V2500進(jìn)氣道聲襯結(jié)構(gòu)典型損傷修理淺析

劉偉 劉燕濤

摘要：以V2500發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道聲襯結(jié)構(gòu)表面金屬絲網(wǎng)典型的分層損傷為例，淺析其檢查修理方法，并結(jié)合維修過程中的實際經(jīng)驗數(shù)據(jù)，對不同程度損傷修理方法的選用進(jìn)行分析總結(jié)，提出使用低粘性膠帶檢測法可以更加準(zhǔn)確地檢查判定修理損傷，降低修理后分層損傷繼續(xù)擴(kuò)展的風(fēng)險，減少不必要的臨時停場換件。同時，針對大面積金屬絲網(wǎng)分層損傷提出了經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的金屬絲網(wǎng)更換方案，可在不影響原有進(jìn)氣道聲襯結(jié)構(gòu)有效消音面積的情況下對損傷進(jìn)行修復(fù)。

關(guān)鍵詞：修理；聲襯；分層；金屬絲網(wǎng)；進(jìn)氣道

Keywords：repair；acoustic liner；delamination；wire mesh；inlet cowl

0 引言

大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)作為目前商用飛機(jī)最可行的推進(jìn)方式，擁有功率大、油耗低的優(yōu)點。其噪聲主要包括風(fēng)扇噪聲、核心機(jī)噪聲以及噴流噪聲。隨著涵道比的不斷增加，噴流速度逐漸降低，噴流噪聲所占的比重也越來越小，風(fēng)扇噪聲已經(jīng)成為現(xiàn)代大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)最主要的噪聲源，而在短艙內(nèi)鋪設(shè)聲襯是目前最有效的抑制風(fēng)扇噪聲的方法[1]。進(jìn)氣道作為重要的發(fā)動機(jī)短艙部件，聲襯結(jié)構(gòu)對前端風(fēng)扇噪聲起到了很好的抑制作用。

A320飛機(jī)進(jìn)入中國已經(jīng)20多年，在機(jī)隊運行中經(jīng)常會遇到V2500進(jìn)氣道消音板聲襯結(jié)構(gòu)損傷（見圖1），其中最典型的是表面金屬絲網(wǎng)分層，此類故障對發(fā)動機(jī)的正常工作、飛機(jī)的正常運營乃至飛行安全都有重要影響。在實際維修過程中，手冊給定的檢查辦法難以滿足實際工作需求，很難檢查出消音板聲襯結(jié)構(gòu)表面區(qū)域較小或者金屬絲網(wǎng)貼合平整的分層區(qū)域，對于甄別粘接強(qiáng)度不足的潛在分層區(qū)域更是增加了難度。如果首次維修不能完全檢查并去除損傷及其周邊的潛在分層、完成對損傷區(qū)域的修理，投入運營不久將在修理區(qū)域周圍繼續(xù)產(chǎn)生新的分層損傷，不僅會產(chǎn)生不必要的臨時停場，還會再次擴(kuò)大修理堵塞區(qū)域，使得航線可修裕度進(jìn)一步縮小?，F(xiàn)有維修資料給定的修理方法會在原始消音板聲襯結(jié)構(gòu)上造成不可恢復(fù)的堵塞區(qū)域，影響進(jìn)氣道對發(fā)動機(jī)風(fēng)扇噪聲的實際降噪作用，且修理范圍十分有限。如果航空公司備件不足，可能會對飛機(jī)的正常運行造成影響。

1 進(jìn)氣道聲襯結(jié)構(gòu)介紹及現(xiàn)有典型損傷修理說明

1.1 聲襯結(jié)構(gòu)介紹

進(jìn)氣道聲襯結(jié)構(gòu)是一種基于共振吸聲結(jié)構(gòu)制造的蜂窩穿孔板，由一定厚度的蜂窩芯材和上下兩層面板組成，其中上層為鉆有一定數(shù)量孔眼的穿孔板或者金屬絲網(wǎng)和開孔碳纖織網(wǎng)復(fù)合粘接層（見圖2）。當(dāng)聲波進(jìn)入蜂窩芯格后，蜂格中的空氣被擾動，使聲波變成熱能消散掉，起到降噪的作用。這種結(jié)構(gòu)重量輕、強(qiáng)度高、剛性大、穩(wěn)定性好，降噪效果良好[2]。例如，CFM56-5B發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道聲襯結(jié)構(gòu)面積為3831[3]，而V2500-A5發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道聲襯結(jié)構(gòu)面積已達(dá)到4097，是風(fēng)扇機(jī)匣區(qū)域聲襯面積的2.6倍[4]。

1.2 聲襯結(jié)構(gòu)典型損傷情況

V2500進(jìn)氣道聲襯結(jié)構(gòu)的表面金屬絲網(wǎng)與下層開孔碳纖織網(wǎng)通過環(huán)氧樹脂膠粘接在一起，內(nèi)部的芯材為大孔徑Nomex蜂窩。由于長期處于風(fēng)扇噪聲區(qū)域，部分金屬絲網(wǎng)會產(chǎn)生塑性變形，分散的小鼓泡外觀明顯可見。在復(fù)雜運行情況下，隨著使用壽命的增加，粘接劑老化，粘接強(qiáng)度下降，聲襯結(jié)構(gòu)表面的金屬絲網(wǎng)經(jīng)常會與碳纖織網(wǎng)脫開分層。金屬絲網(wǎng)分層區(qū)域更容易造成水汽存留，如果得不到及時檢修，在高速引氣流的作用下，分層損傷會進(jìn)一步擴(kuò)大，甚至導(dǎo)致聲襯結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，嚴(yán)重影響飛行安全。隨著機(jī)隊機(jī)齡的增長，現(xiàn)有手冊方案在損傷檢查方法和修理適用范圍也暴露了一定的局限性。

1.3 手冊檢查修理方法

現(xiàn)有維修手冊對于此類損傷的推薦檢查辦法為敲擊測試和目視檢查，但在實際維修工作中，這兩種辦法很難發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)較小或者表面貼合平整的分層區(qū)域。借助輔助光源檢查和表面按壓檢查雖然可以很好地確定表面帶有微量起伏的分層區(qū)域，但同樣很難發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)表面貼合平整的分層區(qū)域。

對于不超過144（A1構(gòu)型為72）的小區(qū)域表面金屬絲網(wǎng)損傷（如撕裂、穿孔、分層），現(xiàn)有手冊修理會將損傷的金屬絲網(wǎng)去除后進(jìn)行填膠鋪布修理[5]，經(jīng)過這樣修理的區(qū)域會產(chǎn)生消音堵塞區(qū)，失去原有的降噪功能。對于單塊聲襯結(jié)構(gòu)表面金屬絲網(wǎng)損傷區(qū)域超過144（A1構(gòu)型為72）的情況，需要向OEM申請超規(guī)范修理批準(zhǔn)。當(dāng)累積消音堵塞面積超過300（A1構(gòu)型為137）時，則需要更換新的消音板，以恢復(fù)進(jìn)氣道消音聲襯結(jié)構(gòu)的降噪性能，滿足持續(xù)適航要求。

通過對進(jìn)場檢修進(jìn)氣道的長期觀察發(fā)現(xiàn)，隨著使用時間的延長，部分進(jìn)氣道的聲襯結(jié)構(gòu)修理區(qū)域會在周圍區(qū)域繼續(xù)產(chǎn)生表面金屬網(wǎng)分層，而修理鋪層仍然粘接狀態(tài)良好。究其原因，新出現(xiàn)的金屬絲網(wǎng)分層在損傷去除時，其實際接合面粘接劑已經(jīng)老化，與底層開孔碳纖維織網(wǎng)的粘接強(qiáng)度不足，但由于沒有出現(xiàn)直觀的分層損傷，一般檢查過程無法發(fā)現(xiàn)此類粘接強(qiáng)度不足的區(qū)域，而恢復(fù)運行后很快就會出現(xiàn)新的分層。對于缺少備件的航司來說，再次拆換維修進(jìn)氣道不僅要考慮高昂的短期租借費用，還要面對不可逆轉(zhuǎn)的大面積修理區(qū)域消音堵塞問題。

因此，為保證航空器持續(xù)適航，滿足飛機(jī)運行要求，及時地發(fā)現(xiàn)此類聲襯結(jié)構(gòu)表面損傷、準(zhǔn)確評估優(yōu)選方案、合理選擇實施修理就顯得尤為重要。

2 聲襯結(jié)構(gòu)典型損傷的檢修建議

基于現(xiàn)有手冊方案的影響，根據(jù)實踐生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié)補(bǔ)充的低黏性膠帶粘接檢查辦法可以盡可能地延長修理壽命，避免損傷短期內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)展產(chǎn)生不必要的臨時停場拆換。而經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的表面金屬絲網(wǎng)更換方案則可以更大限度地擴(kuò)充可修范圍，降低高昂的換件成本。具體檢修建議如下。

2.1 檢查確定損傷范圍

使用低黏性膠帶粘接檢查辦法，準(zhǔn)確劃定分層區(qū)域和粘接狀態(tài)嚴(yán)重退化的粘接失效區(qū)域。在不破壞原有進(jìn)氣道聲襯結(jié)構(gòu)表面金屬絲網(wǎng)粘接強(qiáng)度的同時，全面發(fā)現(xiàn)并去除損傷，有效降低表面修理區(qū)域再度發(fā)生分層的風(fēng)險，提高停場檢修的可靠性，盡可能避免短期修理后的臨時拆換，保障機(jī)隊正常運行。

具體辦法是將小塊低黏性膠帶粘貼在疑似分層區(qū)域處，緩慢垂直撕拉。如果粘貼的金屬絲網(wǎng)表面有起伏，則可以確定該區(qū)域存在分層；如金屬絲網(wǎng)與本體結(jié)構(gòu)貼合完好、絲毫未動，則該區(qū)域粘接狀態(tài)良好。實測數(shù)據(jù)顯示，V2500進(jìn)氣道的金屬絲網(wǎng)與碳纖織網(wǎng)的實際粘接強(qiáng)度不小于7N/cm（17.78 N/in）。

借助3M膠帶技術(shù)數(shù)據(jù)單（TDS）中不同膠帶對鋼的ASTM D-3330標(biāo)準(zhǔn)粘接強(qiáng)度值，通過理論計算可以獲得不同膠帶按照ASTM D-3167標(biāo)準(zhǔn)測試的理論粘接強(qiáng)度值[6-8]。再將不同的3M膠帶粘貼在V2500進(jìn)氣道試樣表面，按照ASTM D-3167標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行浮輥剝離測試，獲得膠帶的實際粘接強(qiáng)度值[9]。對比兩列數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，實測最大值與理論計算值基本一致（見表1）。

通過對照表1中三種不同3M膠帶ASTM D-3167標(biāo)準(zhǔn)測試的理論粘接強(qiáng)度值，可以判斷選用3M Tape 232和3M Tape 8902進(jìn)行低黏性膠帶粘接檢查金屬絲網(wǎng)分層是可行的。而3M 425的理論粘接強(qiáng)度接近原始金屬絲網(wǎng)的粘接強(qiáng)度17.78N/in，不建議在引入時間較長的進(jìn)氣道上使用，以防止在撕拉去除膠帶的過程中產(chǎn)生額外的金屬絲網(wǎng)分層損傷。

2.2 選擇適用的修理方案

在V2500進(jìn)氣道單塊消音板金屬絲網(wǎng)損傷區(qū)域不超過144（A1構(gòu)型為72）的情況下，可以參考前述流程檢查確定損傷，選擇適用的手冊方案完成修理。

對于單塊消音板金屬絲網(wǎng)損傷區(qū)域超過200（A1構(gòu)型為112）、接近300（A1構(gòu)型為137）的情況，可以向OEM申請批準(zhǔn)超規(guī)范修理方案，但需做好進(jìn)一步工程評估，因為修理后會出現(xiàn)大面積消音堵塞區(qū)域，接近手冊規(guī)定的累積消音堵塞面積極限，導(dǎo)致后續(xù)航線可修理裕度很小，再次維護(hù)成本將大幅度提高。此時，經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的表面金屬絲網(wǎng)更換方案會是更好的選擇，可以在保證原有消音聲襯結(jié)構(gòu)面積的前提下修復(fù)大面積金屬絲網(wǎng)分層損傷。

近年來，國內(nèi)企業(yè)復(fù)合材料維修能力不斷提升，一些工程技術(shù)能力較強(qiáng)的航司和MRO已經(jīng)具備了此項表面金屬絲網(wǎng)更換能力。OEM修理廠也在緊跟市場需求，積極開發(fā)使用此類經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的維修方案。

3 結(jié)束語

隨著我國民航業(yè)的發(fā)展，關(guān)于飛機(jī)噪聲的研究不斷深入，發(fā)動機(jī)聲襯結(jié)構(gòu)降噪技術(shù)受到更多的關(guān)注。國產(chǎn)大飛機(jī)商業(yè)運營時代已經(jīng)開啟，作為工程技術(shù)人員當(dāng)響應(yīng)新時代民航強(qiáng)國戰(zhàn)略發(fā)展要求，不斷提升自主創(chuàng)新和工程實踐能力。

本文以典型的V2500發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道聲襯結(jié)構(gòu)表面金屬絲網(wǎng)分層損傷為例，淺析其檢查修理辦法，并根據(jù)實際維修經(jīng)驗提出適當(dāng)檢查修理建議，增強(qiáng)修理的耐久性和可持續(xù)性。通過對進(jìn)氣道聲襯結(jié)構(gòu)表面損傷范圍的準(zhǔn)確判定，快速選擇解決方案，保障飛機(jī)的適航安全和平穩(wěn)運營。

參考文獻(xiàn)

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[9] ASTM International. Standard Test Method for Floating Roller Peel Resistance of Adhesives [S]. 2017.

作者簡介

劉偉，工程師，主要從事民用航空飛機(jī)結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料維修工作。

劉燕濤，高級工程師，主要從事民用航空飛機(jī)復(fù)合材料及機(jī)體部件維修管理工作。