民用航空发动机叶片损伤研究

陈柳金，何法江，吕鸿雁CHEN Liujin, HE Fajiang, LV Hongyan

（上海工程技术大学航空运输学院，上海 201620）

0 引 言

天气是一项重大因素，较多航班因为天气影响而延期或取消。

2020 年由于新冠疫情爆发，2020 年航空客运需求相比于2019 年跌幅达65.9%，是航空史以来下降幅度最大的一年。严重打击了国内外的航空企业。在此期间，中国大力防控疫情，但欧美发达国家疏于防范疫情，导致疫情遍布全球，2020 年10 月新冠疫情第二次爆发，全球新冠感染者成指数级增长，使得国外民航客运需求再次受到严重打击，国内航空相反客运需求得到些许反弹。现阶段2021 年国内疫情已经得到控制，所以国内航空需求量正在稳步提升，但国外疫情越发严重，尤其是卫生防控一般的国家，国内受感染人数剧增，这样也导致国际航班需求量大大减少。

现代航空业发展迅猛，但国内航空发动机制造业还处在起步阶段。航空发动机的核心单元体是压气机，压气机集结现有材料和技术的顶尖技术，是飞机的“心脏”。航空发动机的压气机组件由叶片和导叶组成，叶片的主要功能是通过其典型的管道形状来引导气流。这些叶片把旋转能转化为静压来增加空气压力。叶片以某一个角度放置，使得排出的空气以最佳有效角度导入下一级的转子叶片。根据发动机压缩机部分的级数，该过程重复几次。

压气机又可以分为离心式压气机和轴流式压气机。压气机叶片主体结构分为叶尖区域、前缘区域、后缘区域、叶身根部过渡区域、叶盆和叶背。

航空发动机压气机大部分的损伤都集中在叶片处。客机运行会遇到极端天气或者鸟群。当发动机叶片受到外来物体撞击时叶片会形成外物损伤，航空发动机压气机叶片的外物损伤分为硬物损伤和软物损伤，叶片受到硬物损伤分两种情况，其一是当飞机在飞机跑道上起飞和降落时，容易让一些小石块、沙砾和一些小型金属物件受到飞机飞行气流的影响而进入航空发动机内的叶片，使之造成硬物损伤。第二种情况是当飞机在高空飞行时容易遇到冰雹和冰块，冰块的硬度取决于它的温度，如果冰块温度较高，那么冰块对叶片造成的损伤可归类为软物损伤，当冰块温度较低时，冰块对叶片造成的损伤可归类为硬物损伤。当撞击物是鸟时，鸟对叶片造成的损伤是软物损伤。

鸟撞击发动机叶片危害极大，一只体重为0.5 公斤的小鸟撞上时速为900 公里的飞机时，鸟造成的的冲击力将达到191kg，足以摧毁叶片。在1988 年的埃塞俄比亚，一架波音737 在爬升到3 800 米的高空中时，遇到鸟群，撞上发动机造成的飞行事故，致85 人死亡，21 人受伤。

硬物损伤常见表现形式分为：缺口、撕裂、凹坑/鼓包、划痕和卷曲。其中缺口的损伤一般表现为压气机叶片的前后缘区域存在材料损失，在前后缘区域形成一定深度和宽度的孔洞；撕裂损伤通常被视为最危险的损伤，主要表现形式为压气机叶片受到外物冲击形成剪切力使叶片撕裂出裂缝，撕裂存在裂纹不扩展和裂纹扩展，危害性较大；凹坑/鼓包主要表现为压气机叶片受到外物冲击形成凹坑或鼓包；划痕分深浅，叶片受到外物冲击时会造成不同深浅的划痕；卷曲表现为压气机叶片前后缘及叶尖处材料发生卷曲变形。

在叶片外物损伤的研究中，国外的外物损伤研究起步较早。1956 年，美国刘易斯飞行推进器实验室的A. Kanufman 等人研究了各种外物损伤对压气机叶片疲劳强度的影响。1959 年，英国Dunham 等人首次运用机械加工缺口法在钢、钛和铝三种材料的叶片上进行实验，测量损伤叶片的疲劳强度。1982 年，T. Nicholas 等人用平板代替叶片，通过一系列硬粒子冲击试验，研究了钛合金前缘形貌的冲击损伤。疲劳试验是用来评估损伤的严重程度的等效弹应力集中系数。几何尺度的概念是通过在冲击试验中使用不同的前缘厚度和弹丸大小来研究的，损伤类型的观察和临界速度概念的使用倾向于验证尺度的概念。损伤的发生取决于撞击速度。对于一个给定的粒子冲击一个给定的前缘，随着速度的增加会出现一系列的损伤类型。在一定的速度下，基本上没有发生损伤，粒子明显地从叶片上反弹。随着冲击速度的增加，前缘凹陷或凸起的数量也随之增加。在某一高速，即临界速度下，凹痕或凸起达到最大，前缘开始撕裂。在较高的速度下，弹丸完全穿透叶片，随着速度的增加，留下越来越光滑的孔洞。疲劳试验表明，最大损伤或疲劳寿命最大降低发生在叶片凹陷形成撕裂的临界速度。在这一点上的损害被称为临界损害。1996 年CHANG JCI 等人研究发现叶片在超过1Khz 频率下、应力幅低、大于等于10cycle 的循环数下会发生HCF 失效。2018年Rajesh Sharma 等人研究了叶片被外物冲击后留下的残留物。

近年来，浙江省金华市人大常委会探索开展财政专项支出第三方绩效评价工作，先后完成了保障性住房建设、科技创新支出等6个项目的第三方绩效评价，今年又开展了农村生活污水治理、居家养老服务机构补助等4个项目的第三方绩效评价，取得了良好效果。今年8月，该项工作获评“浙江人大工作与时俱进奖”提名奖。

国内研究起步比较晚，并且对外物损伤的研究较少。在1990 年，南京航空学院的鲁启新和海军航空工程学院的孙振德研究了外来物损伤对叶片疲劳寿命的影响，采用的是弹药枪发射粒子的方法来模拟外来硬物损伤。在1998 年，南京航空航天大学的康继东，采用电磁涡流激振来进行叶片的震动疲劳实验。并且随后提出压气机叶片外物损伤模拟的撞击能量当量法，然后通过实验观察压气机叶片损伤的形态与撞击能量之间的变化关系，为后续压气机叶片的硬物损伤研究提供了又一有力手段。

1 模型建立

1.1 物理模型。需要先选取关键性的叶片，只需选取一圈叶片中的典型，然后进行模型建立再进行仿真分析，本文选取某民用航空发动机叶片作为研究对象，叶片的材质为TC4。

1.2 叶片受力分析。航空发动机压气机叶片在工作过程中将会承受多种力，压气机叶片受力主要分以下几种：（1） 离心力。压气机叶片转速高，可达每分钟上万转，由此在其自重的作用下产生巨大的离心力。离心力对于叶片的作用会使叶片向径向拉伸，还可能造成叶片的扭转和弯曲。（2） 气动力。压气机叶片压缩吸入的气体，气体反作用于叶片表面形成气动力。由于压气机叶片结构复杂性，所以气动力在叶片上是不均匀分布的。（3） 振动力。压气机在压缩气体的时候，气流的扰动和转轴的震动会使叶片发生振动，使压气机叶片发生振动应力。

航空发动机叶片三维计算模型如图1 所示。整个计算域采用建模软件建模。利用有限元分析网格生成软件划分压气机叶片模型的计算网格。采用的是六面体网格建模，好处是提高网格质量、加快收敛计算速度、网格正交性得以提高。如图2 所示，压气机叶片网格划分大小为1mm，总单元数143 万个，总节点数27 万个。

图1 压气机叶片三维计算模型

图2 压气机叶片网格划分示意图

1.3 边界条件及算法。压气机叶片的材料均为TC4（Ti-6Al-4V） 钛合金，在该模型叶根底部添加固定约束，并施加离心力。

2 静力学分析

压气机转子叶片工作时主要承受着高速转动产生的离心载荷，气体作用产生的气动载荷，榫头固定位置的支撑力载荷。在静力学分析暂不需要考虑弹性的影响，假设接触面法向位移为零。施加约束：叶根底部固定约束；施加载荷：增压比为1.2时的气动载荷；施加旋转：围绕发动机轴线以额定转速9 000RPM 旋转。等效应力云图和总位移图如图3 所示。

静力学分析显示，叶身总应力从左右叶尖慢慢向叶根中部变大。叶片与缘板的连接处中间是应力最大的地方，如图3（a）。叶身总位移从叶尖至叶根逐渐减小，最大位移出现在叶尖，如图3（b）。

图3 静力学分析结果示意图

3 模态分析

下面微分方程为动力学控制方程：

在模态分析中有几种情形可以简化微分方程。

六个矩阵跟动力学控制方程相似。

由于叶片实际工作中振动形式复杂多样，本文在对叶片进行模态分析时对振动形式进行了必要的简化，只考虑叶片在额定转速惯性力下的自激振动的振动模态，忽略叶片非正常工作中的颤振、喘振等振动形式对叶片振型的影响。施加约束：叶根底部榫头位置固定约束；施加载荷：增压比为1.2 时的气动载荷；施加旋转：围绕发动机轴线以额定转速9 000RPM 旋转；环境温度：23℃。对叶片前6 阶振型等效振动应力进行仿真，等效振动应力分布如图4 所示。

图4 叶片等效振动应力分布图

从叶片前6 阶振型的振动载荷分布看，红色区域是受力最大区域，振动应力最大值主要出现在叶根进气边、叶身中部、叶尖进气边等区域。其中，叶根和叶尖进气边是各阶振动应力比较集中的区域，这也是压气机叶片较常受到损伤的部位。

通过有限元软件仿真研究得到航空发动机压气机叶片的易受损部位，可以对相应部位进行研究加强强度，使得航空发动机叶片的使用寿命得以增强，保证航空运输的稳定性和持续性。通过将叶片外物损伤进行分类，依据国内外的维修手册制定不同的维修策略。国内发动机维修手册现阶段暂时还不完善，需要收集大量叶片外物损伤信息，对损伤进行分类研究。来加强我国国内对航空发动机的研究。

4 结 论

综合有限元软件的静力学分析与模态分析结果，某型航空发动压气机转子叶片承受载荷主要集中在叶根进气边、叶身中部、叶尖等区域。这些区域的载荷集中部位与该叶片故障部位统计中常见损伤部位分布基本具有一致性。叶片载荷集中部位就是叶片较常受到损伤部位，因此有限元软件仿真结果基本能够客观反映压气机叶片正常工作中实际受载情况。

叶片外物损伤是航空客机较常发生的事故，轻则安稳降落，重则机毁人亡，所以除了其他天气、疫情等影响因素，要格外重视检修航空发动机叶片，并采取相应的预防措施，对登机人员的安全和物流的时效性做出保障。

在交通运输领域，安全至关重要，航空事故非常严重，所以要保证民用航空的安全性和时效性，就要保证每一个环节都十分严谨，做到万无一失，确保人与物的安全。