爬升阶段涡扇发动机核心流道吸鸟适航审定_吴晶峰.pdf

文章编号：1000-8055（2023）04-1017-08doi：10.13224/ki.jasp.20210497爬升阶段涡扇发动机核心流道吸鸟适航审定吴晶峰1，侯亮2，3，宋建宇1，杨坤2，3（1.中国民用航空局中国民用航空适航审定中心，北京 100102；2.中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海200241；3.上海市航空发动机数字孪生重点实验室，上海200241）摘要：研究涡扇发动机核心流道吸鸟对发动机的影响，分析核心流道吸鸟与风扇叶片鸟击的损伤模式及关键要素的差异。采用光滑粒子流体动力学方法开展某发动机风扇增压级内涵的吸鸟数值模拟，研究吸鸟位置、鸟速和风扇转速等关键参数对鸟体碎片轨迹及质量分布的影响，确定核心流道吸鸟最严苛工况条件。结果显示：鸟撞击进口导流叶片中心位置时鸟体切片质量较大；在较高鸟速和较低风扇转速下进入内涵的鸟体切片质量较大。研究结果支撑了某型涡扇发动机核心流道吸鸟专用条件的制定，要求在典型的爬升阶段允许的最大爬升速度以及最小风扇转速条件下开展吸鸟试验，同时试验用到的这只鸟的撞击位置应该使吸入核心流道的鸟的质量最大。关键词：涡扇发动机；核心流道；内涵；吸鸟；适航中图分类号：V231.91文献标志码：AAirworthinesscertificationofturbofanenginecoreductbirdingestionduringclimbingphaseWUJingfeng1，HOULiang2，3，SONGJianyu1，YANGKun2，3（1.AirworthinessCertificationCenter，CivilAviationAdministrationofChina，Beijing100102，China；2.CommercialAircraftEngineCompanyLimited，AeroEngineCorporationofChina，Shanghai200241，China；3.ShanghaiKeyLaboratoryofAircraftEngineDigitalTwin，Shanghai200241，China）Abstract:Theeffectofcoreductbirdingestiononturbofanenginewasanalyzed,thedifferencesofdamagemodeandkeyfactorsbetweencoreductbirdingestionandfanbladebirdstrikeweredetermined.Coreductbirdingestionwassimulatedbyusingsmoothparticlehydrodynamicmethodtostudytheimpactofbirdingestionlocation,birdingestionvelocityandfanrotorspeed.Thecriticalparameterofthemostsevereoperatingconditionsforcoreductbirdingestionwasdetermined.Theresultsshowedthatthecenteroftheinletguidevanewasthemostcriticalpositionwhichledmorebirdingested.Athigherbirdingestionspeedandlowerfanspeed,themassofthebirdbodyslicesenteringtheinnerductwasgreater.Theresearchresultssupporttheformulationofspecialconditionsforthecoreductbirdingestionofacertainturbofanengine.Thebirdingestiontestshouldbecarriedoutundertheconditionsoftheminimumfanspeedatmaximumclimbingspeedinthetypicalclimbingstage,atthesametime,theimpactpositionofthebirdusedinthetestshouldmaximizethemassofthebirdingestingintothecoreduct.收稿日期：2021-09-08基金项目：国家科技重大专项(2017-0003-0114)作者简介：吴晶峰（1983），男，高级工程师，博士，主要研究方向为航空发动机集成审定。通信作者：侯亮（1987），男，高级工程师，硕士，主要研究方向为包容与外物吸入适航研究。E-mail：引用格式：吴晶峰,侯亮,宋建宇,等.爬升阶段涡扇发动机核心流道吸鸟适航审定J.航空动力学报,2023,38（4）：1017-1024.WUJingfeng,HOULiang,SONGJianyu,etal.AirworthinesscertificationofturbofanenginecoreductbirdingestionduringclimbingphaseJ.Journ-alofAerospacePower,2023,38（4）：1017-1024.第38卷第4期航空动力学报Vol.38No.42023年4月JournalofAerospacePowerApr.2023Keywords:turbofanengine；coreduct；innerduct；birdingestion；airworthiness航空发动机在实际运行中可能会吸入各种外物，鸟是其中一种比较常见并且危害较大的吸入物。发动机运行时吸鸟会导致风扇叶片和流道构件的变形和损伤，严重时可能会导致叶片断裂、击穿机匣等，引起发动机空中停车，严重威胁飞行安全和乘客的生命安全。正是因为吸鸟对发动机的危害，民航适航规章 CCAR33.76 条款对发动机吸鸟提出了验证要求。规章要求对吸入单只大鸟、小型群鸟、中型群鸟和大型群鸟分别展开符合性验证。条款要求发动机吸鸟后最基本的要求是不能出现非包容的高能碎片和不可控火情等危害性发动机后果。此外，对于吸入单只大鸟来说，允许吸鸟后发动机安全停车，不要求发动机保持推力；但对于发动机吸入小型群鸟和中型群鸟，还要求不得造成持续的推力损失超过 25%，不得在试验连续验证期间停车；发动机吸入大型群鸟，不得在吸鸟 1min内推力损失超过 50%，不得在试验连续验证期间停车1-2。鸟撞时，发动机风扇叶片最先受到撞击，瞬间产生较强的压力峰值，导致叶片产生大变形与屈服3。国内外专家学者对风扇叶片的鸟撞问题开展了大量的试验4和数值模拟研究5-6，风扇叶片抗鸟撞设计优化7-8，以及适航符合性研究9-11。Yan 等4开展了某格栅填充形式叶片鸟撞试验和数值模拟。Bohari 和 Li 等5-6以 Rotor67 为对象，进行鸟撞叶片数值模拟，得到了不同转速下风扇特性的变化和鸟撞损伤对旋转失速与喘振裕度的影响。郭应文等3对某一级风扇叶片进行数值模拟，得到了不同鸟速和角度下鸟撞对风扇的影响。郭鹏等12对某钛合金风扇叶片进行鸟撞数值模拟，获得了不同撞击位置及撞击姿态对叶片不同位置应力响应及位移响应的影响规律。张俊红等13对不同转速风扇叶片鸟撞特性进行了研究。罗刚等9提出了综合考虑叶片前缘应力、根部应力、撞击点位移和叶尖相对位移的关键撞击参数分析方法，用于评估鸟撞击叶片的综合损伤效果。风扇叶片的抗鸟撞能力一直是局方和发动机制造商关注的重点，也是国内外学者的研究热点。2009 年的哈德逊河迫降事件暴露出了发动机吸鸟新的问题，也提出了新的要求。事故飞机为A320-200 型，配备两台 CFM56-5B4/9 涡扇发动机，在飞机爬升阶段发生发动机核心流道吸鸟事件。美国国家运输安全委员会（NationalTransportationSafetyBoard，NTSB）调查显示14，飞机起飞 2min后发生双发吸鸟，出现推力丧失。由于空速较低，无法在发动机风车状态下空中启动。3min 后，飞机迫降哈德逊河上，造成 5 人严重受伤，飞机损毁的严重事故。通过对发动机上残存的羽毛和组织生物学分析显示，左、右发动机至少分别吸入两只加拿大鹅。在 20 世纪 90 年代，CFM56-5B4/9涡扇发动机为取得 TC（typecertificate）证，按当时适用的规章要求先后完成了吸入单只大鸟和中型群鸟等试验，吸鸟能力经过验证，但在核心流道吸鸟后仍出现了双发停车的事故，这表明原规章要求已难以应对航空器目前面临的吸鸟安全威胁。为了研究发动机核心流道吸鸟与当前规章中吸鸟要求的差异，本文首先对风扇叶片鸟撞与核心流道吸鸟的差异进行了研究，基于核心流道吸鸟事故分析报告，研究核心流道吸鸟对发动机的影响；然后开展了发动机核心流道吸鸟数值模拟，研究了鸟体碎片轨迹及叶片冲击损伤，以内涵吸入鸟体碎片为关键参数确定核心流道吸鸟最严苛工况条件；最后通过计算分析结果得出核心流道吸鸟关键要素，提出了核心流道吸鸟专项适航要求。1核心流道吸鸟对发动机的影响随着民用航空涡扇发动机的涵道比越来越大，风扇尺寸也越来越大，致使发动机迎风面积增大，吸入鸟等外物的概率也随之变大，风扇叶片也在鸟撞时首当其冲接受考验。风扇作为涡扇发动机产生推力的主要部件，其损伤会影响发动机推力和气动效率。尽管吸鸟条款验证对象还包括帽罩、分流环、传感器等发动机前部部件，但是风扇叶片是最为重要的验证对象。鸟撞对风扇叶片的影响包括风扇叶片的变形与应力集中，关键吸鸟因素包括鸟速、风扇转速、撞击位置及撞击姿态等。研究结果揭示了关键撞击位置、鸟速和撞击姿态等参数对于风扇叶片鸟撞之后的应力、应变的影响，对于航空发动机吸鸟关键撞击参数（criticalimpactparameters,CIP）和关键吸鸟参数的确定提供了可行的方法。从趋势上看，风扇转速越高、鸟速越大，对于风扇叶片的1018航空动力学报第38卷损伤越大15。但是最关键的撞击位置、撞击姿态，以及与风扇转速和鸟速的组合方面，需要通过 CIP分析来最终确定最严苛的吸鸟参数。核心流道吸鸟方面，哈德逊河事件的事故调查记录显示，飞机爬升阶段出现核心流道吸鸟后的 4s 内，1 号发动机风扇转子转速从 82%降至36%，2 号发动机风扇转子转速从 82%降至 16%；同时，发动机排气温度（exhaustgastemperature,EGT）增加至 890，接近红线温度 950。风扇转速迅速下降，发动机推力丧失，最后造成迫降。发动机损伤情况，风扇叶片前缘损伤、撞击区域凹陷、鸟体碎片冲击下游部件造成外涵导叶（outerguidevane,OGV）变形和损伤。其中左发有 8 片 OGV 叶片丢失，右发数个 OGV 叶片尾缘弯曲。内涵方面，两台发动机的增压级、高压压气机、燃烧室都受到鸟体碎片撞击或叶片碎片撞击，出现了增压级叶片折断（见图 1）、高压压气机叶尖打伤（见图 2）、燃烧室火焰筒头部变形和燃油喷嘴与燃烧室火焰筒头部分离等损伤。其中左发动机压气机进口导流叶片（interguidevane,IGV）丢失 2 个；右发动机 IGV 叶片丢失 2 个，另有 3 个叶片出现裂纹；发动机放气活门中堵塞有低压和高压叶片的碎片14。图1增压级叶片折断Fig.1Failureofboosterblades由于 A320-200 飞机发动机鸟撞之后 IGV 叶片断裂，碎片吸入核心机，造成增压级和高压压气机的二次损伤，发动机增压级和高压压气机叶片断裂，以及高压压气机可调导叶（variableguidevane,VGV）损伤、失去气流导向能力，碎片堵塞气流通道，从而导致整个压缩系统功能受损，风扇转速下降，最终丧失推力。通过对哈德逊河事件的故障分析可见，核心机吸鸟对发动机的影响是多方面的，但是核心流道的损伤是造成此次飞机事故的主要原因。由于核心机吸鸟事故发生时发动机风扇转子转速并不高，同时，鸟体穿过两