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陈光/文
1989年6月,印度航空公司购置的A320空中客车正式投入营运,使它成为亚洲第一家使用该飞机的航空公司。 当时的 A320为一种刚刚问世的新型双发客机。它的动力可采用 CFM56 5或V2500发动机,它们都是高涵道比涡轮风扇发动机。印度航空公司的 A320 安装的就是 V2500发动机。
吸入巨鸟,有惊无险。印度航空公司的 A320投入使用不久,就遭到了一次特大鸟的“袭击”。 这架飞机从新德里机场起飞,当爬升到1000米高度时,发动机吸入了一只翼展长达2.13m、重5.30kg的白颈印度秃鷲。
无独有偶,1991年7月15日,还是印度航空公司的一架 A320,它的 V2500发动机又吸入了一只更重的5.44kg的秃鹫,这是印度航空公司的 A320自投入使用后发动机第23次吸鸟事件。
这么大的鸟,以300km/h左右的速度撞到发动机最前端的部件———高速旋转的风扇叶片上,相当一发迫击炮弹击中靶心。
万幸的是由于V2500的风扇叶片采用了一种独特的设计,使得发动机虽遭受此大难仍安然无恙。事件发生后,发动机继续正常工作,飞机安全着陆。在第一次吸鸟事件中,V2500的22片风扇叶片只有6片被打得变形。经外场直接对装在飞机上的发动机更换新叶片后,发动机又继续投入使用。
安装 V2500发动机的 A320飞机是1989年5月22日首次使用的。到1992年,包括印度航空公司在内的所有 V2500发动机的工作时间累计达400000飞行小时。在此期间,该型发动机共吸入飞鸟35次,也就是说,V2500工作中,平均11000余小时就发生一次吸鸟事件。
从上面统计的 V2500的数据来看,涡轮风扇发动机,特别是高涵道比的涡轮风扇发动机在工作中会将各种飞鸟吸入,当然也会在飞机起飞着陆过程中吸入散落在跑道上的各种杂物例如石块、冰块、破轮胎块、金属零件与工具等。吸入飞鸟通常发生在起飞爬升或下降的过程中。当然当飞机爬升到鸟飞不到的高度(一般为2000~3000m)后,就不会出现这种事件了。
粉身碎骨,绝非本愿。为什么发动机工作时能将飞鸟吸入呢?这是因为发动机工作时要从周围(在地面)或前方(飞行中)吸入大量空气。随着航空发动机的推力愈来愈大,涵道比愈来愈高,发动机所吸入的空气量也愈来愈多。
例如歼 6飞机的涡轮喷气发动机吸气量为44kg/s(地面、最大状态.下同);歼 7的为64kg/s。而高涵道比的涡轮风扇发动机V2500的吸气量约是歼 7的6倍,达到356kg/s;波音757动力的吸气量为524kg/s。波音747的约为740kg/s;而用于波音777飞机的发动机的吸气量则高达1450kg/s,是歼 7发动机吸气量的近22倍!
这些数字到底有多大呢?现举一个例子来说明。如果有一座足球场大小、高度为6.1 m的体育馆,关闭其全部门窗而另开一圆形窗口。将一台 V2500发动机的进气口对着圆形窗口(尺寸与发动机进气口一般大),用馆内空气供发动机工作。
那么,不到2分钟,体育馆的空气就会被发动机抽吸一空,馆内形成真空。体育馆的建筑将在馆外与馆内的压差作用下而倒塌。从此例可看出,发动机工作时所吸入的空气量有多么大了。
因此,发动机吸入飞鸟是很自然的事。不仅如此,当大型发动机工作时,维护人员如不注意,进入发动机前方也会被吸入。这种惨祸以及将维护用的金属梯吸入的事件也曾发生过。所以飞机在地面开车时,有严格的规定不准人员进入限定的区域内。
2002年4月20日我国国际航空公司的一架波音767-200客机由日本大阪关西国际机场起飞时,当飞机滑行进入跑道过程中,突然发动机报警系统指示发动机不能正常工作,驾驶员当即终止飞机起飞。
经检查是飞机滑行中,发动机将国际航空公司一名机务人员吸入,不仅该机务人员当时被撞死,而且将发动机打坏,不得不将乘客送到宾馆休息,从北京运去一台发动机换下被损坏的发动机后,第2天才将旅客运回北京。
值得注意的是,出事时发动机是在慢车状态下工作,此时发动机转速低,吸入的空气量小。 即使这样,也将体重60~70kg的机务员吸入发动机,如果在起飞最大推力下工作,其吸入外物的能力可想而知。
由于发动机以最大状态工作时,空气以300~350km/h的速度被吸入发动机,因此随空气一起吸入的飞鸟也将以这个速度撞到发动机前端部件上,产生一个非常大的撞击力。所以发动机吸入飞鸟又被称为鸟撞击发动机。如果鸟撞到发动机的静止部件如进气道与支板等,其危害程度还比较轻,但是如果撞到高速旋转的风扇叶片上,其相对的撞击速度更高、力量更大,会造成极为严重的损伤。因此风扇叶片的设计,要很好地解决抵抗鸟撞击的问题。
综上所述,飞鸟进入发动机是被动的,并不是鸟喜欢发动机特别温暖的环境而
主动进入。只要飞鸟在发动机一定距离的前方飞行,就会被吸入。当然距发动机远些,吸力较小,还有逃出粉身碎骨厄运的可能。
因此,目前人们在与风扇转子一起高速旋转的进气锥上,围绕锥体画上一条白色的由细到粗的条带,如图1所示,工作时这些条带形成一个闪动的白色光耀,使前方的飞鸟视而生畏,远离而去,避免惨遭杀身之难。据称,这种措施多少有一定效果,但仅靠它远远不够 还需从风扇叶片的设计上来解决 这才是最根本的。
图、涂有白色条带的遄达900发动机
顾此失彼,困难重重。风扇叶片设计除了要考虑鸟撞击之外,还有一个严重的问题要解决,这就是振动问题。风扇叶片的特点是长而薄,特别是高涵道比涡轮风扇动机中的风扇叶片更长。例如 V2500发动机风扇叶片长0.522m;用于波音747的风扇叶片长约为0.8~0.9m;而用于波音777的发动机风扇叶片长达1m多。这么长而薄的叶片工作中很容易振动,进而因疲劳而折断。
因此,风扇叶片的设计,除了要满足气动设计要求外,还要很好地解决鸟撞击与振动两大问题。1984年以前,所有高涵道比涡轮风扇发动机的风扇叶片无一例外的是将叶身上距叶尖1/3~2/3处作出向两侧伸出的凸肩,如图2(a)所示。
各个叶片的凸肩相互抵紧形成一加强叶片的环箍,如图3所示。这样,不仅增加了叶片的剛性,提高了抵抗外物(包括鸟)撞击的能力与叶片自振频率,而且不易出现振动。即使出现叶片振动,凸肩的抵紧面之间的摩擦可吸收振动能量,使叶片振动不起来。
图2、带凸肩与无凸肩风扇叶片的比较
但是这种带凸肩的设计,却带来许多问题,例如叶片不好加工;叶片根部所受的离心负荷加大,凸肩与叶身交界处还会产生附加的弯曲应力,气流流过凸肩会产生分离,不仅使流通面积减少,而且使效率降低等。
为此,从20世纪80年代初起,国外几家大发动机公司都在设法解决叶片带凸肩引起的问题。然而,由于风扇叶片所处的特殊工作条件,要全面解决是比较困难的。
图3、带凸肩风扇结构图
解决带凸肩风扇叶片上述的那些问题最好的办法是将凸肩取消。但这一来又会带来抗外物打击的强度以及振动的问题。因此最完美的办法是将叶片加宽成为宽弦叶片,如图2(b)所示。
随着叶片宽度的加大,其厚度自然变大。宽而厚的叶片,抗外物打击的能力大大提高,也不易引起振动。但是这种宽而厚的叶片重量也隨之增加了许多,叶片根部会受不了,安装叶片的盘也必须做得很厚很重才行。这样的零件显然不适合于大型的航空发动机。
巧妙构思,全新设计。在问题尚未彻底解决之前。普惠与GE两家公司先在凸肩的型面设计上做了改进,尽量减少气流流过凸肩的损失。与此同时,罗·罗公司则创造性地发展了一种新的风扇叶片设计与制造方法。 它彻底地消除了凸肩而又很好地解决了强度、重量与振动问题。这就是“宽弦无凸肩空心夹层结构”叶片。
它的设计思路是:宽弦叶片做成空心的以减轻重量,以蜂窝材料的芯子充填空腔来提高叶片抗外物打击与抗振动能力。它的叶盆与叶背分别由两块钛合金做成,中心部分挖空嵌入钛合金蜂窝结构的芯板,通过活性扩散连接的方法将三者连接在一起,形成一整体结构。
这种类似“三明治”的叶片不仅解决了如前所述的老大难问题,而且重量轻,叶片数量也可减少1/3。图4示出了这种叶片连接前的结构。这种新型的风扇叶片首先装在波音 757飞机的RB211-535E4发动机上。自1984 年10 月投入航线使用以来,不仅效率比常规带凸肩的窄弦叶片高,而且不易损坏。
图4、“三明治”式的风扇叶片连接前的结构
按1992年底的统计,新型叶片在4千万飞行小时使用中,还没有出现过由于损坏造成发动机拆换的纪录。而在同一时期内,装常规叶片的发动机由风扇叶片损坏造成拆换发动机的事件平均在1000飞行小时中有0.014~0.038次。因此罗·罗公司很快将这个技术用于该公司研制和参与的其他发动机上,如 RB211 524G/H与 V2500等发动机上。
本文开始讲的印航A320飞机的发动机两次遭特大秃鹫袭击而未受损的事例,充分证明了这种叶片的优点。
罗·罗公司后来又在原有设计的基础上做了新的改进,即芯部以大型建筑物上所用的相互构成的三角形桁架结构取代了原有的蜂窝结构,如图5所示。这种芯部的结构不仅轻而且能参与承力。每片叶片的重量比采用蜂窝芯的低15%。这种被该公司称为第三代的叶片已用于为 A330、波音777飞机所制造的“遄达”发动机上。
图5、具有桁架结构芯的风扇叶片剖面图
20世纪90年代初,GE公司与普惠公司在风扇叶片的研制中也迈出了新的一步。在它们为波音777发展的新型发动机均采用了宽弦无凸肩的风扇叶片。但在减轻叶片重量上却走了不同的道路,GE公司采用的是前缘包有钛合金蒙皮的复合材料叶片设计。
普惠公司采用了空心的结构,由钛合金分别加工的叶盆、叶背先分别铣出许多径向槽道,然后用扩散连接方法连成一体,如图6所示,这种叶片中间带有6条槽带形成空心,减轻了重量,而未被铣削处又相互焊接在一起,增加了叶片抗外物打击的能力。这种结构的叶片不仅用于波音 777的PW4084发动机上,也用于第四代战斗机F22的F119发动机上。
图6、普惠公司的铣槽空心宽弦风扇叶片
危害严重,不容轻视。
不论任何形式的风扇叶片,如果遭到外物(包括飞鸟)撞击而折断时。其后果是十分严重的。例如叶片折断的碎片会随气流向后流而打坏风扇后面的部件,使发动机停车;碎片夹在叶尖上与机匣间被转子带着旋转时,会由摩擦引起发动机失火;风扇转子会产生很大的不平衡力,引起发动机振动加大。折断的叶片如打穿机匣,还会打坏飞机的结构与系统等。
这些都将严重地危及飞机的飞行安全。1989年巴黎航展上,苏联空军的一架米格 29战斗机于6月8日作飞行表演时,突然俯冲坠地。飞行员紧急弹射跳伞才幸免于难,而飞机却焚烧一光。这一轰动航展甚至世界的重大事故,就是由于发动机吸鸟造成的。
它雄辩地说明了发动机吸鸟会带来的危害程度。为此所有国家的适航管理部门都有严格的规定,在发动机投入使用前,要进行投鸟的考核试车。对现在稍大一些的发动机,要做两种投鸟试验:即投8只、每只重0.68kg的中等重量鸟试验与投入一只重1.8kg的大鸟试验。
两种试验中,死鸟均装在压缩空气炮内,对着风扇叶片处,以330km/h的速度射向正在以最大状态工作的发动机,如图7所示。在投鸟试验中,要求发动机投鸟后的推力损失不得大于25%并能在5 min之内停车;要求投鸟后不引起发动机失火,没有危险的碎片穿出机匣,能人为地将发动机停车等。
如果达不到这些要求,该型发动机是不允许投入使用的。为了使投鸟试验更接近真实情况如有的发动机试验时,对试验用的鸟和鸡做了特别规定,例如不能用掺有催肥剂的饲料而只能用谷物来喂养;不能宰杀而只能用一氧化碳将鸟窒息而死等,以使试验鸟的骨、肉、血等的指标更接近于活鸟。
由于用于波音777飞机的发动机的推力很大,进口直径接近或大于3m,可能会吸入更重的鸟,所以对用于这种飞机的发动机,在作投鸟试验时,鸟的重量加大一倍,即投掷3.6kg的鸟,以保证发动机在外场使用中遇到特大的飞鸟也能不受损伤。
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