某受鳥擊發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷及運(yùn)行分析

姬鵬飛 任炎炎 吳憲 林育森

摘要：針對(duì)一臺(tái)發(fā)生鳥擊的CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)，分析了飛行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了分解檢查，研究了鳥擊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的直接和間接損傷。以此為基礎(chǔ)分析總結(jié)了鳥擊發(fā)生后發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。

關(guān)鍵詞：鳥擊；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；損傷分析；運(yùn)行分析

Keywords：bird-strike；aero-engine；damage analysis；operation analysis

0 引言

鳥擊是指飛行中的飛行器與鳥類或蝙蝠發(fā)生碰撞的事件 [1] 。鳥擊對(duì)飛行器的危害很大，甚至可能造成飛行器墜毀。有研究表明，鳥擊造成飛機(jī)墜毀的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)因遭受鳥擊而失效 [2] 。

鳥擊對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)造成的損傷主要為葉片損壞甚至脫落，進(jìn)而造成旋轉(zhuǎn)失速和喘振。鳥擊產(chǎn)生的殘骸還會(huì)隨氣流通道移動(dòng)進(jìn)而引發(fā)流道阻塞，導(dǎo)致包括冷卻失效在內(nèi)的其他故障，最終導(dǎo)致推力損失和空中停車等嚴(yán)重事故 [3-4] 。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)管理與送修而言，鳥擊發(fā)動(dòng)機(jī)的情況很復(fù)雜，加大了工作范圍制定的難度，修理過程中又涉及性能和成本間的平衡，這些均給鳥擊發(fā)動(dòng)機(jī)的管理與送修帶來挑戰(zhàn)。

對(duì)鳥擊后發(fā)動(dòng)機(jī)的研究有助于分析鳥擊造成的損傷，了解鳥擊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)修理特別是視情維修等都有現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對(duì)一臺(tái)發(fā)生鳥擊的CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)，分析其飛行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解檢查，研究了鳥擊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的直接和間接損傷，并以此為基礎(chǔ)分析總結(jié)了鳥擊發(fā)生后發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。

1 在翼監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

某航班在起飛階段報(bào)告發(fā)生劇烈振動(dòng)，推力損失，后經(jīng)確認(rèn)為鳥擊事件。

提取在翼監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)后，對(duì)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、排氣溫度、燃油流量、低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)、高壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行了分析，如圖1所示。最先發(fā)生變化的參數(shù)是低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)，因此假設(shè)低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)發(fā)生躍升的時(shí)間為鳥擊發(fā)生的時(shí)間T0。

從T0開始，低壓、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和燃油流量開始發(fā)生波動(dòng)。T0+1s時(shí)低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)瞬間超過記錄極限5Unit，一直持續(xù)到鳥擊發(fā)生約2min后發(fā)動(dòng)機(jī)減速到慢車時(shí)才降低到3.8Unit左右，已經(jīng)接近下發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的4Unit。高壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)也在鳥擊瞬間迅速增大，并于T0+3s超過記錄極限5Unit。但高壓振動(dòng)在T0+12s開始迅速降低，之后保持在1Unit以下。

排氣溫度從T0+1s開始逐漸增加，結(jié)合燃油流量的變化可以推斷發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率逐漸惡化。排氣溫度到T0+12s時(shí)達(dá)到最高，之后開始降低，這是由于燃油流量從T0+10s開始明顯下降。放氣活門也在T0+10s被開啟，因此判斷在T0+10s附近發(fā)動(dòng)機(jī)觸發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速而引發(fā)喘振保護(hù)，主動(dòng)降低了燃油流量，并開啟了放氣活門。受此影響高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速顯著下降，隨后高壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)大幅下降。

T0+10s之后雖然油門桿依舊保持在起飛狀態(tài)，但發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速只保持在87%附近，顯示發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的推力損失。T0+28s后飛行員收油門將發(fā)動(dòng)機(jī)推力主動(dòng)降低到巡航推力附近，后又降低至慢車。隨后飛機(jī)依靠另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)成功降落。

2 損傷分析

該發(fā)動(dòng)機(jī)在航班結(jié)束后進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)受損嚴(yán)重，如圖2所示。隨后該發(fā)動(dòng)機(jī)被換下，送往大修廠進(jìn)行維修。

2.1 外觀檢查

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)廠后，首先使用黑光燈對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外圍進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇葉片等多處有明顯的熒光反應(yīng)，如圖3所示，進(jìn)一步確認(rèn)該發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生鳥擊。

檢查發(fā)現(xiàn)損壞最為嚴(yán)重的葉片存在面積最大的熒光痕跡，并存在明顯的材料缺失，其相鄰兩葉片上也發(fā)現(xiàn)了明顯熒光痕跡，因此判斷該葉片即為被鳥擊中的位置。其他風(fēng)扇葉片和風(fēng)扇包容機(jī)匣也發(fā)現(xiàn)一些熒光痕跡。其中，風(fēng)扇葉片出現(xiàn)彎曲、葉尖撕裂等損傷，風(fēng)扇機(jī)匣出現(xiàn)撞擊損傷，經(jīng)過判斷是由鳥的殘骸和受到撞擊后脫落的葉片材料共同導(dǎo)致的。此外，風(fēng)扇葉片的損傷所導(dǎo)致的低壓轉(zhuǎn)子不平衡也被認(rèn)為是發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子高振動(dòng)的主要原因。

檢查后部的風(fēng)扇出口靜子葉片，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷及熒光痕跡，而對(duì)內(nèi)涵道的黑光燈檢查沒有發(fā)現(xiàn)明顯熒光痕跡，因此認(rèn)為鳥在撞擊到風(fēng)扇葉片后其殘骸大部分隨著外涵道氣流流動(dòng)，經(jīng)過外涵道離開了發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.2 內(nèi)部檢查

經(jīng)過全面的內(nèi)部分解檢查，除外部檢查暴露的直接損傷外，鳥擊對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)造成的損傷大體上可分為靜轉(zhuǎn)子接觸類損傷和附著物兩類。

1）靜轉(zhuǎn)子接觸類損傷

發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部分解檢查結(jié)果顯示，壓氣機(jī)機(jī)匣表面存在刮磨痕跡（見圖4），與之配合的壓氣機(jī)葉片葉尖發(fā)現(xiàn)刮磨和部分材料缺失（見圖5）；葉片前后緣發(fā)現(xiàn)刮磨；渦輪葉片和與之配合的罩環(huán)之間也發(fā)現(xiàn)刮磨；對(duì)葉片高度的測(cè)量結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的葉高損失嚴(yán)重。此外，多處篦齒封嚴(yán)面之間發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重磨損?？梢姡B擊發(fā)生后，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致靜子和轉(zhuǎn)子之間無法保持合適間隙，靜轉(zhuǎn)子發(fā)生接觸刮磨。

高壓轉(zhuǎn)子的檢查顯示，高壓轉(zhuǎn)子的損傷導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子不平衡并不是造成高壓振動(dòng)大幅增長的主要原因。在翼監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，高壓振動(dòng)在鳥擊發(fā)生后12s左右就隨著發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速觸發(fā)喘振保護(hù)而明顯恢復(fù)。因此，判斷認(rèn)為造成高壓轉(zhuǎn)子高振動(dòng)的主要原因是旋轉(zhuǎn)失速。

2）附著物

檢查中發(fā)現(xiàn)，燃燒室、高壓渦輪及低壓渦輪氣流通道部件上均有黑色附著物，如圖6所示。

在對(duì)黑色附著物取樣后進(jìn)行了掃描電鏡–能譜分析。表1為附著物能譜分析結(jié)果，可見附著物中主要含有氧鋁硅鎳四種元素。

將該附著物的成分與CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)部件的材料進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)低壓壓氣機(jī)耐磨層的成分與能譜分析結(jié)果相符。

分解檢查的結(jié)果也顯示低壓壓氣機(jī)耐磨層出現(xiàn)了嚴(yán)重刮磨，大量耐磨層材料被刮下，如圖7所示。因此，判斷附著在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)黑色附著物中的鋁、硅主要來自于低壓壓氣機(jī)耐磨層的鋁硅聚酯纖維涂層 [5] ，而其中的鎳元素應(yīng)來自于被刮磨的鎳基高溫合金。

從以上結(jié)果可以得出，鳥擊發(fā)生后，低壓壓氣機(jī)葉片與耐磨層之間產(chǎn)生嚴(yán)重刮磨，耐磨層材料沿發(fā)動(dòng)機(jī)氣流通道流動(dòng)，在經(jīng)過燃燒室、高壓渦輪及低壓渦輪時(shí)，受高溫影響又重新附著在發(fā)動(dòng)機(jī)部件上。

3）鳥擊發(fā)動(dòng)機(jī)損傷總結(jié)

進(jìn)廠檢查的結(jié)果顯示，鳥擊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的直接損傷主要集中在風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇包容機(jī)匣等外涵部件。同時(shí)，鳥擊也間接造成了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部部件的損傷，包括壓氣機(jī)、渦輪葉片與機(jī)匣等配合件、篦齒封嚴(yán)等部件。

風(fēng)扇作為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力的主要部件，它的損傷會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力和氣動(dòng)效率。靜轉(zhuǎn)子接觸損傷造成的影響包括：葉片和機(jī)匣的損傷，進(jìn)而影響葉片葉形；加大葉片與機(jī)匣的間隙，從而影響氣動(dòng)效率；脫離的材料還會(huì)造成其他部件的損傷；篦齒封嚴(yán)的磨損，增加漏氣量進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率。附著物附著在葉片表面會(huì)改變?nèi)~片葉形，影響氣動(dòng)效率；附著在氣膜冷卻通道會(huì)造成冷卻通道阻塞，進(jìn)而造成燒蝕等。這也解釋了鳥擊發(fā)生后發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行持續(xù)惡化，進(jìn)而發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速和推力損失的原因。

3 鳥擊后發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況

綜上所述，鳥擊發(fā)生后，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片被鳥直接命中，鳥的殘骸和脫落的發(fā)動(dòng)機(jī)材料隨氣流流動(dòng)損傷了其他風(fēng)扇葉片及其他發(fā)動(dòng)機(jī)部件，隨后，大部分殘骸隨著氣流流經(jīng)外涵道離開發(fā)動(dòng)機(jī)。

風(fēng)扇葉片的損傷造成了低壓轉(zhuǎn)子不平衡，導(dǎo)致低壓轉(zhuǎn)子劇烈振動(dòng)。振動(dòng)導(dǎo)致了靜轉(zhuǎn)子接觸和附著物的產(chǎn)生，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率顯著降低。發(fā)動(dòng)機(jī)隨后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速并導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)增加，加劇了靜轉(zhuǎn)子接觸，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)一步惡化，排氣溫度持續(xù)增加。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到旋轉(zhuǎn)失速并觸發(fā)旋轉(zhuǎn)失速和喘振保護(hù)，抑制了旋轉(zhuǎn)失速。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)無法維持起飛推力的轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)推力明顯損失。最后飛行員主動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)推力直至慢車，航班依靠另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)安全降落。

4 結(jié)束語

本文研究總結(jié)了某受鳥擊的CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷情況和鳥擊后發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)和修理特別是針對(duì)性的視情維修有現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡介

姬鵬飛，工程師，主要從事CFM56、LEAP系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修工作。