航空發動機的“天敵”飛鳥的危害和預防措施，給航發裝上金鐘罩

陳光/文

2009年1月15日,全美航空公司1549航班的A320客機在紐約起飛後,爬升到900m高度時,遭遇群鳥的撞擊,兩臺發動機吸入大鳥,造或雙發瞬間停車。在飛機失去動力後,駕駛員臨危不懼將飛機成功迫降在哈德遜河面,機上155人全部獲救,譜寫了一個驚奇動人的篇章。

人們在高度讚揚駕駛員高超的技術與心理素質的同時,也對小小的飛鳥為何能對龐大的飛機與它的發動機造成大的危害,感到懷疑。

目前,已經有多篇文章對鳥撞飛機的機理與危害作了論述,看來能解決這個疑問。但鳥“撞”發動機的概率在鳥撞飛機中佔有較大的比例,鳥“撞”發動機的危害更為嚴重的事實,可能還是少有人知。

波音公司曾對該公司的B737、B747、B757與B767四型飛機,在1982年1月到1993年6月期間遭鳥撞擊包括對發動機的撞擊的事例進行了統計,表1列出了其統計結果。

表1波音公司四型飛機遭鳥擊的統計數據(1982.1~1993.6)

從表1的數據可以看出,波音公司的四型飛機中,鳥撞擊發動機佔鳥撞飛機全部事件中的3/4左右,其結果與英國民航局 CAA 及國際民航組織ICAO 統計的數據基本一致① ,說明鳥撞飛機事件中,絕大多數是撞到發動機上,其原因主要如下。

首先,這是因為發動機與發動機短艙的迎風面積佔整個飛機迎風面積的比例較大(如表2所列),也即鳥撞飛機時,撞到發動機上的概率比撞到飛機其他部位較大。

表2波音公司各型客機迎風面積與發動機/短艙的迎風面積

其次,也是更重要問題在於工作中的發動機會以較大的速度(發動機進口處的空氣流速約為100~120m/s)吸入大量空氣(如表3所列),在吸入空氣的同時,也會將飛機前方空氣中的雜物如砂石,碎片,鳥禽等吸入,其吸力是非常巨大的,很大很重的鳥也能吸入,並以較大的速度撞到發動機中高速旋轉的風扇葉片上。

不僅鳥能被髮動機吸入,連重達幾十千克的人,也能被髮動機吸入。

例如:2002年4月20日14時左右,一名中國國際航空公司的機務人員,在日本大版關西國際機場,被本公司的一架正在向起飛跑道滑行的B767發動機吸入,該機務人員當場死亡,並將發動機打壞,飛機不得不拆換髮動機。

又如,2006年5月12日下午,在哈爾濱太平國際機場,一架滑行到起飛跑道中的波音737 800型客機將地面一名男子吸入發動機內,造成該男子當場死亡。

在這兩起事故中,發動機均是在低工況下工作的,即使這樣,也能將人吸入;如果在飛機起飛過程中,發動機工作於最大工況下,其吸力之大可想而知。因此,嚴格講,此類事故不能稱鳥撞擊發動機,而應稱發動機吸鳥,國外大多數資料均稱發動機吸鳥。

表3、幾型飛機單臺發動機吸氣量

發動機吸鳥的危害

圖1、1995年11月波音737 300著陸時,發動機(CFM56 3)吸鳥後風扇受損

發動機吸鳥造成的危害,遠大於鳥撞飛機其他部位,這是因為發動機內的最前端是高速旋轉的風扇葉片,葉片尖部的周向速度高達350~450m/s,當鳥被吸入發動機撞到風扇葉片時,會造成較大損傷,如圖1~圖5所示。

圖2、1998年1月B747起飛時，JT9D發動機吸鳥破壞

如果將葉片打斷,斷片會隨氣流流向後方。斷片流到風扇後的增壓壓氣機、高壓壓氣機等重要部件中,又會進一步造成更大的損傷,嚴重時會造成發動機停車。如果斷片在離心力作用下擊穿機匣,則會打壞飛機上其他部件,造成危害飛機安全的“二次損傷”。

圖3、2001年7月 A300發動機吸入加拿大鵝造成的損傷

在鳥撞飛機事故中,發動機吸鳥造成災難性事故佔很大部份,例如:1975年11月一架三發DC 10客機在紐約起飛時,一臺發動機吸鳥後造成飛機起火(如圖6所示),機上138人逃離火海,但飛機燒燬。

1995年9月22日一架 E3預警機起飛時遭到30多隻加拿大鵝的撞擊,2號發動機吸入3只,1號發動機吸入1只,造成飛機墜毀(參見圖5),機上24人無一倖免。

圖4、 2003年7月一架 KC 135加油機起飛時發動機吸入野生火雞而損壞

1988年巴黎航展開幕式當天,蘇聯的米格 29戰鬥機進行飛行表演,飛機起飛後爬升到2000m 時,一臺發動機吸鳥而停車,飛機當即墜毀,所幸飛行員獲救。1996年7 月北大西洋公約組織的一架E 3預警機在希臘起飛時,發動機吸鳥引起飛機失控,險些墜入海中,如圖7所示。

2000年,俄羅斯一架安 8運輸機由於發動機吸鳥而在剛果墜毀,造成21人死亡。

圖、1995年9月22日E 3預警機起飛時發動機吸鳥損壞

圖6、 1975年11月一架 DC 10在紐約起飛時發動機吸鳥引發飛機著火燒燬

圖7 、1996年7月一架E 3在希臘起飛時發動機吸鳥引發飛機失控

防鳥撞壞發動機的設計措施

為保證發動機吸鳥後,不被鳥的撞擊造成發動機嚴重損壞,在發動機研製、發展過程中,不僅對最容易受到損壞的風扇葉片與防止斷片擊穿機匣造成二次故障的包容環進行細緻的設計與不斷地改進,還要進行嚴格的考核試驗。

在幹線客機使用的高涵道比渦扇發動機中,風扇葉片長而薄,不僅容易被外來物打傷,而且易振動。

圖8 、JT9D風扇葉片上作有二個突肩

為此,在20世紀60年代末,為新一代寬體客機研製的三型高涵道比渦扇發動機(普惠公司的JT9D、GE公司的CF6 6與羅·羅公司的RB211 22)均在葉片葉身上,距葉尖1/3葉高處兩側作有突肩,葉片突肩與相鄰葉片的突肩相互抵緊,形成一個加強用的環帶,如圖8所示,以提高葉片的抗外物打擊能力,另外,還能改善葉片的振動特性,一旦振動能在兩突肩接觸處相互摩擦,吸收振動能量,不致使葉片振斷。

在三型發動機中,JT9D在葉身上作有二個突肩(圖8)(參見圖2),其中較上(距葉尖較近)的突肩B是抵緊在相鄰葉片突肩而形成如圖9所示的環帶,用以解決振動問題,在其下的突肩 A作得較厚,但與相鄰葉片的突肩間留有較大空隙,是用以加強葉片抗外物打擊能力的。

圖9、帶突肩的風扇葉片

風扇葉片帶突肩有較大的缺陷,首先,增加加工的難度,葉片本來就不易加工,在兩側加上突肩後,更難加工;其次,增加了葉片的重量,使葉根榫頭承受更大的負荷,也使輪盤承受更大的負荷,突肩還會在葉身與突肩接交處作用於葉身上一個附加的力矩;第三,葉片上帶突肩會減少氣流通道面積,更重要的是氣流過突肩時,不僅會產生摩擦阻力,而且會在突肩後形成迴流旋渦,影響風扇的氣動性能,使效率降低(圖10)。

圖10、突肩對風扇效率的影響

為此,在此三型發動機投入使用後,三家公司一直為改進或取消突肩作不懈的努力,20世紀80年代普惠公司在JT9D的基礎上發展PW4000時,將原來兩個突肩的設計改為1個突肩,GE公司在突肩的形狀上進行了優化改型,而羅·羅公司在80年代中期採取從根本上取消突肩的發展途徑,取得了令人矚目的成果,在航空發動機發展歷史中留下了光輝的記錄。

風扇葉片如做成寬弦,相應葉片厚度也大,又寬又厚的葉片,顯然能解決葉片的抗外物打擊能力與振動問題。但是寬弦葉片重量大,風扇輪盤與葉片榫根均承受不了過大的葉片離心力,因此寬弦風扇葉片在較長時間中並未在大推力發動機上得到應用。羅·羅公司於20世紀80年代提出了空心的採用“三明治”帶蜂窩芯的夾層結構作寬弦風扇葉片,如圖11 所示。

圖11、帶蜂窩芯的夾層寬弦風扇葉片

這種重量輕、性能好、流通能力大、抗外物打擊能力強與不易振動的寬弦風扇葉片,用於 RB211535E4中,此型發動機在B757上於1984年10 月投入使用,隨後用於 V2500、RB211 524G/ H 等發動機中,而且還獲得以英國女王名義頒發的技術進步獎。

羅·羅公司又於20世紀90年代在 RB211 535E4寬弦夾芯風扇葉片的基礎上,發展了擴散連接/超塑性成型的夾芯寬弦葉片,如圖12所示,其芯部從葉尖到葉根採用了鈦合金薄板做的多個三角形桁架結構,取代了原來採用的鈦合金蜂窩結構。

圖12、DB/SPF寬弦風扇葉片

這種DB/SPF寬弦葉片不僅提高了抗外物打擊的能力,而且比蜂窩芯的葉片輕15%,首次用於遄達700發動機(用於A330,1995年初投入使用),後來又用於1996年4 月投入使用的B777(遄達800)、2008年投入使用的 A380(遄達900)與於2011年中投入使用的B787(遄達1000)上。

普惠公司在20世紀90年代初期,在發展用於B777的PW4084發展了芯部銑縱槽的寬弦空心葉片。葉片由兩面板組成,在面板結合面上銑出幾條縱向槽道,用 DB/SPF將兩面板連接成一體,形成帶有幾道空糟的空心葉片,如圖13所示為普惠公司的空心葉片剖面圖,圖上也示出了羅·羅公司的兩種夾層風扇葉片。

普惠的這種葉片比羅·羅的葉片加工容易,但重量大。 該葉片首先用於PW4084(1995年中投入使用的B777)上,後來用於F119(2005年服役的F22)上。

圖13、三種空心葉片的剖面圖

GE 公司在20世紀90年代研製用於 B777 的GE90發動機時,發展了複合材料的寬弦風扇葉片,因為 GE90不僅在當時而且即使到目前,仍是推力最大與風扇直徑最大(3.124m~3.521m)的發動機,最初型號的GE90(風扇直徑3.124m),其風扇高度為1.219m,葉尖弦長0.5334m,葉根弦長0.304m,如此又長又大的風扇葉片,即使用夾層空心的鈦合金來製造,其重量也大得讓輪盤承受不了,採用複合材料後,葉片重量大減,能滿足輪盤的設計要求。

為保證複合材料風扇葉片在遭大鳥等外來物打擊時不損壞且不脫層,葉片前後緣均裝有鈦合金薄套,葉尖部分用kevlar線進行縫合。 在 GE90投入使用10年後,累積飛行650萬小時時,只更換過3片風扇葉片,說明這種複合材料作的風扇葉片經受了考驗。因此,用於B787的GEnx也採用了複合材料的風扇葉片。