給航空發動機穿上「防彈衣」航發包容環設計和投鳥試驗

最新 06-13

陳光/文

包容環是保護航空發動機的重要部件之一。圍繞風扇葉片的機匣一般稱為包容環,它的功能不僅是氣流通道的機匣,而且還要起到一旦風扇葉片從根部折斷,能將風扇葉片的斷片包容在機匣內的作用。

在早期,低涵道比渦扇發動機的風扇機匣均按一般的機匣設計,並未考慮設置包容環。到了20世紀60年代末發展的高涵道比渦扇發動機,開始將風扇機匣設計成包容環,圖14所示為 RB211-22B的包容環,當時的JT9D與CF6-6基本採用了類似結構,只是在包容環外面作了兩三道加強肋環。

圖14、RB211-22B風扇包容環

RB211-22B 的包容環是在較厚的鋼製機匣內嵌有較厚的鋁製蜂窩層,蜂窩層內環上再嵌上抗磨蜂窩層。當風扇葉片折斷後,其斷片以很大的撞擊力撞到包容環的鋁製蜂窩層上,由於蜂窩層厚度大,在葉片撞到它時使它受到壓縮變形,在變形過程中,吸收了葉片大部分撞擊能量,斷片已無力打穿鋼製厚機匣,因而能將斷片包容住。

GE 公司在CF6-6、CF6-50 與 CF6-80 的基礎上於1985 年發展了CF6 -80C2。它的包容環由鋁合金與凱夫拉複合材料組成,如圖15所示。

它是在衝壓加工的 AL6060 T6鋁合金機匣外,圍有鋁合金蜂窩層(蜂窩內腔尺寸為3.18mm,蜂窩最大厚度為70mm)在蜂窩結構外纏裹了67層凱夫拉帶條,其外再復以一層凱夫拉環氧樹脂保護層,蜂窩層與纏裹層間夾有石墨環氧樹脂。

蜂窩結構的作用是增加機匣的剛性並起到部分包容作用,凱夫拉纏裹層則是包容環的核心,起主要包容作用。當斷片甩出打到凱夫拉纏裹層時,纏裹層會被拉伸向外鼓出,吸收斷片甩出的撞擊能量,從而能將斷片包容住。

圖15、CF6-80C2包容環

這種設計不僅包容能力強,而且重量輕,因而得到廣泛應用。羅·羅公司的 RB211-535E4、RB211-524G/H及遄達700、遄達800,普惠公司的PW4084、GE公司的 GE90均採用了這一設計。

21世紀初,為B787研製的GEnx與遄達1000 用了新的包容環。遄達1000 採用了由Ti 6/4鍛制的帶加強環的環形機匣(同於遄達900),如圖16所示。羅·羅公司稱,這種設計不僅具有足夠的包容能力,而且重量更輕。這是第1次用鈦合金而不是合金鋼作包容環,它已經通過FAA發動機嚴酷的包容試驗,當然今後還需在實際使用中進行考驗。

圖16、遄達900與遄達1000的鈦合金包容環

GEnx風扇機匣採用複合材料製造,這是第1次將複合材料用於大型發動機的機匣,是用複合材料條帶編織成類似草席的結構,如圖17所示。風扇機匣也當作包容環。

複合材料作的機匣包容性能及強度均優於金屬機匣,且重量輕,比金屬機匣輕154kg,一架飛機可減重363kg。另外,它不會腐蝕,便於維護。

圖17、複合材料作的風扇機匣

新研製的風扇葉片與包容環,均須通過FAA的在發動機運行條件下的試驗,才能投入使用。為滿足FAA的要求,研製單位在此之前要進行多種形式的大量試驗,以確保葉片與包容環能通過FAA的考核。

用以考核風扇葉片抗鳥撞擊能力的試驗,是在發動機以100%的轉速下,以一定速度將鳥用壓縮空氣炮打向不同葉高位置處的葉片上,鳥則有中鳥與大鳥兩類,按適航條令FAR33部的規定確定是否通過考核。

用於B747、B767與 A300等飛機的發動機,投鳥試驗時,中鳥試驗為4隻,每隻1.5lb的鳥,大鳥為1隻重4.0lb的鳥。用於B777的發動機,由於推力大,空氣流量大,試驗中,中鳥為4隻,每隻2.5lb,大鳥為1隻重8.0lb的鳥。

包容試驗也稱葉片甩離試驗,考驗發動機的包容環在發動機最大轉速下,風扇葉片從葉根處斷裂後,甩出的斷片能否擊穿包容環竄出。這是一項十分危險、耗費巨大的試驗(試驗成功,報廢一台發動機,試驗失敗可能引發試車台失火)。試驗時有 FAA的代表在場,一般是在各項考核試驗作完後,最後進行的試驗。

試驗時,在一片葉片榫根處,鑽一小孔,孔中埋入一電爆螺栓,當發動機達到最大轉速時,接通電路引爆電爆螺栓,將葉片炸斷,斷片在離心力作用下甩向包容環。包容試驗的評定標準為:斷片包容在發動機內,發動機繼續運轉15s,不引起發動機失火,發動機安裝節未損壞。

中國民用航空局根據美國聯邦航空局FAA頒布的聯邦航空適航標準FAR33部,於1988年2月頒布了《中國民用航空適航規章》第33部「航空發動機適航標準 CCAR 33」,在2002年4月又頒布了修定的《航空發動機適航規定》CCAR33 R1。

隨著發動機吸鳥的事件日益增多,吸進發動機的鳥重量也呈上升趨勢,所造成的危害也日趨嚴重,因而在修訂的適航規定中,對吸鳥試驗的要求作了較大的修訂。在原來的 CCAR33部中,只是在33.76條「外物吸入」中提到吸鳥的要求,對吸鳥的規定也比較簡單,即鳥的重量分三種:(1)小鳥———重85g,每320cm21隻,最多16隻;(2)中鳥———重680g(1.5lb),第1個1940cm2為1隻,每增加3870cm2加1隻,最多8隻;(3)大鳥———重1800g(4.0lb)。

吸鳥試驗後的要求為:吸中鳥不能出現大於25%推力損失,要求發動機吸鳥後5min停車,不引起潛在的危險狀態;吸中大鳥不能引起發動機著火,破裂(非包容),產生過大的載荷,失去停車能力。

在修訂的CCAR33R1中專門增加了一條「第33.76條吸鳥」,其中對鳥的數量與重量規定與進氣道喉道面積即風扇面積A有關。

吸鳥試驗要在發動機穩定於100%推力下進行,對於吸大鳥試驗的規定為:鳥吸入速度為320km/h,吸鳥後15s不能移動油門桿,試驗中不得出現:著火,碎片非包容,過大載荷,失去停車能力。

對於吸中鳥試驗,除對試驗的空速、鳥速與鳥擊位置等作了規定外,還規定了不得引起:推

力損失超過25%,著火,碎片非包容,過大載荷,失去停車能力。對試驗程序也作了規定:從吸入第1隻鳥到最後1隻鳥時間為1s,吸鳥後2min內不能動油門桿,隨後3min,發動機維持在75%最大轉速下,隨後6min,發動機維持在60%最大轉速下,隨後6min,發動機維特在40%最大轉速下,隨後1min,在進場慢車位置,隨後穩定在慢車位置並停車,在以上各種狀態中發動機不得停車。

按照新的CCAR33R的規定,以前定型的許多發動機均不能滿足要求,如表4所列。從表4可以看出,在20世紀90年代以前定型的發動機,包括用於各型B737、B747400、B757、B767、A320、A340與A330等的發動機,在做投鳥取證試驗時,鳥的重量與數量均不符合2002年修訂的適航規定的要求,只有在1995年定型的B777用的三型發動機,滿足要求。

如果上述發動機是按修定適航規定的要求設計風扇葉片的,那麼也不會在近一年中頻繁出現的發動機吸鳥造成客機迫降、取消航班與中途返航的事件: