航空發動機葉片外物損傷研究現狀

廉變峰

（中國航發西安航空發動機有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

在飛機飛行過程中渦輪噴氣發動機是重要的動力裝置，其會吸入一些外來物，當發動機葉片受外物撞擊損傷時，如果外來物為鳥，這種情況下將其作為軟物撞擊，如果外來物為砂礫，石塊等為硬物撞擊，如果外來物為冰雹、冰塊，其面臨硬物損傷或軟物損傷是與冰塊的強度相關的。當外界環境溫度較高時，冰塊硬度低為軟物反制為硬物，由于外來物導致的損壞，可將其作為外物損傷。當前全球航空發動機通用規范中，針對葉片抗外物損傷進行了準確規定，因此針對葉片外物損傷的相關研究，其對于航空發動機正常運行具有十分重要的意義。

1 葉片鳥撞擊損傷

對于航空發動機鳥撞擊葉片損傷，其是由于外物損傷使飛機發生事故的主要影響因素，鳥類在飛行過程中會被吸入發動機中，只有會對航空發動機內部的葉片和風扇。通常，所吸入的發動機流速為每秒100~300米，基于這種較快的速度下要具有較高動能，當其撞擊葉片會導致葉片形成變形，甚至還會使葉片存在塑性變形，導致葉片局部凹陷引發葉根變形，由于鳥撞擊葉片會形成一系列的破壞和變形，進而使航空發動機轉子處于失衡狀態，無法確保時間正常運行，因此鳥撞擊發動機葉片形成的損傷將會從一定程度上影響航空發動機的正常運行。

1.1 理論研究

在空中處于飛行狀態，鳥將其吸入航空發動機后由于高速轉動的液壓氣機，葉片和風扇受到的切割作用會使葉片產生一系列的損傷和變形。為計算和響應鳥撞擊葉片，需要通過鳥狀的葉片切割模型進行載荷模型的確定。國外研究學者Boehman等人預估了鳥和冰撞擊結構等模型，如果忽略鳥類與葉片之間的摩擦作用力以及兩者之間的切割作用力，構建鳥類撞擊葉片的模型，此時僅需結合鳥被切割不同部位的質量、大小，當前可利用橢球體和圓柱體這兩種模擬鳥模型。除此之外，在20世紀70年代，Barbr等人利用實驗數據分析鳥類撞擊飛機的具體過程，構建相應的載荷模型，指出當鳥飛行速度高于每秒50米時，在撞擊的過程中會發生流變，主要由于鳥體減速會形成較大應力，其是高于鳥體本身屈服強度的。鳥撞擊為一種非恒定流體動力學過程，從一定程度上來看，鳥撞擊載荷是流體與靶體中的鳥張極靶體共存在4個過程，具體涉及初始撞擊，壓力衰減，流動恒定以及流動結束過程。在本研究中使用孔隙率為10%的明膠，并將其制作2:1長徑比的圓柱體進行實驗模擬，如下所示為鳥撞擊靶體的4個階段圖。

圖1 鳥撞擊靶體的4個階段圖

1.2 計算過程

為計算葉片鳥撞擊過程需依靠強大計算功能的工具，同時還需要利用鳥撞擊時間作為前提，準確描述鳥撞擊的物理過程，所以現在計算機發展和應用有限緣法逐漸體現其數值計算優勢，目前，有限元分析法融合了數據結構分析，計算機輔助設計，輔助制造軟件等，這些方法可用于分析計算鳥撞擊損傷。在鳥撞擊葉片損傷模型計算中，20世紀80年代由南京航空航天大學研究學者開展大量分析，具體涉及多葉片及整機風扇葉片的雙擊瞬帶響應，以及平板葉片鳥撞擊聲的響應，近年來研究學者提出可采用計算機軟件，即DYTRAN等計算整機風扇葉片、多葉片及單葉片，單鳥、群鳥等撞擊響應反饋模型，并基于此獲得了大量成果。此外，近年來在葉片鳥撞擊計算中，研究學者提出也可采用光滑粒子流體動力學法進行分析，國外研究學者JetelIier等人利用有限元軟件構建葉片模型。同時采用SPH針對鳥體構建模型，能夠融合SPH與有限元兩種計算方法，由于無網格法無需借助網格。尤其在網格移動和即便問題中具有顯著優勢，因此可將無網格法用于分析鳥撞擊葉片模型中[1]。

1.3 實驗分析

鳥撞擊葉片的實驗是撞擊損傷機制研究的重要途徑，可結合實驗條件將其分為不同狀態，包括單葉片靜止（旋轉）狀態，整機輪盤，旋轉狀態整機輪盤以及整機吞咽實驗等，可將外物發射器，防護裝置，葉片事件，固持裝置測速儀數據采集系統作為實驗所需要的設備和儀器，國外研究學者 R OB ert等人闡述了多種葉片鳥撞擊的計算分析，通過研究提出不同類型的葉片涉及三種發動機，一級轉子葉片和不同尺寸平板可用于模擬鳥的飛行方向，包括斜方向、正方向，以分析方向對于葉片位置的撞擊影響，葉片狀態包含靜止狀態，旋轉狀態，不分級及等級旋轉，可清楚記錄材料應變及葉片損傷情況[2]。

2 葉片并損傷

在飛機飛行過程中經常會穿越冰雹區域，進而可能會面臨冰雹撞擊飛機的問題，目前可通過氣象預測的方式繞過冰雹區域，一般來說這種問題無法完全避免。但有時無法避免。在20世紀50年代，美國研究學者對冰雹撞擊飛機影響進行深入分析，提出冰塊由于其硬度不同，可將其作為轉物或硬物，作為軟物撞擊時，其葉片形態會出現與鳥類似的流變，而當冰塊作為硬物撞擊時，葉片損傷主要位于初始撞擊區域，相對來說金屬具有良好延展性，不同硬度的冰塊經撞擊后會被破碎為小冰塊。在1974年Johns等人分析了兩種復合材料風扇葉片實驗結果，采用的撞擊物包括25.4毫米直徑的冰球凝膠與有機硅膠泡沫材料混合物，小沙粒等。 Cook等人利用石墨環氧樹脂材料進行外物撞擊實驗，分析其外物為冰鋼彈球形凝膠并比較損傷前后的試驗數據，提出小尺寸及完整尺寸試件具備縮放性。Reddy等人分析鳥撞擊葉片的相關損傷，利用軟件blasim進行計算分析[3]。

3 硬外物損傷葉片研究

當硬物損傷航空發動機時，其會附著于低溫端風扇、工作葉片和壓氣機整流葉片中，通常，硬物撞擊會使發動機葉片前緣受到損傷，具體表現為撕裂，缺口，凹坑等，甚至還會導致熱脹，突層受損，葉片前緣裂痕，長久下去會導致疲勞裂縫的產生，進而影響葉片壽命[4]。在葉片硬物損傷研究中，通過分析發現葉片與軟物撞擊前后的損傷情況基本一致，此外需關注損傷對于疲勞強度產生的影響。Kaufman等人對外物損傷部位類型對于疲勞強度的影響。1980年由Nscholas等人分析鈦合金受到硬物損傷后產生的影響，并進一步定量分析外物損傷的概念界定。除此之外，國內外研究學者分析了不同葉片撞擊角度對于疲勞強度的影響，Chen等人針對外物對葉片撞擊損傷模型，采用有限元分析法分析了三種常見的外物損傷方式，計算殘余應力。結合Nowell等人在分析過程中，采用分步加載的方式給該試件設定疲勞載荷數值，使其能夠處于損傷后的疲勞強度范圍。通過研究分析葉片受損的前緣范圍，沖擊角度以及葉片棱角產生的作用，研究表明葉片的損傷程度從一定程度上來看對于試件疲勞強度會產生較大影響[5]。

4 結語

總而言之，本研究針對當前航空發動機葉片外物損傷接著進行深入探究，能夠從葉片鳥撞擊損傷，葉片冰損傷以及葉片硬外物損傷這三個方面進行闡述。未來隨計算機技術的發展，需進一步闡述葉片鳥撞擊外物損傷的仿真技術，新數值方法，應用負荷材料本構關系，進而完善鳥撞擊損傷的相關設計準則，構建葉片抗硬外物損傷準則以及可維修準則。