大涵道比航空發(fā)動機風扇葉片的集成設計

■ 陳璐璐/ 中國航發(fā)商發(fā)

對于大涵道比商用航空發(fā)動機，最前端的風扇葉片是尤為重要的，它不僅提供了80%的推力，同時作為航空發(fā)動機中尺寸最大的轉動零件，其可靠性是影響發(fā)動機安全性的關鍵環(huán)節(jié)。與風扇葉片相關的氣動設計、噪聲設計、結構完整性設計等相關技術發(fā)展十分迅速，在實際工程設計中更需考慮多場景、不同功能需求，在多專業(yè)間權衡，開展風扇葉片的集成設計。

航空發(fā)動機已從機械產(chǎn)品時代進入到了功能產(chǎn)品時代，安全、可靠是基本要求，好用、經(jīng)濟則是更高要求。風扇葉片作為影響滿足航空發(fā)動機推力功能實現(xiàn)的主要零件，同時也作為最大尺寸的旋轉件，其功能設計和安全性、可靠性等非功能設計尤為重要。通過了解和分析國內(nèi)外目前在役發(fā)動機的風扇葉片技術現(xiàn)狀，理解風扇葉片集成設計，以支撐航空發(fā)動機作為功能產(chǎn)品的設計。

風扇葉片技術的重要性

商用航空發(fā)動機作為產(chǎn)品，主要服務對象為飛機，最為重要的功能需求是提供推力。因此在發(fā)動機氣動熱力設計中，最基本的設計目標是滿足飛機的推力。

大涵道比渦扇發(fā)動機風扇葉片

位于發(fā)動機最前端的風扇葉片提供了約80%的推力，因此通常在發(fā)動機的控制中會根據(jù)風扇特性確定所需推力對應的低壓轉子換算轉速，從而決定增壓級、低壓渦輪的工作線；根據(jù)高低壓轉子轉速的匹配來決定高壓轉子的換算轉速。除此之外，風扇根部的流場品質(zhì)基本決定了進入發(fā)動機內(nèi)涵道，特別是高壓壓氣機的進氣品質(zhì)；而風扇前端的進氣環(huán)境受飛行迎角、側風、結冰等因素的影響，無法人為控制。因此，風扇葉片根部的流場設計和低敏感性設計對于核心機的穩(wěn)定工作影響極大。與此同時，風扇葉片作為發(fā)動機中尺寸最大的旋轉部件，是影響發(fā)動機可靠性、安全性的關鍵零件。風扇葉片丟失載荷決定了傳力路徑上零組件的最低要求，影響風扇葉片結構完整性的各種使用限制也將影響發(fā)動機的可操作性。從某種意義上，發(fā)動機的各個零件都是服務于風扇葉片，同時也受制于風扇葉片。

從適航條款與風扇葉片的關系也可以看出其重要性。在適航條款中，大部分條款均與風扇有直接或者間接的相關性，如33.65“喘振和失速特性”、33.68“進氣系統(tǒng)的結冰”、33.76“吸鳥”、33.77“吸冰”、33.83“振動”、33.94“葉片包容性和轉子不平衡試驗”等。這些條款既包含對發(fā)動機結構完整性的要求，也包含特殊場景、惡劣天氣下發(fā)動機的操作性、安全性要求。因此，大涵道比航空發(fā)動機風扇葉片研發(fā)中需綜合考慮上述這些條款的約束。

大涵道比渦扇發(fā)動機風扇葉片技術的水平，從一定程度上是可以代表大涵道比渦扇發(fā)動機的水平。發(fā)動機業(yè)界一直以來十分重視風扇葉片技術的研究，其發(fā)展也是十分顯著的。

大涵道比渦扇發(fā)動機風扇葉片的氣動設計演變

從風扇葉片氣動設計技術的發(fā)展來看，三維復合彎掠的氣動造型、前緣橢圓造型、為降低前傳噪聲的后掠葉型設計等，都在考慮氣動性能的基礎上，更多地考慮了噪聲、制造分散性等綜合因素的影響。但是隨著航空發(fā)動機的發(fā)展，針對風扇外涵道的效率要求越來越高，已接近0.94；隨著對推力需求的增加，涵道比越來越大，已接近15；通過傳動技術的提升，風扇葉片葉尖切線速度逐漸下降以適應低噪聲、高效率、高可靠性等需求。而葉片數(shù)也隨著氣動設計技術、先進材料等應用，已降至了16片。

風扇葉片高可靠性和輕量化設計也一直在推進之中。因風扇葉片輕量化設計所帶來的整個發(fā)動機降載收益十分可觀，“葉片每降低1kg，發(fā)動機降低2.5kg”的說法是有實例為證的。特別是近幾十年來的樹脂基復合材料風扇葉片的應用，使風扇葉片的輕量化設計有了質(zhì)的變化，并由此帶來了復合材料風扇機匣、流道板等的應用。同時，復合材料具有對缺陷不敏感這一顯著不同于傳統(tǒng)鈦合金風扇葉片的優(yōu)勢。據(jù)不完全統(tǒng)計，航線運營的GE90發(fā)動機的風扇葉片在十幾年內(nèi)因自身原因僅更換了3片。

風扇葉片技術的復雜性

商用航空發(fā)動機產(chǎn)品所采用的技術包含氣動、熱力、結構、強度、材料和工藝等專業(yè)方向最先進水平，同時多專業(yè)的匹配性和權衡體現(xiàn)了復雜系統(tǒng)管理工程最高水平，不受人為控制的外界環(huán)境變化更是對發(fā)動機產(chǎn)品性能的評估和維護水平提出了最高要求。國際上公認航空發(fā)動機是一個國家綜合工業(yè)水平的實力體現(xiàn)，風扇葉片作為這一復雜系統(tǒng)的重要零件，其技術的復雜性尤為突出。

以風扇葉片所處的氣動環(huán)境為例，從氣動設計專業(yè)講，針對已知的進出口條件的氣動設計、均勻性設計是傳統(tǒng)氣動設計的基礎，針對穩(wěn)態(tài)設計點的設計方法工具已經(jīng)極為成熟。但是處于發(fā)動機最前緣的風扇葉片進口條件更為復雜，無法直接運用成熟方法工具。

影響風扇葉片氣動設計以及風扇葉片氣動設計需要考慮的因素，至少包括以下幾個方面。

一是進出口畸變的影響。隨著短艙技術的不斷發(fā)展，以及受來自飛機方需求的影響，發(fā)動機唇口越來越短，進口流場的品質(zhì)設計技術也越來越難，此外還需要面臨自然環(huán)境風、側風、飛發(fā)匹配等影響。在進氣畸變場景下穩(wěn)定工作是風扇葉片氣動設計的難題，而更為突出的是在畸變場景下的葉片振動問題。

吸冰、吸鳥等外物吸入場景

二是結構完整性的約束。風扇葉片在氣動設計之初必須考慮抗鳥撞、抗冰撞等適航要求。外物吸入后葉片損傷、振動帶來的氣動擾動，也會影響內(nèi)外涵道的流場品質(zhì)，從而引起發(fā)動機穩(wěn)定性問題。

三是低敏感性設計。在風扇機匣上風扇葉片葉尖對應區(qū)域往往設計有易磨環(huán)，用于起飛、降落，甚至鳥撞等場景的葉尖刮磨，在實際使用期間很難保障完美氣動流道。同時當遭受鳥撞、冰撞等損傷后，仍然保證推力下降不超過適航或者飛機方需求限制，使得風扇葉片氣動設計不僅具有足夠的裕度，同時要具有足夠的魯棒性。

除了風扇葉片氣動設計之外，風扇葉片結構完整性設計更是綜合所有可控的和不可控的場景。在結構完整性設計中，需要考慮本身的特性和所處的環(huán)境對其的影響。風扇葉片所處的環(huán)境極為復雜，除了安裝、氣動環(huán)境外，還受限于整機環(huán)境，因為環(huán)境所提供的靜載荷、動載荷、沖擊載荷等，會誘發(fā)風扇葉片共振、顫振，以及風扇葉片與機匣刮磨、耦合振動等問題。同時風扇葉片作為轉子件，其自身的特性也會對相鄰零件產(chǎn)生影響，如風扇葉片安裝帶來的轉子不平衡量問題等。因此，風扇葉片在研發(fā)過程中，集成、權衡設計的水平將直接影響發(fā)動機的穩(wěn)定性和安全性。

復合材料風扇葉片技術

在役的新一代大涵道比渦扇發(fā)動機大多數(shù)采用了復合材料風扇葉片方案。預浸料成型和機織樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝是目前在服役商用大涵道比渦扇發(fā)動機復合材料風扇葉片兩大主流方案。機織葉片抗分層能力優(yōu)于鋪層葉片，而鋪層葉片的可設計性優(yōu)于機織葉片。采用預浸料成型復合材料風扇葉片的典型是GE90發(fā)動機、GEnx發(fā)動機以及最新一代GE9X發(fā)動機。葉片由數(shù)百層增韌環(huán)氧/碳纖維預浸帶制成，壓力面和吸力面都涂有聚氨酯涂層，在葉片前緣增加了鈦合金加強邊，葉片根部的三角形榫頭承受壓力的面涂有低摩擦因數(shù)的耐磨材料。LEAP發(fā)動機則采用2.5D機織RTM工藝的復合材料風扇葉片。

相較于鈦合金技術風扇葉片，復合材料風扇葉片的應用具有顯著的輕量收益。同時得益于復合材料構件的特點，葉片具有良好的可設計性。另外，可設計性也帶來了設計的復雜性，從微觀的纖維、樹脂到界面性能，延伸到帶有鋪層或機織結構特征的細觀結構性能，最后符合風扇葉片產(chǎn)品功能和非功能需求的宏觀性能。

為此，針對復合材料風扇葉片的特點，各國適航當局也公開發(fā)布一些專用條件，如1995年發(fā)布的針對GE90復合材料風扇葉片的專用條件，內(nèi)容中主要包含了：針對流道線處的葉片脫落要求；兩倍離心載荷的靜強度要求；考慮高低周組合影響的葉片流道線以下的壽命評估；葉片流道線以下失效概率的要求；風扇葉片抗雷擊能力的要求；需要考慮最小材料性能的要求。

綜合分析，針對復合材料應用于發(fā)動機葉片，需考慮其不同于金屬材料的復合材料特性，以及特別考慮復合材料風扇葉片失效對如風扇機匣等相鄰零件的影響。針對不同的復合材料風扇葉片特性，基于特定的發(fā)動機型號，保障復合材料風扇葉片具有發(fā)動機適航條款要求的同等安全水平，要求具有共同性，同時在不斷地完善。例如，針對復合材料風扇葉片，在新近專用條件中提出了止裂特性的驗證要求。

除了在役典型的帶金屬加強邊復合材料風扇葉片外，為發(fā)揮復合材料可設計性的優(yōu)勢，在已公開的專利中發(fā)布了大量特殊設計的復合材料風扇葉片，如外部金屬蒙皮，內(nèi)部復合材料結構特征，并在葉片吸力面施加預應力呈繃緊狀態(tài)。通過摻入增韌纖維使葉片內(nèi)部出現(xiàn)瓦倫梁結構等。

目前針對復合材料構建的商用分析制造軟件已較為成熟，如針對鋪層設計的Fibersim模塊，用于強度分析的Hyperworks等。同時，結合LS-Dyna、Ansys等商用軟件可以進行風扇葉片強度設計、振動分析和抗外物吸入分析等。

風扇葉片驗證技術及保護措施

作為一項航空產(chǎn)品，航空發(fā)動機配套有明確的使用說明手冊。為指導發(fā)動機的正常、安全使用，需要航空公司、飛行員了解所用特定型號發(fā)動機的系統(tǒng)特性、使用邊界。同時航空公司的飛行計劃、飛行員的飛行習慣也會影響航空發(fā)動機系統(tǒng)特性的變化。在航空發(fā)動機的全生命周期的使用都是在大自然環(huán)境中，大自然環(huán)境的復雜多變、不受控制，需將上述全部因素考慮在風扇葉片的驗證中。風扇葉片的驗證技術中最為關鍵的在于如何篩選試驗工況以及如何實現(xiàn)試驗工況的模擬。

在吸鳥條款中，針對不同吸入鳥彈工況的差異對于發(fā)動機的要求也不盡相同，因此，進而分解到風扇葉片的要求并不相同。例如，當發(fā)動機吸入單只大鳥，對于發(fā)動機的要求是不得導致危害性后果，但不要求具有保持推力或者功率的能力，此要求類似于發(fā)生風扇葉片丟失的場景。因此可以推斷，針對吸入單只大鳥情況，風扇葉片是允許發(fā)生斷裂的。另外一個場景，當發(fā)動機吸入大型群鳥后，發(fā)動機要求能夠保持最大額定起飛推力的50%及以上，完成規(guī)定的運轉程序，不引起發(fā)動機停車和危害性后果。由此可以推斷，風扇葉片在吸入大型群鳥的場景，應仍能保持基本結構完整性，不應產(chǎn)生影響氣動性能發(fā)生超過50%以上推力的材料丟失和型面變化。

在吸冰條款中，與吸鳥條款規(guī)定了鳥體的質(zhì)量不同，對于吸入冰撞擊風扇葉片的場景，需要通過相關場景分析，進而分析確定吸冰的質(zhì)量和不同類型冰的影響。根據(jù)參考文獻，發(fā)動機吸入冰可能來自進氣道（短艙）的脫冰、機身脫冰、機翼前緣脫冰以及尾翼脫冰等。同時冰的類型還需考慮明冰、霜冰、混合冰等。冰的本構建立和冰片的制作均需考慮上述情況。在考慮外部環(huán)境的同時，還需要考慮場景對應的發(fā)動機狀態(tài)。據(jù)不完全統(tǒng)計，發(fā)動機吸冰事件多發(fā)生于爬升、巡航和下降時，還有少部分發(fā)生于滑行、起飛、進近和著陸狀態(tài)。不同發(fā)動機工況下，風扇葉片的旋轉速度不同，冰片、鳥彈的沖擊破壞也不盡相同，因此如何識別最為苛刻的外物吸入場景，進行相應的試驗方案制定和設計尤為重要。

通常在風扇葉片取證過程中，針對不同的條款需求需考慮振動疲勞、抗外物沖擊能力、抗缺陷損傷能力等相關驗證。風扇葉片因尺寸大、切線速度高導致相關的試驗工況模擬比較困難。如針對抗外物吸入試驗，考慮鳥體和葉片旋轉速度的夾角，使得靜止態(tài)模擬鳥撞沖擊需要實現(xiàn)250m/s以上的鳥彈發(fā)射速度，遠高于傳統(tǒng)航空器的鳥撞速度；旋轉部件的結冰及脫冰試驗驗證、云霧條件的模擬，以及在旋轉狀態(tài)的結冰冰型等關鍵參數(shù)的測量。

風扇葉片的大量驗證試驗既獲取了相應設計方案的使用邊界，同時為后續(xù)發(fā)動機的使用維護提供了大量的輸入，甚至可能影響發(fā)動機的控制系統(tǒng)。

例如，在役發(fā)動機中出現(xiàn)過飛行員推動油門桿，但是發(fā)動機推力變化不大的情況。究其根本原因，在發(fā)動機的控制中存在油門桿空行程設置，以避免在某個低壓轉子轉速范圍停留，防止出現(xiàn)風扇葉片顫振風險。通過后期的使用維護方法來確保已發(fā)現(xiàn)的風扇葉片使用問題在發(fā)動機全生命周期不發(fā)生失效，也是一種常用的手段。

風扇葉片驗證試驗數(shù)量大、成本高。在試驗安排中，為規(guī)避試驗風險和降低試驗成本，遵循經(jīng)典的積木式驗證試驗矩陣，開展大量的材料試驗、元件級試驗以及系統(tǒng)級試驗，最后在整機試驗中予以驗證。逐層驗證，從材料屬性到零件特性，從零件特性到系統(tǒng)特性最終支撐發(fā)動機產(chǎn)品的特性確認。

結束語

隨著氣動、沖擊動力學、材料、制造等多種技術的不斷進步，大涵道比航空發(fā)動機風扇葉片的設計水平也在日新月異地提升。針對服務于發(fā)動機功能需求的風扇葉片設計來說，需在綜合考慮不同場景、不同需求的基礎上，進行多專業(yè)的協(xié)同和權衡，并在實際使用過程中規(guī)定使用方法和制定后期維護要求提高風扇葉片的可靠性。