劉 濤，雷曉波，薛文鵬

（中國飛行試驗(yàn)研究院，西安710089）

0 引言

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，鳥撞事件呈增加的趨勢，由于發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片處在最前端，屬較易受鳥撞擊的部位，因此開展發(fā)動機(jī)鳥撞試驗(yàn)研究具有重要意義[1-2]?；谕馕镒矒魧Πl(fā)動機(jī)造成的潛在危害和對發(fā)動機(jī)維修造成的極大不便，英國QinetiQ于2008年在RB168-101發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了大量的撞擊試驗(yàn)，以驗(yàn)證自主開發(fā)的外物損傷（FOD）監(jiān)視報警系統(tǒng)的可靠性[3]。國內(nèi)關(guān)于發(fā)動機(jī)鳥撞方面的研究主要停留在鳥撞有限元仿真與實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)[4-9]，在試驗(yàn)研究方面，開展了鳥撞擊平板模擬試驗(yàn)，由于真實(shí)發(fā)動機(jī)處在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，利用平板模擬葉片無法考慮到飛鳥與轉(zhuǎn)子之間的相互作用，很難科學(xué)地得出鳥撞擊風(fēng)扇葉片的瞬間載荷特性。而外物撞擊發(fā)動機(jī)整機(jī)的試驗(yàn)研究則在公開文獻(xiàn)中未見報道。在某發(fā)動機(jī)整機(jī)吞鳥試驗(yàn)中，根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)控參數(shù)，未發(fā)現(xiàn)喘振、參數(shù)超限、熄火及停車等現(xiàn)象，可見利用常用的發(fā)動機(jī)參數(shù)并不能很好地反映出外物撞擊事件的發(fā)生，但分析發(fā)動機(jī)推力銷應(yīng)變時域波形時可明顯地觀察到鳥撞造成的沖擊波，推力銷應(yīng)變參數(shù)能夠很好地反映鳥撞過程。

本文通過分析推力銷應(yīng)變數(shù)據(jù)來討論發(fā)動機(jī)遭遇FOD撞擊前后、撞擊瞬間的變化規(guī)律、撞擊機(jī)理等問題。

1 吞鳥瞬間推力測量與分析方法

1.1 推力銷推力測量方法

推力直接測量技術(shù)的原理是將航空發(fā)動機(jī)的推力銷進(jìn)行應(yīng)變計改裝，通過應(yīng)變輸出來獲得發(fā)動機(jī)推力實(shí)時值[10]。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，采用在推力銷上布置可靠性高的剪力全橋應(yīng)變，通過地面標(biāo)定試驗(yàn)獲得推力銷應(yīng)變-推力之間的載荷方程，從而根據(jù)應(yīng)變獲得發(fā)動機(jī)實(shí)時推力值[12-14]。垂向載荷測量方法與推力測量方法相類似。

根據(jù)有限元仿真計算選取合適的貼片位置[15]，按照安裝節(jié)應(yīng)變計改裝流程對左右推力銷進(jìn)行縱向、法向2個方向的應(yīng)變計貼片改裝，改裝后的推力銷如圖1所示。獲取安裝節(jié)推力的前提是建立推力銷應(yīng)變與推力之間的校線關(guān)系，為此在推力銷載荷標(biāo)定專用平臺上對推力銷進(jìn)行多次載荷加載，并利用最小二乘法對載荷應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得應(yīng)變-推力標(biāo)定方程以及應(yīng)變-垂向載荷標(biāo)定方程。

圖1 推力銷應(yīng)變改裝

1.2 吞鳥瞬間推力沖擊譜分析方法

由于鳥撞屬于瞬態(tài)沖擊過程，除了進(jìn)行沖擊時域分析，本文利用沖擊譜對鳥撞前、鳥撞瞬間和鳥撞后推力進(jìn)行分析，研究鳥撞過程對發(fā)動機(jī)推力或載荷的動態(tài)影響。單自由度振動沖擊系統(tǒng)的模型如圖2所示，在工程中絕大多數(shù)輸入的沖擊以加速度的形式測量。

當(dāng)基座受到外界激勵時，質(zhì)量塊m的動力學(xué)運(yùn)動方程為

圖2 單自由度系統(tǒng)動力學(xué)模型

式中：m為質(zhì)量塊的質(zhì)量；c為系統(tǒng)阻尼；k為剛度系數(shù)；x為基座的位移；y為質(zhì)量塊的絕對位移。

當(dāng)輸出量為質(zhì)量塊的絕對加速度時，則有

利用拉普拉斯變換，考慮到工程上沖擊初始條件為零，得到絕對加速度模型的傳遞函數(shù)為

式中：Y（s）為 y 的拉普拉斯變換；X（s）為 x 的拉普拉斯變換；s為復(fù)參數(shù)。

式（5）是1個數(shù)學(xué)模型，并不具有特定的力學(xué)物理意義，Y（s）輸出的是與X（s）對應(yīng)的加速度信號。利用斜波響應(yīng)不變法求解出數(shù)字濾波器系數(shù)，求解過程見文獻(xiàn)[8]。

2 鳥撞瞬間推力銷推力和垂向載荷時域波形分析

發(fā)動機(jī)分別處于著陸狀態(tài)和起飛狀態(tài)時，將1只280 g的飛鳥利用氣炮射向發(fā)動機(jī)流道，分析研究鳥撞瞬間右側(cè)推力銷推力和垂向載荷的變化規(guī)律。為了便于研究，測量的推力采用推力相對值（推力相對值=實(shí)際推力/某狀態(tài)臺架推力×100%），測量的垂向載荷也采用載荷相對值（載荷相對值=實(shí)際載荷/某載荷值×100%）。

2.1 發(fā)動機(jī)著陸狀態(tài)鳥撞瞬間推力時域分析

發(fā)動機(jī)著陸狀態(tài)鳥撞瞬間推力時域波形如圖3所示。從圖中可見，推力在撞擊的瞬間發(fā)生劇烈的波動，鳥撞擊發(fā)動機(jī)葉片的過程大約持續(xù)0.1 s。撞擊前，推力相對值為18.1%；撞擊瞬間，推力相對值首先增大到21.75%，隨后在0.01 s后急劇減小到7.9%；相對于撞擊前，推力相對值減小幅度達(dá)到10.2%。發(fā)動機(jī)著陸狀態(tài)鳥撞瞬間垂向載荷時域波形如圖4所示。從圖中可見，撞擊瞬間推力銷垂向載荷發(fā)生劇烈波動，垂向載荷相對值首先急劇減小到-46%，劇烈波動后又增大到41%，載荷相對值波動范圍達(dá)到了87%?？梢?，鳥撞沖擊作用不但對推力產(chǎn)生較大影響，而且對發(fā)動機(jī)垂向載荷也產(chǎn)生較大影響。

圖3 發(fā)動機(jī)著陸狀態(tài)鳥撞瞬間推力時域波形

圖4 發(fā)動機(jī)著陸狀態(tài)鳥撞瞬間垂向載荷時域波形

2.2 發(fā)動機(jī)起飛狀態(tài)鳥撞瞬間推力時域分析

發(fā)動機(jī)起飛狀態(tài)飛鳥質(zhì)量、飛鳥速度幾乎與著陸狀態(tài)時的相同，唯獨(dú)是發(fā)動機(jī)狀態(tài)不同。發(fā)動機(jī)起飛狀態(tài)鳥撞瞬間推力時域波形如圖5所示。從圖中可見，撞擊前，推力相對值為91.2%；撞擊開始時，推力相對值首先是增大到99.55%，增幅約8.35%，接著急劇減小到66.8%，撞擊瞬間推力相對值波動范圍達(dá)到了32.75%。與著陸狀態(tài)相比，起飛狀態(tài)遭遇鳥撞后發(fā)動機(jī)推力相對值沒有恢復(fù)到原來水平，并且推力已不穩(wěn)定，處在明顯波動中。

起飛狀態(tài)鳥撞瞬間垂向載荷時域波形如圖6所示。從圖中可見，垂向載荷在撞擊瞬間相對值波動達(dá)到了175%，撞擊后載荷波動很明顯，且載荷平均值偏離了原來的載荷值。試驗(yàn)后檢查發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇葉片已出現(xiàn)嚴(yán)重的變形和卷曲，葉片損傷導(dǎo)致葉片上的質(zhì)量分布發(fā)生改變，從而導(dǎo)致低壓轉(zhuǎn)子動平衡嚴(yán)重惡化，發(fā)動機(jī)整體振動變大，反映在推力銷上是撞擊后垂向載荷波形很大。

圖5 起飛狀態(tài)吞鳥瞬間推力時域波形

圖6 起飛狀態(tài)吞鳥瞬間垂向載荷時域波形

2.3 鳥撞瞬間推力波動的原因分析

對比圖3和圖5可見，雖然撞擊力的方向與推力方向相反，但遭受鳥撞瞬間發(fā)動機(jī)推力反而呈先增大后減小的趨勢。由此可知，鳥撞擊葉片造成的推力波動并不是撞擊沖擊力直接導(dǎo)致的，而是撞擊沖擊力引起葉片的攻角和葉型速度三角形發(fā)生變化，從而影響壓氣機(jī)的增壓比和流場變化。由于葉片攻角不斷變化，從而使發(fā)動機(jī)推力不斷波動。后續(xù)可通過對進(jìn)氣流場變化進(jìn)行仿真分析來研究推力的變化。

3 鳥撞過程發(fā)動機(jī)推力和垂向載荷沖擊譜分析

利用沖擊譜對鳥撞前、鳥撞瞬間和鳥撞后的推力和垂向載荷時域波形進(jìn)行計算，得到了相應(yīng)的沖擊譜圖。發(fā)動機(jī)著陸、起飛狀態(tài)時鳥撞過程推力和垂向載荷沖擊譜圖分別如圖7～10所示。

圖7 發(fā)動機(jī)著陸狀態(tài)鳥撞過程推力沖擊譜對比

圖8 發(fā)動機(jī)著陸狀態(tài)鳥撞過程垂向載荷沖擊譜對比

圖10 發(fā)動機(jī)起飛狀態(tài)鳥撞過程垂向載荷沖擊譜對比

發(fā)動機(jī)著陸狀態(tài)時低、高壓轉(zhuǎn)子基頻分別為82、198 Hz。從圖7中可見，推力方向低壓轉(zhuǎn)子基頻放大系數(shù)小，高壓轉(zhuǎn)子基頻放大系數(shù)大，吞鳥前放大系數(shù)較大的頻率為134.5 Hz，對應(yīng)放大系數(shù)為5.77，而鳥撞瞬間沖擊譜曲線中頻段中201.6 Hz的放大倍數(shù)增大到5.73。從圖8中可見，垂向載荷低壓基頻放大系數(shù)較清晰地顯示出來，低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)頻存在，但在撞擊的整個過程中沖擊譜曲線沒有明顯變化，說明著陸過程的鳥撞主要影響推力應(yīng)變，對發(fā)動機(jī)垂向或周向載荷影響較小。

起飛狀態(tài)發(fā)動機(jī)低、高壓轉(zhuǎn)速分別為140.5、238 Hz。從圖9、10中可見，撞擊瞬間和撞擊后在142.5 Hz出現(xiàn)放大系數(shù)突增的現(xiàn)象。從圖9中可見，相比鳥撞前的沖擊譜，鳥撞瞬間沖擊曲線整體上增大，其中在30 Hz時的放大系數(shù)由2.5增大到6.07；在142.5 Hz時的放大系數(shù)則由2.1突增到8.3，由于鳥撞瞬間致使葉片卷曲掉塊，在鳥撞后沖擊譜曲線中低壓轉(zhuǎn)頻的放大系數(shù)很大，達(dá)到10.54，轉(zhuǎn)子已嚴(yán)重不平衡。從圖10中可見，垂向載荷的沖擊譜曲線對比可更清晰地反映這一點(diǎn)，相比小狀態(tài)，在發(fā)動機(jī)大狀態(tài)下低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)頻在譜圖中更明顯，鳥撞瞬間在142.5 Hz時垂向載荷放大系數(shù)從鳥撞前的4.71增大到8.37，而鳥撞結(jié)束后則已經(jīng)達(dá)到了12.63，與推力變化的結(jié)果相似，說明轉(zhuǎn)子的不平衡已經(jīng)很嚴(yán)重。

4 結(jié)論

通過對推力銷鳥撞試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分析和沖擊譜分析，得出以下結(jié)論：

（1）推力銷推力和垂向載荷能夠靈敏地反映出發(fā)動機(jī)發(fā)生鳥撞的過程，為監(jiān)測識別鳥撞擊發(fā)動機(jī)事件提供了新的途徑。

（2）發(fā)動機(jī)遭遇鳥撞的瞬間，推力并不是首先減小，而是有可能首先增大；發(fā)動機(jī)瞬態(tài)推力發(fā)生變化的主要原因并不是由沖擊力造成的，而是由于沖擊力誘使葉片攻角、流場特性發(fā)生突變而導(dǎo)致的。

（3）從沖擊響應(yīng)譜來分析，鳥撞瞬間會激起某些頻率的較大變化，低壓轉(zhuǎn)頻的變化與否與發(fā)動機(jī)的狀態(tài)有關(guān)，如果鳥撞致使葉片損傷，將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生嚴(yán)重的不平衡。

（4）如果鳥撞未造成葉片損傷，那么推力及結(jié)構(gòu)載荷將會很快恢復(fù)到之前的水平；如果造成了葉片損傷，那么鳥撞后推力及載荷將偏離原來的數(shù)值，且發(fā)動機(jī)將處于嚴(yán)重的不平衡狀態(tài)。

（5）本文得出的規(guī)律性結(jié)論可為外物撞擊發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片研究提供一定參考。