防止鸟撞机，航空发动机和飞机有哪些绝技？

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陈光/文

飞机在设计时，对于那些容易受到鸟撞击的部位，例如风挡玻璃、雷达罩、机翼前缘等应予以加强，以能承受大鸟的撞击。

美国空军通过试验提出要求，当飞机的飞行速度为每小時950公里时，座舱结构和风挡玻璃应能承受重量为1.6公斤的鸟的撞击。上述这些部位在飞机上都是固定不动的，相对而言，较容易地解决。

但是对于发动机，那就难多了，因为在发动机进口后就是高速旋转的风扇叶片（图20），风扇叶片长而薄，当受到鸟撞击后，容易折断，不仅会造成发动机振动加大，而且断片会随气流流向发动机后部，打坏后续部件,严重時造成发动机停车；碎片夹在叶尖上与机匣间被转子带着旋转时，会由摩擦引起发动机失火；折断的叶片如打穿机匣，还会打坏飞机的结构与系统等。

对于客机用的大涵道比涡扇发动机，风扇叶片更长，且随着发动机推力的增加，风扇叶片越来越长，例如用于波音757发动机风扇叶片长0.522米；用于波音747的风扇叶片长约为0.8～0.9米；而用于波音777的发动机风扇叶片长达1米多。

图20、大涵逍比风扇发动机前端是高速旋转的风扇叶片

风扇叶片设计时，不仅耍考虑抗鸟撞击的能力，还要考虑长叶片工作时的振动问题，上世纪70年代前后研制的所有大涵道比涡轮风扇发动机，其风扇叶片无一例外的是将叶身上距叶尖1/3～2/3处做出向两侧伸出的凸肩，如图21（a）所示。

各个叶片的凸肩相互抵紧形成一加强叶片的环箍，如图22所示。这样，不仅增加了叶片的剛性，提高了抵抗外物（包括鸟）撞击的能力与叶片自振频率，而且不易出现振动。

即使出现叶片振动，凸肩的抵紧面之间的摩擦可吸收振动能量，使叶片振动不起来。但是这种带凸肩的设计，却带来许多问题，例如叶片不好加工；

叶片根部所受的离心负荷加大，凸肩与叶身交界处还会产生附加的弯曲应力，气流流过凸肩会产生分离，不仅使流通面积减少，而且使效率降低等。

图21 （a）带凸肩的风扇叶片 （b）无凸肩的宽弦叶片

为此，从80年代起，国外几家大发动机公司都在设法解决叶片带凸肩引起的问题。然而，由于风扇叶片所处的特殊工作条件，要全面解决是比较困难的。

将风扇叶片加宽成为宽弦叶片，如图21（b）所示。随着叶片宽度的加大，其厚度自然变大，宽而厚的叶片，抗外物打击的能力大大提高，也不易引起振动。

因此是解决采用凸肩带来问题的好方法。但是这种宽而厚的叶片重量也隨之增加了许多，叶片根部会受不了, 安装叶片的盘也必须做得很厚很重才行。

这样的零件显然不适合用于大型航空发动机上。因此，在大涵逍比风扇发动机诞生以后，经过近15年的时间，才研制出适用的宽弦风扇叶片。

图22、多个叶片的凸肩相互抵紧组成箍

上世纪80年代中期，英国罗.罗公司设计发展了“三明治式”的宽弦夾层风扇叶片，这种叶片的叶盆与叶背分别由两块钛合金做成，中心部分挖掉形成空腔，空腔中嵌入钛合金蜂窝结构的芯板，通过活性扩散连接的方法将三者连接在一起，形成一个重量轻的宽弦叶片，见图23。

这种设计，既解决了风扇叶片抗鸟击的能力与抗振动问题，又减轻了叶片的重量，很快在罗.罗公司的发动机中得到应用。

图23、 “三明治”式的宽弦风扇叶片

罗·罗公司后来又在“三明治”式叶片的基础上作了近一步的改进，即芯部采用了三角形桁架结构取代了原有的蜂窝结构，如图24所示。这种芯部的结构不仅轻而且能参与承力，使每片叶片的重量比采用蜂窝芯的低15％，这种叶片从上世纪90年代起一直到现在都应用于该公司新发展的发动机中。

图24、具有桁架结构芯的风扇叶片剖面图

美国GE公司在90年代初期采用了前缘包有钛合金蒙皮的复合材料叶片设计，不仅用于波音777的发动机中，而且用于波音787与波音777X的发动机中。与此同時，美国普惠公司采用了两个叶型材料焊接成具有空心结构的叶片，它是在由钛合金加工的叶盆、叶背上，先分别铣出许多径向槽道，然后用扩散连接方法连成在叶片心部具有多道空槽，如图25所示。

这种叶片中间带有6条槽带形成空心，减轻了重量，而未被铣削处又相互焊接在一起，增加了叶片抗外物打击的能力。这种结构的叶片不仅用于波音777的发动机上，也用于第4代战斗机F-22的发动机上。

采用上述三种方法设计的风扇叶片，不仅减轻了发动机重量，而且大大提高了发动机抗大鸟撞击的能力，截至2017年初，尚未见到过装有采用这些设计方法设的发动机，遭到鸟撞击而造成发动机空中停车亊件的报导。

图25、普惠公司的铣槽空心宽弦风扇叶片


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发动机叶片加工之难，不愧是工业皇冠上的钻石！我国科研人员加油！为你们的付出和收获点赞