航空发动机叶片外物损伤研究现状

廉变峰

（中国航发西安航空发动机有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

在飞机飞行过程中涡轮喷气发动机是重要的动力装置，其会吸入一些外来物，当发动机叶片受外物撞击损伤时，如果外来物为鸟，这种情况下将其作为软物撞击，如果外来物为砂砾，石块等为硬物撞击，如果外来物为冰雹、冰块，其面临硬物损伤或软物损伤是与冰块的强度相关的。当外界环境温度较高时，冰块硬度低为软物反制为硬物，由于外来物导致的损坏，可将其作为外物损伤。当前全球航空发动机通用规范中，针对叶片抗外物损伤进行了准确规定，因此针对叶片外物损伤的相关研究，其对于航空发动机正常运行具有十分重要的意义。

1 叶片鸟撞击损伤

对于航空发动机鸟撞击叶片损伤，其是由于外物损伤使飞机发生事故的主要影响因素，鸟类在飞行过程中会被吸入发动机中，只有会对航空发动机内部的叶片和风扇。通常，所吸入的发动机流速为每秒100~300米，基于这种较快的速度下要具有较高动能，当其撞击叶片会导致叶片形成变形，甚至还会使叶片存在塑性变形，导致叶片局部凹陷引发叶根变形，由于鸟撞击叶片会形成一系列的破坏和变形，进而使航空发动机转子处于失衡状态，无法确保时间正常运行，因此鸟撞击发动机叶片形成的损伤将会从一定程度上影响航空发动机的正常运行。

1.1 理论研究

在空中处于飞行状态，鸟将其吸入航空发动机后由于高速转动的液压气机，叶片和风扇受到的切割作用会使叶片产生一系列的损伤和变形。为计算和响应鸟撞击叶片，需要通过鸟状的叶片切割模型进行载荷模型的确定。国外研究学者Boehman等人预估了鸟和冰撞击结构等模型，如果忽略鸟类与叶片之间的摩擦作用力以及两者之间的切割作用力，构建鸟类撞击叶片的模型，此时仅需结合鸟被切割不同部位的质量、大小，当前可利用椭球体和圆柱体这两种模拟鸟模型。除此之外，在20世纪70年代，Barbr等人利用实验数据分析鸟类撞击飞机的具体过程，构建相应的载荷模型，指出当鸟飞行速度高于每秒50米时，在撞击的过程中会发生流变，主要由于鸟体减速会形成较大应力，其是高于鸟体本身屈服强度的。鸟撞击为一种非恒定流体动力学过程，从一定程度上来看，鸟撞击载荷是流体与靶体中的鸟张极靶体共存在4个过程，具体涉及初始撞击，压力衰减，流动恒定以及流动结束过程。在本研究中使用孔隙率为10%的明胶，并将其制作2:1长径比的圆柱体进行实验模拟，如下所示为鸟撞击靶体的4个阶段图。

图1 鸟撞击靶体的4个阶段图

1.2 计算过程

为计算叶片鸟撞击过程需依靠强大计算功能的工具，同时还需要利用鸟撞击时间作为前提，准确描述鸟撞击的物理过程，所以现在计算机发展和应用有限缘法逐渐体现其数值计算优势，目前，有限元分析法融合了数据结构分析，计算机辅助设计，辅助制造软件等，这些方法可用于分析计算鸟撞击损伤。在鸟撞击叶片损伤模型计算中，20世纪80年代由南京航空航天大学研究学者开展大量分析，具体涉及多叶片及整机风扇叶片的双击瞬带响应，以及平板叶片鸟撞击声的响应，近年来研究学者提出可采用计算机软件，即DYTRAN等计算整机风扇叶片、多叶片及单叶片，单鸟、群鸟等撞击响应反馈模型，并基于此获得了大量成果。此外，近年来在叶片鸟撞击计算中，研究学者提出也可采用光滑粒子流体动力学法进行分析，国外研究学者JetelIier等人利用有限元软件构建叶片模型。同时采用SPH针对鸟体构建模型，能够融合SPH与有限元两种计算方法，由于无网格法无需借助网格。尤其在网格移动和即便问题中具有显著优势，因此可将无网格法用于分析鸟撞击叶片模型中[1]。

1.3 实验分析

鸟撞击叶片的实验是撞击损伤机制研究的重要途径，可结合实验条件将其分为不同状态，包括单叶片静止（旋转）状态，整机轮盘，旋转状态整机轮盘以及整机吞咽实验等，可将外物发射器，防护装置，叶片事件，固持装置测速仪数据采集系统作为实验所需要的设备和仪器，国外研究学者 R OB ert等人阐述了多种叶片鸟撞击的计算分析，通过研究提出不同类型的叶片涉及三种发动机，一级转子叶片和不同尺寸平板可用于模拟鸟的飞行方向，包括斜方向、正方向，以分析方向对于叶片位置的撞击影响，叶片状态包含静止状态，旋转状态，不分级及等级旋转，可清楚记录材料应变及叶片损伤情况[2]。

2 叶片并损伤

在飞机飞行过程中经常会穿越冰雹区域，进而可能会面临冰雹撞击飞机的问题，目前可通过气象预测的方式绕过冰雹区域，一般来说这种问题无法完全避免。但有时无法避免。在20世纪50年代，美国研究学者对冰雹撞击飞机影响进行深入分析，提出冰块由于其硬度不同，可将其作为转物或硬物，作为软物撞击时，其叶片形态会出现与鸟类似的流变，而当冰块作为硬物撞击时，叶片损伤主要位于初始撞击区域，相对来说金属具有良好延展性，不同硬度的冰块经撞击后会被破碎为小冰块。在1974年Johns等人分析了两种复合材料风扇叶片实验结果，采用的撞击物包括25.4毫米直径的冰球凝胶与有机硅胶泡沫材料混合物，小沙粒等。 Cook等人利用石墨环氧树脂材料进行外物撞击实验，分析其外物为冰钢弹球形凝胶并比较损伤前后的试验数据，提出小尺寸及完整尺寸试件具备缩放性。Reddy等人分析鸟撞击叶片的相关损伤，利用软件blasim进行计算分析[3]。

3 硬外物损伤叶片研究

当硬物损伤航空发动机时，其会附着于低温端风扇、工作叶片和压气机整流叶片中，通常，硬物撞击会使发动机叶片前缘受到损伤，具体表现为撕裂，缺口，凹坑等，甚至还会导致热胀，突层受损，叶片前缘裂痕，长久下去会导致疲劳裂缝的产生，进而影响叶片寿命[4]。在叶片硬物损伤研究中，通过分析发现叶片与软物撞击前后的损伤情况基本一致，此外需关注损伤对于疲劳强度产生的影响。Kaufman等人对外物损伤部位类型对于疲劳强度的影响。1980年由Nscholas等人分析钛合金受到硬物损伤后产生的影响，并进一步定量分析外物损伤的概念界定。除此之外，国内外研究学者分析了不同叶片撞击角度对于疲劳强度的影响，Chen等人针对外物对叶片撞击损伤模型，采用有限元分析法分析了三种常见的外物损伤方式，计算残余应力。结合Nowell等人在分析过程中，采用分步加载的方式给该试件设定疲劳载荷数值，使其能够处于损伤后的疲劳强度范围。通过研究分析叶片受损的前缘范围，冲击角度以及叶片棱角产生的作用，研究表明叶片的损伤程度从一定程度上来看对于试件疲劳强度会产生较大影响[5]。

4 结语

总而言之，本研究针对当前航空发动机叶片外物损伤接着进行深入探究，能够从叶片鸟撞击损伤，叶片冰损伤以及叶片硬外物损伤这三个方面进行阐述。未来随计算机技术的发展，需进一步阐述叶片鸟撞击外物损伤的仿真技术，新数值方法，应用负荷材料本构关系，进而完善鸟撞击损伤的相关设计准则，构建叶片抗硬外物损伤准则以及可维修准则。