民用航空發動機葉片損傷研究

陳柳金，何法江，呂鴻雁CHEN Liujin, HE Fajiang, LV Hongyan

（上海工程技術大學航空運輸學院，上海 201620）

0 引 言

天氣是一項重大因素，較多航班因為天氣影響而延期或取消。

2020 年由于新冠疫情爆發，2020 年航空客運需求相比于2019 年跌幅達65.9%，是航空史以來下降幅度最大的一年。嚴重打擊了國內外的航空企業。在此期間，中國大力防控疫情，但歐美發達國家疏于防范疫情，導致疫情遍布全球，2020 年10 月新冠疫情第二次爆發，全球新冠感染者成指數級增長，使得國外民航客運需求再次受到嚴重打擊，國內航空相反客運需求得到些許反彈。現階段2021 年國內疫情已經得到控制，所以國內航空需求量正在穩步提升，但國外疫情越發嚴重，尤其是衛生防控一般的國家，國內受感染人數劇增，這樣也導致國際航班需求量大大減少。

現代航空業發展迅猛，但國內航空發動機制造業還處在起步階段。航空發動機的核心單元體是壓氣機，壓氣機集結現有材料和技術的頂尖技術，是飛機的“心臟”。航空發動機的壓氣機組件由葉片和導葉組成，葉片的主要功能是通過其典型的管道形狀來引導氣流。這些葉片把旋轉能轉化為靜壓來增加空氣壓力。葉片以某一個角度放置，使得排出的空氣以最佳有效角度導入下一級的轉子葉片。根據發動機壓縮機部分的級數，該過程重復幾次。

壓氣機又可以分為離心式壓氣機和軸流式壓氣機。壓氣機葉片主體結構分為葉尖區域、前緣區域、后緣區域、葉身根部過渡區域、葉盆和葉背。

航空發動機壓氣機大部分的損傷都集中在葉片處。客機運行會遇到極端天氣或者鳥群。當發動機葉片受到外來物體撞擊時葉片會形成外物損傷，航空發動機壓氣機葉片的外物損傷分為硬物損傷和軟物損傷，葉片受到硬物損傷分兩種情況，其一是當飛機在飛機跑道上起飛和降落時，容易讓一些小石塊、沙礫和一些小型金屬物件受到飛機飛行氣流的影響而進入航空發動機內的葉片，使之造成硬物損傷。第二種情況是當飛機在高空飛行時容易遇到冰雹和冰塊，冰塊的硬度取決于它的溫度，如果冰塊溫度較高，那么冰塊對葉片造成的損傷可歸類為軟物損傷，當冰塊溫度較低時，冰塊對葉片造成的損傷可歸類為硬物損傷。當撞擊物是鳥時，鳥對葉片造成的損傷是軟物損傷。

鳥撞擊發動機葉片危害極大，一只體重為0.5 公斤的小鳥撞上時速為900 公里的飛機時，鳥造成的的沖擊力將達到191kg，足以摧毀葉片。在1988 年的埃塞俄比亞，一架波音737 在爬升到3 800 米的高空中時，遇到鳥群，撞上發動機造成的飛行事故，致85 人死亡，21 人受傷。

硬物損傷常見表現形式分為：缺口、撕裂、凹坑/鼓包、劃痕和卷曲。其中缺口的損傷一般表現為壓氣機葉片的前后緣區域存在材料損失，在前后緣區域形成一定深度和寬度的孔洞；撕裂損傷通常被視為最危險的損傷，主要表現形式為壓氣機葉片受到外物沖擊形成剪切力使葉片撕裂出裂縫，撕裂存在裂紋不擴展和裂紋擴展，危害性較大；凹坑/鼓包主要表現為壓氣機葉片受到外物沖擊形成凹坑或鼓包；劃痕分深淺，葉片受到外物沖擊時會造成不同深淺的劃痕；卷曲表現為壓氣機葉片前后緣及葉尖處材料發生卷曲變形。

在葉片外物損傷的研究中，國外的外物損傷研究起步較早。1956 年，美國劉易斯飛行推進器實驗室的A. Kanufman 等人研究了各種外物損傷對壓氣機葉片疲勞強度的影響。1959 年，英國Dunham 等人首次運用機械加工缺口法在鋼、鈦和鋁三種材料的葉片上進行實驗，測量損傷葉片的疲勞強度。1982 年，T. Nicholas 等人用平板代替葉片，通過一系列硬粒子沖擊試驗，研究了鈦合金前緣形貌的沖擊損傷。疲勞試驗是用來評估損傷的嚴重程度的等效彈應力集中系數。幾何尺度的概念是通過在沖擊試驗中使用不同的前緣厚度和彈丸大小來研究的，損傷類型的觀察和臨界速度概念的使用傾向于驗證尺度的概念。損傷的發生取決于撞擊速度。對于一個給定的粒子沖擊一個給定的前緣，隨著速度的增加會出現一系列的損傷類型。在一定的速度下，基本上沒有發生損傷，粒子明顯地從葉片上反彈。隨著沖擊速度的增加，前緣凹陷或凸起的數量也隨之增加。在某一高速，即臨界速度下，凹痕或凸起達到最大，前緣開始撕裂。在較高的速度下，彈丸完全穿透葉片，隨著速度的增加，留下越來越光滑的孔洞。疲勞試驗表明，最大損傷或疲勞壽命最大降低發生在葉片凹陷形成撕裂的臨界速度。在這一點上的損害被稱為臨界損害。1996 年CHANG JCI 等人研究發現葉片在超過1Khz 頻率下、應力幅低、大于等于10cycle 的循環數下會發生HCF 失效。2018年Rajesh Sharma 等人研究了葉片被外物沖擊后留下的殘留物。

近年來，浙江省金華市人大常委會探索開展財政專項支出第三方績效評價工作，先后完成了保障性住房建設、科技創新支出等6個項目的第三方績效評價，今年又開展了農村生活污水治理、居家養老服務機構補助等4個項目的第三方績效評價，取得了良好效果。今年8月，該項工作獲評“浙江人大工作與時俱進獎”提名獎。

國內研究起步比較晚，并且對外物損傷的研究較少。在1990 年，南京航空學院的魯啟新和海軍航空工程學院的孫振德研究了外來物損傷對葉片疲勞壽命的影響，采用的是彈藥槍發射粒子的方法來模擬外來硬物損傷。在1998 年，南京航空航天大學的康繼東，采用電磁渦流激振來進行葉片的震動疲勞實驗。并且隨后提出壓氣機葉片外物損傷模擬的撞擊能量當量法，然后通過實驗觀察壓氣機葉片損傷的形態與撞擊能量之間的變化關系，為后續壓氣機葉片的硬物損傷研究提供了又一有力手段。

1 模型建立

1.1 物理模型。需要先選取關鍵性的葉片，只需選取一圈葉片中的典型，然后進行模型建立再進行仿真分析，本文選取某民用航空發動機葉片作為研究對象，葉片的材質為TC4。

1.2 葉片受力分析。航空發動機壓氣機葉片在工作過程中將會承受多種力，壓氣機葉片受力主要分以下幾種：（1） 離心力。壓氣機葉片轉速高，可達每分鐘上萬轉，由此在其自重的作用下產生巨大的離心力。離心力對于葉片的作用會使葉片向徑向拉伸，還可能造成葉片的扭轉和彎曲。（2） 氣動力。壓氣機葉片壓縮吸入的氣體，氣體反作用于葉片表面形成氣動力。由于壓氣機葉片結構復雜性，所以氣動力在葉片上是不均勻分布的。（3） 振動力。壓氣機在壓縮氣體的時候，氣流的擾動和轉軸的震動會使葉片發生振動，使壓氣機葉片發生振動應力。

航空發動機葉片三維計算模型如圖1 所示。整個計算域采用建模軟件建模。利用有限元分析網格生成軟件劃分壓氣機葉片模型的計算網格。采用的是六面體網格建模，好處是提高網格質量、加快收斂計算速度、網格正交性得以提高。如圖2 所示，壓氣機葉片網格劃分大小為1mm，總單元數143 萬個，總節點數27 萬個。

圖1 壓氣機葉片三維計算模型

圖2 壓氣機葉片網格劃分示意圖

1.3 邊界條件及算法。壓氣機葉片的材料均為TC4（Ti-6Al-4V） 鈦合金，在該模型葉根底部添加固定約束，并施加離心力。

2 靜力學分析

壓氣機轉子葉片工作時主要承受著高速轉動產生的離心載荷，氣體作用產生的氣動載荷，榫頭固定位置的支撐力載荷。在靜力學分析暫不需要考慮彈性的影響，假設接觸面法向位移為零。施加約束：葉根底部固定約束；施加載荷：增壓比為1.2時的氣動載荷；施加旋轉：圍繞發動機軸線以額定轉速9 000RPM 旋轉。等效應力云圖和總位移圖如圖3 所示。

靜力學分析顯示，葉身總應力從左右葉尖慢慢向葉根中部變大。葉片與緣板的連接處中間是應力最大的地方，如圖3（a）。葉身總位移從葉尖至葉根逐漸減小，最大位移出現在葉尖，如圖3（b）。

圖3 靜力學分析結果示意圖

3 模態分析

下面微分方程為動力學控制方程：

在模態分析中有幾種情形可以簡化微分方程。

六個矩陣跟動力學控制方程相似。

由于葉片實際工作中振動形式復雜多樣，本文在對葉片進行模態分析時對振動形式進行了必要的簡化，只考慮葉片在額定轉速慣性力下的自激振動的振動模態，忽略葉片非正常工作中的顫振、喘振等振動形式對葉片振型的影響。施加約束：葉根底部榫頭位置固定約束；施加載荷：增壓比為1.2 時的氣動載荷；施加旋轉：圍繞發動機軸線以額定轉速9 000RPM 旋轉；環境溫度：23℃。對葉片前6 階振型等效振動應力進行仿真，等效振動應力分布如圖4 所示。

圖4 葉片等效振動應力分布圖

從葉片前6 階振型的振動載荷分布看，紅色區域是受力最大區域，振動應力最大值主要出現在葉根進氣邊、葉身中部、葉尖進氣邊等區域。其中，葉根和葉尖進氣邊是各階振動應力比較集中的區域，這也是壓氣機葉片較常受到損傷的部位。

通過有限元軟件仿真研究得到航空發動機壓氣機葉片的易受損部位，可以對相應部位進行研究加強強度，使得航空發動機葉片的使用壽命得以增強，保證航空運輸的穩定性和持續性。通過將葉片外物損傷進行分類，依據國內外的維修手冊制定不同的維修策略。國內發動機維修手冊現階段暫時還不完善，需要收集大量葉片外物損傷信息，對損傷進行分類研究。來加強我國國內對航空發動機的研究。

4 結 論

綜合有限元軟件的靜力學分析與模態分析結果，某型航空發動壓氣機轉子葉片承受載荷主要集中在葉根進氣邊、葉身中部、葉尖等區域。這些區域的載荷集中部位與該葉片故障部位統計中常見損傷部位分布基本具有一致性。葉片載荷集中部位就是葉片較常受到損傷部位，因此有限元軟件仿真結果基本能夠客觀反映壓氣機葉片正常工作中實際受載情況。

葉片外物損傷是航空客機較常發生的事故，輕則安穩降落，重則機毀人亡，所以除了其他天氣、疫情等影響因素，要格外重視檢修航空發動機葉片，并采取相應的預防措施，對登機人員的安全和物流的時效性做出保障。

在交通運輸領域，安全至關重要，航空事故非常嚴重，所以要保證民用航空的安全性和時效性，就要保證每一個環節都十分嚴謹，做到萬無一失，確保人與物的安全。