計劃用在遄達XWB之后的下一代發動機[3]。

普惠發動機風扇葉片的選材

普惠公司研制的金屬寬弦空心葉片結構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，但在面板內側結合面上銑出多道縱向槽道，沒有夾心結構，再采用超塑性成形/擴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。這種葉片結構比羅羅公司的夾心結構葉片容易加工，降低了葉片的制造難度和成本，但葉片質量較大，普惠公司的寬弦空心葉片首先被用于PW4084發動機上。

隨著發動機的長期使用，該結構的問題逐漸暴露出來。先后發生3起事故都是風扇葉片縱槽根部出現疲勞裂紋導致高速旋轉的葉片斷裂所致。

普惠公司和美國鋁業公司還合作研發新的鋁合金風扇葉片。金屬葉片可以制造更薄的前后緣，可提高2%的氣動效率。新種類的鍛造鋁合金具有特殊的微觀結構，比鈦合金質量更輕，成本更低，這種鋁合金風扇葉片比鈦合金空心葉片具有更高的抗拉強度和更好的抗疲勞性能。該鋁合金風扇葉片已經應用于PW1100G-JM發動機上[4]。

羅羅公司與普惠公司的空心葉片結構差別

GE發動機風扇葉片的選材

20世紀60年代末，GE公司采用碳纖維增強樹脂基復合材料制造TF39發動機的風扇葉片，但沒有通過0.68kg小鳥的吸鳥試驗。GE公司后續又在F103、QCSEE等發動機上繼續開展相關研究，一直等到在UDF發動機上開展的復合材料風扇葉片研制改進后，才終于通過了3.63kg大鳥的吸鳥試驗，這一系列的研制經驗為GE90及其后續發動機采用樹脂基復合材料制造風扇葉片奠定了堅實的基礎。

GE公司研制的GE90發動機風扇結構是世界上最大的發動機風扇結構之一，直徑達到3.12m，風扇葉片每片長為1.22m。該風扇葉片即使采用羅羅公司的鈦合金空心葉片的設計結構，風扇葉片的質量仍然很大，作用在輪盤上的離心力也十分巨大，以至于輪盤無法承受，榫頭處的強度問題也難于解決。GE公司選用樹脂基復合材料制造風扇葉片來解決大尺寸風扇葉片的難題。GE90發動機的風扇葉片最終選用赫氏（Hexcel）公司的8551-7增韌環氧樹脂作為樹脂基體材料，采用IM7高強中模碳纖維作為增強體，制造成IM7/8551-7樹脂基復合材料單向帶預浸料，再將1000層左右的預浸料按照設計要求鋪放在模具中，最終采用熱壓罐固化工藝制造風扇葉片。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膠粘結在葉片邊緣上。這種金屬包邊結構不僅可以分散外物撞擊能量，還可以防止在葉片轉動時復合材料分層。

1994年11月，GE90發動機通過了3.63kg大鳥的適航吸鳥試驗，并于1995年2月通過了FAA的適航認證[5]。隨后，GE公司在GE90-115b、GEnx和GE9X發動機上均采用碳纖維增強增韌環氧樹脂基復合材料制造單向帶預浸料，再通過熱壓罐固化工藝成形制造風扇葉片，從此推動了世界各國采用樹脂基復合材料制造大尺寸風扇葉片的發展。

賽峰發動機風扇葉片的選材

賽峰集團采用新技術實現了小尺寸葉片的復合材料制造，并成功應用于LEAP發動機。與GE公司風扇葉片采用熱壓罐固化的鋪層預浸料方式不同，賽峰集團先將IM7碳纖維三維編織成葉片的平面結構，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扇葉片。LEAP發動機風扇葉片成為世界上首個通過適航吸鳥試驗的中小推力渦扇發動機復合材料風扇葉片。LEAP發動機已被應用于C919、737MAX、A320neo等飛機上[6]。

民用發動機風扇葉片選材建議

隨著民用大型飛機對大涵道比渦扇發動機的需求日益迫切，發動機風扇葉片如何選材、如何減少鳥撞的危害，已經成為一個急需解決的重要問題。從各發動機公司對風扇葉片選材情況的討論與分析（見表1），結合國內的技術水平，建議采取兩步走方案：一方面采用超塑性成形/擴散連接技術開展鈦合金空心葉片的研制；另一方面在開發高性能碳纖維增強增韌環氧樹脂預浸料的基礎上開展復合材料葉片的設計和制造。此外，應與適航當局緊密配合，從材料研制階段就開展抗鳥撞設計，盡快實現新型發動機風扇葉片的研發與制造。

表1 航空發動機用復合材料風扇葉片選材情況

結束語

鳥撞是威脅航空安全，尤其是民用發動機安全的重要因素之一，應采用各種辦法減少鳥類撞擊發動機帶來的安全隱患。金屬材料空心風扇葉片和樹脂基復合材料風扇葉片都具有優異的抗鳥撞能力，值得借鑒。鳥撞成為航空發動機設計選材中的重要考慮因素，也成為民用渦扇航空發動機風扇葉片選材革命性變化的推動力之一。