陈光/文

包容环是保护航空发动机的重要部件之一。围绕风扇叶片的机匣一般称为包容环,它的功能不仅是气流通道的机匣,而且还要起到一旦风扇叶片从根部折断,能将风扇叶片的断片包容在机匣内的作用。

在早期,低涵道比涡扇发动机的风扇机匣均按一般的机匣设计,并未考虑设置包容环。到了20世纪60年代末发展的高涵道比涡扇发动机,开始将风扇机匣设计成包容环,图14所示为 RB211-22B的包容环,当时的JT9D与CF6-6基本采用了类似结构,只是在包容环外面作了两三道加强肋环。

图14、RB211-22B风扇包容环

RB211-22B 的包容环是在较厚的钢制机匣内嵌有较厚的铝制蜂窝层,蜂窝层内环上再嵌上抗磨蜂窝层。当风扇叶片折断后,其断片以很大的撞击力撞到包容环的铝制蜂窝层上,由于蜂窝层厚度大,在叶片撞到它时使它受到压缩变形,在变形过程中,吸收了叶片大部分撞击能量,断片已无力打穿钢制厚机匣,因而能将断片包容住。

GE 公司在CF6-6、CF6-50 与 CF6-80 的基础上于1985 年发展了CF6 -80C2。它的包容环由铝合金与凯夫拉复合材料组成,如图15所示。

它是在冲压加工的 AL6060 T6铝合金机匣外,围有铝合金蜂窝层(蜂窝内腔尺寸为3.18mm,蜂窝最大厚度为70mm)在蜂窝结构外缠裹了67层凯夫拉带条,其外再复以一层凯夫拉环氧树脂保护层,蜂窝层与缠裹层间夹有石墨 环氧树脂。

蜂窝结构的作用是增加机匣的刚性并起到部分包容作用,凯夫拉缠裹层则是包容环的核心,起主要包容作用。当断片甩出打到凯夫拉缠裹层时,缠裹层会被拉伸向外鼓出,吸收断片甩出的撞击能量,从而能将断片包容住。

图15、CF6-80C2包容环

这种设计不仅包容能力强,而且重量轻,因而得到广泛应用。罗·罗公司的 RB211-535E4、RB211-524G/H及遄达700、遄达800,普惠公司的PW4084、GE公司的 GE90均采用了这一设计。

21世纪初,为B787研制的GEnx与遄达1000 用了新的包容环。遄达1000 采用了由Ti 6/4锻制的带加强环的环形机匣(同于遄达900),如图16所示。罗·罗公司称,这种设计不仅具有足够的包容能力,而且重量更轻。这是第1次用钛合金而不是合金钢作包容环,它已经通过FAA发动机严酷的包容试验,当然今后还需在实际使用中进行考验。

图16、遄达900与遄达1000的钛合金包容环

GEnx风扇机匣采用复合材料制造,这是第1次将复合材料用于大型发动机的机匣,是用复合材料条带编织成类似草席的结构,如图17所示。风扇机匣也当作包容环。

复合材料作的机匣包容性能及强度均优于金属机匣,且重量轻,比金属机匣轻154kg,一架飞机可减重363kg。另外,它不会腐蚀,便于维护。

图17、复合材料作的风扇机匣

新研制的风扇叶片与包容环,均须通过FAA的在发动机运行条件下的试验,才能投入使用。为满足FAA的要求,研制单位在此之前要进行多种形式的大量试验,以确保叶片与包容环能通过FAA的考核。

用以考核风扇叶片抗鸟撞击能力的试验,是在发动机以100%的转速下,以一定速度将鸟用压缩空气炮打向不同叶高位置处的叶片上,鸟则有中鸟与大鸟两类,按适航条令FAR33部的规定确定是否通过考核。

用于B747、B767与 A300等飞机的发动机,投鸟试验时,中鸟试验为4只,每只1.5lb的鸟,大鸟为1只重4.0lb的鸟。用于B777的发动机,由于推力大,空气流量大,试验中,中鸟为4只,每只2.5lb,大鸟为1只重8.0lb的鸟。

包容试验也称叶片甩离试验,考验发动机的包容环在发动机最大转速下,风扇叶片从叶根处断裂后,甩出的断片能否击穿包容环窜出。这是一项十分危险、耗费巨大的试验(试验成功,报废一台发动机,试验失败可能引发试车台失火)。 试验时有 FAA的代表在场,一般是在各项考核试验作完后,最后进行的试验。

试验时,在一片叶片榫根处,钻一小孔,孔中埋入一电爆螺栓,当发动机达到最大转速时,接通电路引爆电爆螺栓,将叶片炸断,断片在离心力作用下甩向包容环。包容试验的评定标准为:断片包容在发动机内,发动机继续运转15s,不引起发动机失火,发动机安装节未损坏。

中国民用航空局根据美国联邦航空局FAA颁布的联邦航空适航标准FAR33部,于1988年2月颁布了《中国民用航空适航规章》第33部 “航空发动机适航标准 CCAR 33”,在2002年4月又颁布了修定的《航空发动机适航规定》CCAR33 R1。

随着发动机吸鸟的事件日益增多,吸进发动机的鸟重量也呈上升趋势,所造成的危害也日趋严重,因而在修订的适航规定中,对吸鸟试验的要求作了较大的修订。在原来的 CCAR33部中,只是在33.76条“外物吸入”中提到吸鸟的要求,对吸鸟的规定也比较简单,即鸟的重量分三种:(1)小鸟———重85g,每320cm21只,最多16只;(2)中鸟———重680g(1.5lb),第1个1940cm2为1只,每增加3870cm2加1只,最多8只;(3)大鸟———重1800g(4.0lb)。

吸鸟试验后的要求为:吸中鸟不能出现大于25%推力损失,要求发动机吸鸟后5min停车,不引起潜在的危险状态;吸中大鸟不能引起发动机着火,破裂(非包容),产生过大的载荷,失去停车能力。

在修订的CCAR33R1中专门增加了一条“第33.76条吸鸟”,其中对鸟的数量与重量规定与进气道喉道面积即风扇面积A有关。

吸鸟试验要在发动机稳定于100%推力下进行,对于吸大鸟试验的规定为:鸟吸入速度为320km/h,吸鸟后15s不能移动油门杆,试验中不得出现:着火,碎片非包容,过大载荷,失去停车能力。

对于吸中鸟试验,除对试验的空速、鸟速与鸟击位置等作了规定外,还规定了不得引起:推力损失超过25%,着火,碎片非包容,过大载荷,失去停车能力。对试验程序也作了规定:从吸入第1只鸟到最后1只鸟时间为1s,吸鸟后2min内不能动油门杆,随后3min,发动机维持在75%最大转速下,随后6min,发动机维持在60%最大转速下,随后6min,发动机维特在40%最大转速下,随后1min,在进场慢车位置,随后稳定在慢车位置并停车,在以上各种状态中发动机不得停车。

按照新的CCAR33R的规定,以前定型的许多发动机均不能满足要求,如表4所列。从表4可以看出,在20世纪90年代以前定型的发动机,包括用于各型B737、B747400、B757、B767、A320、A340与A330等的发动机,在做投鸟取证试验时,鸟的重量与数量均不符合2002年修订的适航规定的要求,只有在1995年定型的B777用的三型发动机,满足要求。

如果上述发动机是按修定适航规定的要求设计风扇叶片的,那么也不会在近一年中频繁出现的发动机吸鸟造成客机迫降、取消航班与中途返航的事件:

2008年1月29日,一架B747在路易斯维尔起飞时,2号发动机吸鸟打坏发动机;

2008年4月8日,一架挑战者600在爬升到1000m时,遭到多只大鸟(美洲白鹈鹕)的撞击,两发动机各吸入一只,打坏一台发动机风扇,另一台停车,飞机安全着陆;

2008年6月20日,一架由芝加哥飞往北京的B747起飞时,一台发动机吸入一只红尾鹰,发动机停车,飞机爬升至4000m高度盘旋泄掉燃油后用三发降落到起飞机场,发动机风扇叶片损坏多片;

2008年11月10日,爱尔兰瑞安航空公司波音737客机因发动机吸入飞鸟在意大利首都罗马钱皮诺机场紧急迫降,造成5人轻伤;

2008年11月14日,西班牙航空公司 A319从摩洛哥丹吉尔起飞时遭鸟击,2号发动机吸入飞鸟,部分压气机叶片损坏,飞机紧急返航;

2008年11月29日,威兹航空公司的客机在罗马尼亚首都起飞后遭到大群飞鸟群袭击,一台发动机失灵,被迫紧急降落在邻近机场;

2009年1月15日全美航空公司1549航班 A320在纽约起飞时双发同时吸入大鸟,同时停车,飞机安全迫降在哈德逊河面上;

2009年1月24日美国JetBlue航空公司的 A320在奥尔兰起飞时右发吸鸟取消起飞;

2009年2月3日美国联合航空公司的B757在丹佛起飞时遭鸟击,右发PW2037吸鸟打坏进气罩,航班取消。

表4、已定型的一些发动机风扇面积与取证试验时的鸟的数量与重量

为了降低发动机吸鸟后造成的危害,发动机研制单位,应针对修订的适航规定,对发动机整流罩、风扇叶片与包容环等易受撞击的零、组件,加强抗外物打击的能力,通过优化的强度设计及严格的试验考核与整机试验,以确保发动机吸鸟后,不会带来严重后果。