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航空发动机消声短舱强度问题浅析,净洁天空2
2020-01-07

[据英国《飞行国际》网站近日报道]自2007年起,法国赛峰公司旗下埃赛公司一直在进行短舱创新与声学验证计划的相关工作。日前作为计划的一部分成果,埃赛公司和斯奈克玛公司联合研制的全新短舱验证平台交付,用来评估新设计的短舱在降噪和增效方面的效果。该短舱采用了全混合平流进气口,内表面也使用了特殊声学处理,部件制造过程中也引入了热塑成型等先进工艺手段。

[据CFM国际公司网站2010年11月15日报道]作为LEAP-X发动机研制工作的重要组成部分,美国/法国CFM国际公司即将开始其3维编织树脂转移成形风扇的耐久性试验。2011年第一季度,RTM风扇将完成严酷的5000个循环的耐久性试验项目。

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[据美国《航空周刊与空间技术》网站2015年11月23日报道] 德国MTU公司的SAGE 4验证机在位于慕尼黑的试车台开始运转,该发动机是在普惠PW1500G基础上改进而来,是欧洲“净洁天空”计划下“可持续、绿色发动机”项目的一部分,这也标志着 “净洁天空”计划逐步走上正轨。

该短舱将于今年年底在斯奈克玛试验室进行试验,明年将移送到美国GE公司俄州试验室进行户外试验。NAIAD计划设计的短舱也将用于CFM公司全新的Leap-X发动机全尺寸验证机上。

2009年起,CFM公司就把全尺寸的3-DW RTM风扇部件安装在一台CFM56-5C发动机上开始该部件的地面试验,公司称之为MASCOT验证机。在法国斯奈克玛公司试验室完成空气动力学和性能试验后,移交到GE公司俄州试验室,成功完成了165个小时的广泛侧风和声学试验,测试了在不同的操作状态下的噪声等级。2010年-11年,MASCOT验证机还将积累约400个小时的试验时数。

从悉尼起飞的空客A330飞机短舱破损照片的

即使主要的演示验证是在“净洁天空”计划启动的,但工作仍是从之后的“净洁天空2”计划下的发动机集成技术验证开始的。“净洁天空2”计划下将安排7个工作包,覆盖从使用喷气燃料的活塞发动机到用于宽体飞机的大型齿轮传动涡扇发动机的验证装置。

另外CFM公司已经完成了很多部件和试验台试验,包括吞鸟和叶片飞出试验,来模拟3-DW RTM风扇的取证过程。LEAP-X发动机计划2014年取证。

达索水星客机在发动机短舱上安装了吸声材料,使得噪声下降了5~6分贝。

“净洁天空2”计划下的发动机演示验证项目包括:

LEAP-X项目主管表示,研制成果显著,研制进度完全按照预先设想的执行。公司已经模拟了发动机取证试验的所有步骤,有信心可以投入生产。但还需要详细设计和试验不同构型的叶型,确保2013年初的首台全尺寸LEAP-X1C发动机试验时采用的是最佳叶型。

近50年间飞机有效感觉噪声级的下降与消声短舱的作用。

斯奈克玛将演示用于窄体客机的齿轮传动涡扇发动机,同时还计划开展对转开式转子的飞行试验。

LEAP-X发动机风扇叶片只有18片,比CFM56-5C减少50%,比CFM56-7B减少25%。

北京时间6月11日18时41分,从悉尼起飞的空客A330飞机在起飞不久,便遭遇了发动机短舱进气道部位结构破裂的故障。据报道,类似的故障在过去也曾发生过数起,早在2006年阿联酋航空、2017年埃及航空,以及国内港龙航空均遇到此类问题。飞机制造商空客公司及发动机制造商罗罗公司,并同欧洲适航部门EASA对此类事件进行了调查并出了相应的适航指令和服务通告。上述故障的共性在于破裂的部位均在发动机短舱进气道部位。

罗罗公司将聚焦于运转一台用于宽体飞机的“超扇”大型齿轮传动涡扇发动机的验证机。

目前民用涡扇飞机在该位置普遍安装有声衬,其功能是用以降低发动机风扇等的噪声。随着前一段时间关于此故障的报道,消声短舱声衬的结构强度问题受到了广泛关注。中国飞机强度研究所作为国内唯一的飞机强度专业研究与验证机构,先后承担了中国航空工业集团公司、民机专项等归口的消声短舱研究项目,并就设计分析与试验验证技术等还与欧盟多家单位开展合作研究,目前正在进展当中。

MTU航空发动机公司将继续研发用于普惠下一代齿轮传动涡扇发动机的技术。

发动机短舱声衬的功能

透博梅卡公司将演示一台基于阿蒂丹3的1800 hp级涡桨发动机。

随着民用航空工业的发展,噪声与振动水平已成为影响型号市场竞争力的重要技术指标和筹码,民用飞机的噪声振动控制是各国研制民用大型客机并争取市场份额的关键技术之一。而发动机作为飞机的动力装置,是最主要的噪声源。从国内外民用航空研究和发展经验来看,通过应用短舱声衬消声技术可有效降低涡扇发动机的噪声,提高型号的噪声适航性、显著改善座舱噪声/振动环境,提高结构安全性以及市场竞争力。实际上,近50年发动机技术的快速发展一直均伴随着短舱声衬技术的发展与进步。尤其是自1970年以来大涵道比发动机的发展,以及80年代后一代接一代消声短舱的问世,大幅降低了飞机噪声的辐射。可以说,短舱声衬技术是降低发动机噪声性价比最高、改变发动机工作条件最小的一项技术。国内外均投入了大量的研究力量持续进行改进。

阿维奥航空公司将制造一台GE新启动的850~1600 shp系列涡桨发动机的验证机。

目前,几乎全部民用涡扇发动机都装配有消声短舱和专门设计的声衬。虽然结构形式不尽相同,但随着设计制造年代的推进大体呈现出消声频带越来越宽、结构重量越来越轻、同时加工维护成本越来越低的规律。以目前最先进的A380型飞机上安装的声衬为例,其具有非常高的吸声频带宽度和效能,可明显同时降低多个风扇纯音噪声及其谐波。而使用轻质复合材料替代传统的金属材料制造、周向无安装拼缝的柔性成型工艺、覆盖风扇前后整个外涵道则是其结构设计上的特点,也代表了未来消声短舱的发展方向。

SMA发动机公司将制造一台采用喷气燃料的高功率密度往复式活塞发动机,用于小型运输机。

短舱声衬的载荷特点

相比“净洁天空”计划,MTU公司在“净洁天空2”中将承担更大的职责,作为核心伙伴领导WP4工作包,负责制造已经投入测试的SAGE 4验证机。该机曾用于测试用于普惠第2代齿轮传动涡扇发动机的压气机和涡轮技术,以及阿维奥公司的一体化风扇驱动系统、Sener公司的进口导流叶片电动作动系统、GKN航宇的轻重量涡轮排气机匣吸声衬垫。MTU将在WP4工作中推进第2代GTF的其他技术趋于成熟,使发动机耗油率相比第1代PW1000G降低10%,与基线的V2500相比则会下降25%,MTU公司的工作重点仍将是低压压气机和涡轮部件。

除了具有降噪的作用外,短舱声衬作为进气道部件的构成零件之一,还担负着构成进气道的气动外形的作用,为大量的发动机进气提供通道。所以首先它所承受的载荷之一便是强大的气流压力。除此之外,声衬靠近进气道的一面暴露在低温气流下,背面则会受到发动机和短舱内置的防冰管路的烤炙。冷热对比形成的温度梯度会加剧结构的负担。再者,声衬属于多孔结构,容易吸收空气中的潮气并在高空中凝结结冰,这也会对复材结构产生诸如腐蚀、膨胀等问题,尤其当附加上振动以后更容易引起疲劳破坏。综合来看发动机短舱声衬的工作环境还是比较恶劣的。

“净洁天空2”下的其他验证机还包括斯奈克玛计划2016年夏天开始地面试验的SAGE 2对转开式转子发动机,罗罗公司SAGE 3 低压系统和SAGE 6贫油燃烧项目。WP1工作包基于SAGE 2项目,计划将斯奈克玛的推进式齿轮传动开式转子发动机安装到空客A340飞机后机身进行飞行试验。斯奈克玛公司表示开式转子是唯一可将CO2排放将比CFM56降低30%的发动机结构形式,是满足2030及以后环境目标的最大选择,而目前作为CFM56的继任者Leap只能降低15%。SAGE 2 地面验证机目前正在斯奈克玛位于法国弗农的工厂组装,推力为25000 lb,可调桨距转子直径4.2米,转速每分钟800转。

根据空客A330飞机发动机短舱进气道部位结构破裂的故障报道,可以看出由于TR700型发动机的进气道采用了大量的复合材料,上述载荷的综合作用便极有可能是导致此次故障的原因。在罗罗公司的调查中,对发生此类事件的主要归因定为:进气罩消声面板的分层脱离,导致消声面板容易在分层脱离的位置破裂。这是对声衬结构本身初始破坏源头的分析;进气道隔框发现的一些铆钉的松脱,使得进气整流罩的外层蒙皮和主结构间受力变小,在强大气流的作用下就有可能脱落。这是对声衬与进气道组合体传力路径失效的分析。

这台发动机将在法国伊斯特尔飞行试验中心在建的露天试车台上进行试验。SAGE 2 验证机采用M88发动机的核心机,将对不同动力齿轮系统、旋转框和螺旋桨桨距控制装置进行演示验证,这些都是对转开式转子的最大挑战。飞行试验将考察开式转子发动机在安装中碰到的问题和在飞行中的表现,尤其是与机身之间的相互影响。由于开式转子在噪声和安全性方面存在挑战,目前仍被排除在下一代单通道客机的选择之外。不过SAGE 2 将验证其他一些能够实用的结构技术,比如增加外涵道。

同时作为弥补方案,罗罗公司提供的解决办法包括:进厂作改装,使用加强的材料;定期重复检查,如发现损伤,进行相应的评估和放行。不难看出,这两条解决办法的核心思路即补强加维护。

斯奈克玛承担的WP2工作包则计划验证超高推进效率发动机——用于中短程客机的超高涵道比涡扇发动机,采用低压比风扇和面积可调的风扇出口导叶,并着重于发动机与飞机的一体化,特别是发动机安装结构的一体化。罗罗公司在“净洁天空2”计划下的发动机集成技术验证项目包括WP5和WP6两个工作包,主要集中在公司自己的“超扇”大型齿轮传动涡扇发动机上。按照计划用于超扇的Advanced3核心机将在2016年运转,目标是比目前的遄达700核心机效率改善20%。完整的超扇验证机将在2021年运转,涵道比超过15,而遄达700只有5,整机效率将提高25%以上。同时还将开展使能技术成熟工作。

短舱声衬设计考虑

“净洁天空2”将演示验证的发动机类型比目前的项目要宽的多,其中已被GE公司收购的意大利阿维奥航空工业公司也首次参与该计划并成为核心伙伴,领导新增的WP8工作包中小型涡轴发动机的集成技术验证。这台验证机将成为GE公司已经启动的850~1600 shp涡桨发动机系列的基础,目标是相比2014年发动机水平将燃油效率提高15%、运营成本降低10%、噪声减小10dB。

短舱声衬的降噪功能的重要在于,若在设计中没有充分考虑载荷和使用环境对强度和寿命的影响将会埋下隐患。在设计当中如何综合考虑是飞行器结构设计专业的重要任务。

这台小型涡桨验证机将采用更高总压比的压气机、经济可承受的低排放燃烧室、低雷诺数涡轮和一体化低噪声螺旋桨。它还是“净洁天空2”新增的“小型航空运输”验证项目的一部分,后者将开展与通用航空和通勤飞机相关的协同研究,由法国SMA发动机公司领导的WP7工作包也将支持该项目。WP7将验证采用喷气燃料的200~350kW涡轮增压往复式活塞发动机,关键指标是功率密度达到2.5kW/kg。工作内容包括对发动机设置的优化,螺旋桨采用直接驱动方式,省去了齿轮传动系统。

首先在声学设计方面,需要发展的声阻抗模型,并通过大量实验验证其准确性。同时,针对不同发动机的声源特性,需要有针对性的设计主要降噪频率,结合进气道有限的布放区域,优化得出最佳的方案。再者针对强度和结构完整性,则要充分考虑多种载荷单独作用和综合作用时的后果,通过应力分析确定危险部位和破坏形式,并通过大量试验验证设计与分析的结果。尤其是采用了复合材料等新材料后,还应详细研究成型工艺、安装方式、维修保养等各个环节的问题。

在“净洁天空”计划下,透博梅卡已经开始了SAGE 5的首台验证机试车,是一台800~1000 kW级直升机动力装置的核心机,可使油耗降低15%,最终引出Arrano涡轴发动机的研发,用于空客的H160双发中型直升机。而在“净洁天空2”的发动机ITD中,透博梅卡的专注点转移到涡桨发动机,将在WP3工作包中对一台从阿蒂丹3涡轴发动机核心机衍生而来的涡桨发动机进行地面演示验证。该发动机将采用新的螺旋桨和齿轮系统设计,以及一体化的进气道和发动机短舱。

近年来,国内研究人员开展了有关声衬结构的研究,并且取得了一定的成绩。与国外研究情况相比,国内在消声短舱声衬方面的研究无论是针对吸声机理等科学问题的基础理论研究或探索性研究,还是针对设计、制造和试验验证技术等工程化问题,均有大量的科研项目支撑。如在十二五期间,强度所在航空工业创新基金的支持下,与北京航空航天大学等一起开展了 消声短舱声衬设计、制造和试验验证技术研究,研究结果为我国某型涡扇发动机运输机的声衬研制提供了技术支持。在民用飞机的应用当中,由于需求更加旺盛,在外涵道的声衬也大胆采用了复合材料作为基础,并使用柔性成型无缝工艺替代了多片拼接金属蜂窝结构。我国未来的民用飞机将采用的发动机涵道比更大、外涵道更短,这使得风扇前/后传噪声同时成为最主要的噪声源,并通过复杂的模态波形式向外辐射,所以民用飞机整个涵道必须采用声衬结构。同时,民机更加强调轻重量与高可靠性。因此,发展高效、轻质、覆盖全外涵道的无缝复材声衬结构,将成为我国消声短舱研制的目标。在未来一段时间内,还有必要通过进一步研究,形成更为系统的、符合民机设计要求的消声短舱声学及结构设计方法,掌握声衬结构制造关键工艺与加工技术,建立科学的消声效果测试和结构可靠性验证方法,为我国民机满足适航噪声标准及舱内舒适性要求,提供必要的技术支持。

功能与结构完整性试验验证

声衬作为新结构形式,对降噪功能与结构完整性考核提出了新的需求。一是研究新的声衬声学试验验证技术,具体指研究创新声衬阻抗提取技术、旋转声模态加载技术和宽频声模态提取技术。研究主要集中在更真实的流场、声衬结构以及较高水平的声激励等条件下测试和分析声衬的效果,以便更深入地理解声衬作用的物理机制。旋转声模态加载则是通过信号调制的方法,使包围在涵道外边界的扬声器发出具有明确相位关系的声波,在涵道内合成出模拟发动机风扇噪声特征的波前,作为测试声衬消声效果的输入。宽频声模态提取技术则是通过使用传声器阵列测量涵道内规定截面处的声辐射和湍流信息,并利用随机过程理论对湍流宽频噪声模式进行统计分析,有助于分析理解声衬对涵道内宽频噪声降低背后的机理。

二是研究新的声衬结构完整性试验验证技术,如同时考核气动静载荷高声强激励载荷的需求和同时考核结构内部结冰/融化叠加振动载荷的需求。这些试验在以往飞机结构完整性试验中很少实施,同时针对复材无缝声衬这样的新结构,将重点研究多种载荷协调加载、边界条件模拟,以及结果分析与改进设计等方面,发展出适合的结构完整性试验验证技术。

最后重新审视此次故障,发动机与飞机主机单位应当和短舱设计、制造与验证单位充分加强合作,针对其面临的多重载荷、结构响应和寿命开展具有针对性系统的验证工作。尤其针对使用新材料、新结构的消声短舱,在研制中不应仅考虑消声功能性,而应当充分研究其强度特性,为未来装机应用提供支撑。

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