1989年6月,印度航空公司購置的A320空中巴士正式投入營運,使它成為亞洲第一家使用該飛機的航空公司。 當時的 A320為一種剛剛問世的新型雙發客機。它的動力可採用 CFM56 5或V2500發動機,它們都是高涵道比渦輪風扇發動機。印度航空公司的 A320 安裝的就是 V2500發動機。
吸入巨鳥,有驚無險
印度航空公司的 A320投入使用不久,就遭到了一次特大鳥的「襲擊」。 這架飛機從新德裡機場起飛,當爬升到1000米高度時,發動機吸入了一隻翼展長達2.13m、重5.30kg的白頸印度禿鷲。
無獨有偶,1991年7月15日,還是印度航空公司的一架 A320,它的 V2500發動機又吸入了一隻更重的5.44kg的禿鷲,這是印度航空公司的 A320自投入使用後發動機第23次吸鳥事件。
這麼大的鳥,以300km/h左右的速度撞到發動機最前端的部件———高速旋轉的風扇葉片上,相當一發迫擊炮彈擊中靶心。
萬幸的是由於V2500的風扇葉片採用了一種獨特的設計,使得發動機雖遭受此大難仍安然無恙。事件發生後,發動機繼續正常工作,飛機安全著陸。在第一次吸鳥事件中,V2500的22片風扇葉片只有6片被打得變形。經外場直接對裝在飛機上的發動機更換新葉片後,發動機又繼續投入使用。
安裝 V2500發動機的 A320飛機是1989年5月22日首次使用的。到1992年,包括印度航空公司在內的所有 V2500發動機的工作時間累計達400000飛行小時。在此期間,該型發動機共吸入飛鳥35次,也就是說,V2500工作中,平均11000餘小時就發生一次吸鳥事件。
從上面統計的 V2500的數據來看,渦輪風扇發動機,特別是高涵道比的渦輪風扇發動機在工作中會將各種飛鳥吸入,當然也會在飛機起飛著陸過程中吸入散落在跑道上的各種雜物例如石塊、冰塊、破輪胎塊、金屬零件與工具等。吸入飛鳥通常發生在起飛爬升或下降的過程中。當然當飛機爬升到鳥飛不到的高度(一般為2000~3000m)後,就不會出現這種事件了。
粉身碎骨,絕非本願
為什麼發動機工作時能將飛鳥吸入呢?這是因為發動機工作時要從周圍(在地面)或前方(飛行中)吸入大量空氣。隨著航空發動機的推力愈來愈大,涵道比愈來愈高,發動機所吸入的空氣量也愈來愈多。
例如殲 6飛機的渦輪噴氣發動機吸氣量為44kg/s(地面、最大狀態.下同);殲 7的為64kg/s。而高涵道比的渦輪風扇發動機V2500的吸氣量約是殲 7的6倍,達到356kg/s;波音757動力的吸氣量為524kg/s。波音747的約為740kg/s;而用于波音777飛機的發動機的吸氣量則高達1450kg/s,是殲 7發動機吸氣量的近22倍!
這些數字到底有多大呢?現舉一個例子來說明。如果有一座足球場大小、高度為6.1 m的體育館,關閉其全部門窗而另開一圓形窗口。將一臺 V2500發動機的進氣口對著圓形窗口(尺寸與發動機進氣口一般大),用館內空氣供發動機工作。
那麼,不到2分鐘,體育館的空氣就會被發動機抽吸一空,館內形成真空。體育館的建築將在館外與館內的壓差作用下而倒塌。從此例可看出,發動機工作時所吸入的空氣量有多麼大了。
因此,發動機吸入飛鳥是很自然的事。不僅如此,當大型發動機工作時,維護人員如不注意,進入發動機前方也會被吸入。這種慘禍以及將維護用的金屬梯吸入的事件也曾發生過。所以飛機在地面開車時,有嚴格的規定不準人員進入限定的區域內。
2002年4月20日我國國際航空公司的一架波音767-200客機由日本大阪關西國際機場起飛時,當飛機滑行進入跑道過程中,突然發動機報警系統指示發動機不能正常工作,駕駛員當即終止飛機起飛。
經檢查是飛機滑行中,發動機將國際航空公司一名機務人員吸入,不僅該機務人員當時被撞死,而且將發動機打壞,不得不將乘客送到賓館休息,從北京運去一臺發動機換下被損壞的發動機後,第2天才將旅客運回北京。
值得注意的是,出事時發動機是在慢車狀態下工作,此時發動機轉速低,吸入的空氣量小。 即使這樣,也將體重60~70kg的機務員吸入發動機,如果在起飛最大推力下工作,其吸入外物的能力可想而知。
由於發動機以最大狀態工作時,空氣以300~350km/h的速度被吸入發動機,因此隨空氣一起吸入的飛鳥也將以這個速度撞到發動機前端部件上,產生一個非常大的撞擊力。所以發動機吸入飛鳥又被稱為鳥撞擊發動機。如果鳥撞到發動機的靜止部件如進氣道與支板等,其危害程度還比較輕,但是如果撞到高速旋轉的風扇葉片上,其相對的撞擊速度更高、力量更大,會造成極為嚴重的損傷。因此風扇葉片的設計,要很好地解決抵抗鳥撞擊的問題。
綜上所述,飛鳥進入發動機是被動的,並不是鳥喜歡發動機特別溫暖的環境而
主動進入。只要飛鳥在發動機一定距離的前方飛行,就會被吸入。當然距發動機遠些,吸力較小,還有逃出粉身碎骨厄運的可能。
因此,目前人們在與風扇轉子一起高速旋轉的進氣錐上,圍繞錐體畫上一條白色的由細到粗的條帶,如圖1所示,工作時這些條帶形成一個閃動的白色光耀,使前方的飛鳥視而生畏,遠離而去,避免慘遭殺身之難。據稱,這種措施多少有一定效果,但僅靠它遠遠不夠 還需從風扇葉片的設計上來解決 這才是最根本的。
圖、塗有白色條帶的遄達900發動機
顧此失彼,困難重重
風扇葉片設計除了要考慮鳥撞擊之外,還有一個嚴重的問題要解決,這就是振動問題。風扇葉片的特點是長而薄,特別是高涵道比渦輪風扇動機中的風扇葉片更長。例如 V2500發動機風扇葉片長0.522m;用于波音747的風扇葉片長約為0.8~0.9m;而用于波音777的發動機風扇葉片長達1m多。這麼長而薄的葉片工作中很容易振動,進而因疲勞而折斷。
因此,風扇葉片的設計,除了要滿足氣動設計要求外,還要很好地解決鳥撞擊與振動兩大問題。1984年以前,所有高涵道比渦輪風扇發動機的風扇葉片無一例外的是將葉身上距葉尖1/3~2/3處作出向兩側伸出的凸肩,如圖2(a)所示。
各個葉片的凸肩相互抵緊形成一加強葉片的環箍,如圖3所示。這樣,不僅增加了葉片的剛性,提高了抵抗外物(包括鳥)撞擊的能力與葉片自振頻率,而且不易出現振動。即使出現葉片振動,凸肩的抵緊面之間的摩擦可吸收振動能量,使葉片振動不起來。
圖2、帶凸肩與無凸肩風扇葉片的比較
但是這種帶凸肩的設計,卻帶來許多問題,例如葉片不好加工;葉片根部所受的離心負荷加大,凸肩與葉身交界處還會產生附加的彎曲應力,氣流流過凸肩會產生分離,不僅使流通面積減少,而且使效率降低等。
為此,從20世紀80年代初起,國外幾家大發動機公司都在設法解決葉片帶凸肩引起的問題。然而,由於風扇葉片所處的特殊工作條件,要全面解決是比較困難的。
圖3、帶凸肩風扇結構圖
解決帶凸肩風扇葉片上述的那些問題最好的辦法是將凸肩取消。但這一來又會帶來抗外物打擊的強度以及振動的問題。因此最完美的辦法是將葉片加寬成為寬弦葉片,如圖2(b)所示。
隨著葉片寬度的加大,其厚度自然變大。寬而厚的葉片,抗外物打擊的能力大大提高,也不易引起振動。但是這種寬而厚的葉片重量也隨之增加了許多,葉片根部會受不了,安裝葉片的盤也必須做得很厚很重才行。這樣的零件顯然不適合於大型的航空發動機。
巧妙構思,全新設計
在問題尚未徹底解決之前。普惠與GE兩家公司先在凸肩的型面設計上做了改進,儘量減少氣流流過凸肩的損失。與此同時,羅·羅公司則創造性地發展了一種新的風扇葉片設計與製造方法。 它徹底地消除了凸肩而又很好地解決了強度、重量與振動問題。這就是「寬弦無凸肩空心夾層結構」葉片。
它的設計思路是:寬弦葉片做成空心的以減輕重量,以蜂窩材料的芯子充填空腔來提高葉片抗外物打擊與抗振動能力。它的葉盆與葉背分別由兩塊鈦合金做成,中心部分挖空嵌入鈦合金蜂窩結構的芯板,通過活性擴散連接的方法將三者連接在一起,形成一整體結構。
這種類似「三明治」的葉片不僅解決了如前所述的老大難問題,而且重量輕,葉片數量也可減少1/3。圖4示出了這種葉片連接前的結構。這種新型的風扇葉片首先裝在波音 757飛機的RB211-535E4發動機上。自1984 年10 月投入航線使用以來,不僅效率比常規帶凸肩的窄弦葉片高,而且不易損壞。
圖4、「三明治」式的風扇葉片連接前的結構
按1992年底的統計,新型葉片在4千萬飛行小時使用中,還沒有出現過由於損壞造成發動機拆換的紀錄。而在同一時期內,裝常規葉片的發動機由風扇葉片損壞造成拆換發動機的事件平均在1000飛行小時中有0.014~0.038次。因此羅·羅公司很快將這個技術用於該公司研製和參與的其他發動機上,如 RB211 524G/H與 V2500等發動機上。
本文開始講的印航A320飛機的發動機兩次遭特大禿鷲襲擊而未受損的事例,充分證明了這種葉片的優點。
羅·羅公司後來又在原有設計的基礎上做了新的改進,即芯部以大型建築物上所用的相互構成的三角形桁架結構取代了原有的蜂窩結構,如圖5所示。這種芯部的結構不僅輕而且能參與承力。每片葉片的重量比採用蜂窩芯的低15%。這種被該公司稱為第三代的葉片已用於為 A330、波音777飛機所製造的「遄達」發動機上。
圖5、具有桁架結構芯的風扇葉片剖面圖
20世紀90年代初,GE公司與普惠公司在風扇葉片的研製中也邁出了新的一步。在它們為波音777發展的新型發動機均採用了寬弦無凸肩的風扇葉片。但在減輕葉片重量上卻走了不同的道路,GE公司採用的是前緣包有鈦合金蒙皮的複合材料葉片設計。
普惠公司採用了空心的結構,由鈦合金分別加工的葉盆、葉背先分別銑出許多徑向槽道,然後用擴散連接方法連成一體,如圖6所示,這種葉片中間帶有6條槽帶形成空心,減輕了重量,而未被銑削處又相互焊接在一起,增加了葉片抗外物打擊的能力。這種結構的葉片不僅用于波音 777的PW4084發動機上,也用於第四代戰鬥機F22的F119發動機上。
圖6、普惠公司的銑槽空心寬弦風扇葉片
危害嚴重,不容輕視
不論任何形式的風扇葉片,如果遭到外物(包括飛鳥)撞擊而折斷時。其後果是十分嚴重的。例如葉片折斷的碎片會隨氣流向後流而打壞風扇後面的部件,使發動機停車;碎片夾在葉尖上與機匣間被轉子帶著旋轉時,會由摩擦引起發動機失火;風扇轉子會產生很大的不平衡力,引起發動機振動加大。折斷的葉片如打穿機匣,還會打壞飛機的結構與系統等。
這些都將嚴重地危及飛機的飛行安全。1989年巴黎航展上,蘇聯空軍的一架米格 29戰鬥機於6月8日作飛行表演時,突然俯衝墜地。飛行員緊急彈射跳傘才倖免於難,而飛機卻焚燒一光。這一轟動航展甚至世界的重大事故,就是由於發動機吸鳥造成的。
它雄辯地說明了發動機吸鳥會帶來的危害程度。為此所有國家的適航管理部門都有嚴格的規定,在發動機投入使用前,要進行投鳥的考核試車。對現在稍大一些的發動機,要做兩種投鳥試驗:即投8隻、每隻重0.68kg的中等重量鳥試驗與投入一隻重1.8kg的大鳥試驗。
兩種試驗中,死鳥均裝在壓縮空氣炮內,對著風扇葉片處,以330km/h的速度射向正在以最大狀態工作的發動機,如圖7所示。在投鳥試驗中,要求發動機投鳥後的推力損失不得大於25%並能在5 min之內停車;要求投鳥後不引起發動機失火,沒有危險的碎片穿出機匣,能人為地將發動機停車等。
如果達不到這些要求,該型發動機是不允許投入使用的。為了使投鳥試驗更接近真實情況如有的發動機試驗時,對試驗用的鳥和雞做了特別規定,例如不能用摻有催肥劑的飼料而只能用穀物來餵養;不能宰殺而只能用一氧化碳將鳥窒息而死等,以使試驗鳥的骨、肉、血等的指標更接近於活鳥。
由於用于波音777飛機的發動機的推力很大,進口直徑接近或大於3m,可能會吸入更重的鳥,所以對用於這種飛機的發動機,在作投鳥試驗時,鳥的重量加大一倍,即投擲3.6kg的鳥,以保證發動機在外場使用中遇到特大的飛鳥也能不受損傷。