可承受3.63公斤大鳥撞擊 通用GE90複合材料風扇葉片解析

陳光/文

3 發動機設計特點 3.1 轉子支承方案

GE90為雙轉子高涵道比渦扇發動機,由單級寬弦風扇、3級增壓壓氣機、10級高壓壓氣機、頭部為雙環腔的全環形燃燒室、2級高壓渦輪、6級低壓渦輪組成。兩個轉子共用5個支點支承在3個承力框架上:低壓轉子有3個支點,即風扇轉子用2個支點懸臂支承(支點在風扇盤後),2個軸承裝在中介機匣上;低壓渦輪轉子在位於第4級輪盤後的短軸上有1個支點,其軸承裝在渦輪後軸承機匣中。

低壓渦輪軸插入風扇軸中,作為低壓渦輪的前支點。高壓轉子用2個支點、3個軸承支承:高壓壓氣機前支點採用滾珠/滾棒雙軸承並列結構,滾珠軸承裝在彈性支座中,滾棒軸承裝在剛性較強的彈性支座上如圖3所示,這是採用了 CF680C2、CFM56 5的設計(參見「CF680C2發動機結構設計分析」),此2軸承均固定在中介機匣上;

高壓渦輪後支點採用滾棒軸承,支承在高、低壓渦輪間的承力框架上,類似於CF6 50系列的結構。

圖3、採用滾珠、滾棒軸承並列結構的GE90高壓壓氣機前支點

3.2 風 扇

3.2.1 複合材料的風扇葉片

GE90風扇的直徑是目前最大者,為3.1242m,共22片葉片,每片葉片高1.2192m,采

用了寬弦無凸肩的設計,葉尖弦長0.5334m,榫頭寬0.304m。風扇採用了小增壓比(約1.52)、低葉尖切線速度(371m/s)的設計。採用低的葉尖切線速度有助於獲得較好的抗鳥撞擊能力與低的雜訊值。最大爬升速度下的空氣流量為1450kg/s。

由於葉片很長,若採用金屬材料,即使是空心的,葉片也會很重,葉片榫根處以及輪盤強度問題也難以解決。為此,GE公司利用了它為 GE36「無涵道風扇」UDF(見圖4)發展的複合材料寬弦風扇葉片的經驗,在 GE90上採用了複合材料風扇葉片。GE90風扇葉片的高度與弦長僅比 GE36的稍大些。

圖4、GE公司的「無涵道風扇」發動機

風扇葉片的葉身與葉根用IM7中長碳纖維與增強的85517環氧樹脂組成的稱為「大力神」8551 7/IM7複合材料製成一體。在葉身的壓力面上,塗有聚氨酯防腐蝕塗層,葉背上塗有一般的聚氨酯塗層。

為提高葉片抗大鳥撞擊的能力,將鈦合金薄片用3MRAF191膠粘在葉片前緣上。為避免工作中複合材料脫層,在葉尖與後緣處用 Kevlar細線進行了縫合,如圖5所示。

圖5、GE90 複合材料的風扇葉片

用複合材料做成的風扇葉片具有以下特點:重量輕、成本低、抗振性能特別是抗顫振性能特好,具有特別好的損傷容限能力。一般鈦合金葉片如在根部出現裂紋,在工作中裂紋將很快地擴展,影響葉片的正常工作。但複合材料做的葉片,即使出現大的缺口,也不會擴展。

複合材料的風扇葉片抗大鳥撞擊能力不如鈦合金的好,為此風扇設計成小的葉尖切線速度(371m/s),相應的壓比也小。據分析,外物打在葉片上的撞擊能量與葉尖切線速度的二次方成正比。另外,複合材料葉片受到外物撞擊時在彈性變形下,能將撞擊能量吸收並在葉身上重新分布,使它仍然具有能承受較大的外物擊傷能力。

GE90的風扇葉片根部為三角形的燕尾型榫頭,榫頭承受壓力的表面上塗有低摩擦係數的耐磨材料。葉片允許在榫槽中偏擺一定的角度,當葉片受到外物打擊時,能按作用力方向偏擺,減緩了對葉片的衝擊。允許的偏擺角度設計成能承受相鄰的從根部斷裂的葉片斷片對它的撞擊。

由於具有了以上這些特點,使 GE90的複合材料風扇葉片也具有能承受大的外來物(例如3.63kg的大鳥)撞擊的能力。GE90的複合材料風扇葉片還設計成當從葉根斷裂被甩出撞到包容環上時,在徑向衝擊的壓縮負荷作用下容易碎裂變成幾塊碎片。這種設計對包容環特別有利,另外也會減弱碎塊對其他葉片造成的損傷程度。

英國羅·羅公司於20世紀60年代末研製 RB211時,風扇葉片曾採用複合材料;但是這種葉片沒有通過抗鳥打擊的考核,最後不得不改用鈦合金。為此,給人們留下了風扇葉片用複合材料做是不可靠的印象。

GE公司於20世紀60年代末期發展 TF39發動機,也曾將碳素纖維與樹脂合成的複合材料用於風扇葉片,也是由於未能通過吞入0.68kg的鳥試驗而失敗。GE公司在此之後一直未曾間斷對複合材料的應用研究工作,並先後在F103(風扇葉片)、QC-SEE(風扇葉片)等發動機上採用,特別是裝有複合材料風扇葉片的 UDF在地面台架和飛行試車台上進行了超過700h的試驗.並通過了吞入3.63kg大鳥的試驗,所有這些為在 GE90上採用複合材料的風扇葉片打下了堅實的基礎。但是,GE公司為了確保發動機研製計劃的順

利進行,除了開展大量的吸鳥實驗以發展一種真正能為適航當局批准投入航線使用的複合材料葉片外,其合作夥伴———法國SNECMA公司還同時在發展一種備用的鈦合金風扇葉片。

複合材料另一被認為有礙它發展的問題是腐蝕問題;對此 GE公司做了認真分析,並採取措施來提高複合材料葉片抗腐蝕的性能,取得了較好的結果。例如在葉片上塗聚氨酯防腐塗層,採用較小的葉尖切線速度。

因為腐蝕率與葉尖切線速度的三次方成正比,與其他高切線速度的風扇葉片相比,腐蝕率約低50%,因而不僅能防止多種物質(水、燃油、滑油、防冰劑、丁酮和液壓油等)的腐蝕,且葉身被這些物質造成的磨損也較小。塗層工作壽命大於10000h(不可再塗)。

塗聚氨酯的具體做法是:在葉片表面上先塗0.10mm厚的 AF32腈類酚醛底層,然後塗上0.05mm厚的環氧樹脂類的黏合劑,最後再塗上0.4572mm厚的聚氨酯。這種塗層的性能在縮型的複合材料風扇葉片裝於 CFM56 3上進行的吞水試驗中得到驗證。試驗是在起飛狀態下進行的,吞水量為空氣流量的4%,試驗70min,試驗後葉片無腐蝕跡象。

GE90複合材料風扇葉片開始採用小鳥(重113g)作吸鳥實驗,1991年4月通過了吸入1.81kg大鳥的試驗,隨後於1991年5月20日又通過了重3.62kg的模擬大鳥的吞入試驗。試驗後,葉片稍有損傷,但證明這種複合材料風扇葉片能滿足 FAR33部中關於在吸入1.81kg大鳥後發動機仍能安全停車的要求。因此,1991年10月,停止了GE90備用鈦合金風扇葉片的發展工作。GE90的複合材料風扇葉片通過多種試驗,並按試驗結果做了一些修改,於1994年11月4日通過了在發動機上吞入3.632kg大鳥的考核試車。裝複合材料風扇葉片的GE90發動機於1995年2月2日取得了FAA頒發的適航證。

投入使用6年後(230萬發動機飛行小時),風扇葉片經歷了30多次吸鳥事件,其中包括一次重量達1.362kg以上的鳥,而發動機仍可正常工作。至2005年,經過近10年的使用考驗,證明 GE90的複合材料風扇葉片的設計是成功的,因此 GE公司為波音787研製的 GEnx發動機上,也採用了複合材料的風扇葉片。

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