某受鸟击发动机的损伤及运行分析

姬鹏飞 任炎炎 吴宪 林育森

摘要：针对一台发生鸟击的CFM56发动机，分析了飞行监控数据，并对发动机进行了分解检查，研究了鸟击对发动机造成的直接和间接损伤。以此为基础分析总结了鸟击发生后发动机的运行情况。

关键词：鸟击；航空发动机；损伤分析；运行分析

Keywords：bird-strike；aero-engine；damage analysis；operation analysis

0 引言

鸟击是指飞行中的飞行器与鸟类或蝙蝠发生碰撞的事件 [1] 。鸟击对飞行器的危害很大，甚至可能造成飞行器坠毁。有研究表明，鸟击造成飞机坠毁的主要原因是发动机因遭受鸟击而失效 [2] 。

鸟击对航空发动机造成的损伤主要为叶片损坏甚至脱落，进而造成旋转失速和喘振。鸟击产生的残骸还会随气流通道移动进而引发流道阻塞，导致包括冷却失效在内的其他故障，最终导致推力损失和空中停车等严重事故 [3-4] 。

对发动机管理与送修而言，鸟击发动机的情况很复杂，加大了工作范围制定的难度，修理过程中又涉及性能和成本间的平衡，这些均给鸟击发动机的管理与送修带来挑战。

对鸟击后发动机的研究有助于分析鸟击造成的损伤，了解鸟击对发动机运行的影响，对于发动机设计、发动机维护修理特别是视情维修等都有现实意义。

本文针对一台发生鸟击的CFM56发动机，分析其飞行监控数据，对发动机进行分解检查，研究了鸟击对发动机造成的直接和间接损伤，并以此为基础分析总结了鸟击发生后发动机的运行情况。

1 在翼监控数据分析

某航班在起飞阶段报告发生剧烈振动，推力损失，后经确认为鸟击事件。

提取在翼监控数据后，对低压转子转速、高压转子转速、排气温度、燃油流量、低压转子振动、高压转子振动等参数进行了分析，如图1所示。最先发生变化的参数是低压转子振动，因此假设低压转子振动发生跃升的时间为鸟击发生的时间T0。

从T0开始，低压、高压转子转速和燃油流量开始发生波动。T0+1s时低压转子振动瞬间超过记录极限5Unit，一直持续到鸟击发生约2min后发动机减速到慢车时才降低到3.8Unit左右，已经接近下发标准的4Unit。高压转子振动也在鸟击瞬间迅速增大，并于T0+3s超过记录极限5Unit。但高压振动在T0+12s开始迅速降低，之后保持在1Unit以下。

排气温度从T0+1s开始逐渐增加，结合燃油流量的变化可以推断发动机运行效率逐渐恶化。排气温度到T0+12s时达到最高，之后开始降低，这是由于燃油流量从T0+10s开始明显下降。放气活门也在T0+10s被开启，因此判断在T0+10s附近发动机触发了发动机旋转失速而引发喘振保护，主动降低了燃油流量，并开启了放气活门。受此影响高压转子转速和低压转子转速显著下降，随后高压转子振动大幅下降。

T0+10s之后虽然油门杆依旧保持在起飞状态，但发动机低压转子转速只保持在87%附近，显示发动机已经出现了明显的推力损失。T0+28s后飞行员收油门将发动机推力主动降低到巡航推力附近，后又降低至慢车。随后飞机依靠另一台发动机成功降落。

2 损伤分析

该发动机在航班结束后进行了检查，发现发动机受损严重，如图2所示。随后该发动机被换下，送往大修厂进行维修。

2.1 外观检查

发动机进厂后，首先使用黑光灯对发动机外围进行检测，发现风扇叶片等多处有明显的荧光反应，如图3所示，进一步确认该发动机在运行过程中发生鸟击。

检查发现损坏最为严重的叶片存在面积最大的荧光痕迹，并存在明显的材料缺失，其相邻两叶片上也发现了明显荧光痕迹，因此判断该叶片即为被鸟击中的位置。其他风扇叶片和风扇包容机匣也发现一些荧光痕迹。其中，风扇叶片出现弯曲、叶尖撕裂等损伤，风扇机匣出现撞击损伤，经过判断是由鸟的残骸和受到撞击后脱落的叶片材料共同导致的。此外，风扇叶片的损伤所導致的低压转子不平衡也被认为是发动机低压转子高振动的主要原因。

检查后部的风扇出口静子叶片，发现严重损伤及荧光痕迹，而对内涵道的黑光灯检查没有发现明显荧光痕迹，因此认为鸟在撞击到风扇叶片后其残骸大部分随着外涵道气流流动，经过外涵道离开了发动机。

2.2 内部检查

经过全面的内部分解检查，除外部检查暴露的直接损伤外，鸟击对该发动机造成的损伤大体上可分为静转子接触类损伤和附着物两类。

1）静转子接触类损伤

发动机的内部分解检查结果显示，压气机机匣表面存在刮磨痕迹（见图4），与之配合的压气机叶片叶尖发现刮磨和部分材料缺失（见图5）；叶片前后缘发现刮磨；涡轮叶片和与之配合的罩环之间也发现刮磨；对叶片高度的测量结果表明发动机压气机叶片的叶高损失严重。此外，多处篦齿封严面之间发现严重磨损。可见，鸟击发生后，发动机的转子产生剧烈振动，导致静子和转子之间无法保持合适间隙，静转子发生接触刮磨。

高压转子的检查显示，高压转子的损伤导致的转子不平衡并不是造成高压振动大幅增长的主要原因。在翼监控数据显示，高压振动在鸟击发生后12s左右就随着发动机旋转失速触发喘振保护而明显恢复。因此，判断认为造成高压转子高振动的主要原因是旋转失速。

2）附着物

检查中发现，燃烧室、高压涡轮及低压涡轮气流通道部件上均有黑色附着物，如图6所示。

在对黑色附着物取样后进行了扫描电镜–能谱分析。表1为附着物能谱分析结果，可见附着物中主要含有氧铝硅镍四种元素。

将该附着物的成分与CFM56发动机部件的材料进行比对，发现低压压气机耐磨层的成分与能谱分析结果相符。

分解检查的结果也显示低压压气机耐磨层出现了严重刮磨，大量耐磨层材料被刮下，如图7所示。因此，判断附着在发动机内黑色附着物中的铝、硅主要来自于低压压气机耐磨层的铝硅聚酯纤维涂层 [5] ，而其中的镍元素应来自于被刮磨的镍基高温合金。

从以上结果可以得出，鸟击发生后，低压压气机叶片与耐磨层之间产生严重刮磨，耐磨层材料沿发动机气流通道流动，在经过燃烧室、高压涡轮及低压涡轮时，受高温影响又重新附着在发动机部件上。

3）鸟击发动机损伤总结

进厂检查的结果显示，鸟击对发动机造成的直接损伤主要集中在风扇叶片、风扇包容机匣等外涵部件。同时，鸟击也间接造成了发动机内部部件的损伤，包括压气机、涡轮叶片与机匣等配合件、篦齿封严等部件。

风扇作为涡扇发动机产生推力的主要部件，它的损伤会影响发动机推力和气动效率。静转子接触损伤造成的影响包括：叶片和机匣的损伤，进而影响叶片叶形；加大叶片与机匣的间隙，从而影响气动效率；脱离的材料还会造成其他部件的损伤；篦齿封严的磨损，增加漏气量进而影响发动机运行效率。附着物附着在叶片表面会改变叶片叶形，影响气动效率；附着在气膜冷却通道会造成冷却通道阻塞，进而造成烧蚀等。这也解释了鸟击发生后发动机运行持续恶化，进而发生旋转失速和推力损失的原因。

3 鸟击后发动机运行情况

综上所述，鸟击发生后，发动机风扇叶片被鸟直接命中，鸟的残骸和脱落的发动机材料随气流流动损伤了其他风扇叶片及其他发动机部件，随后，大部分残骸随着气流流经外涵道离开发动机。

风扇叶片的损伤造成了低压转子不平衡，导致低压转子剧烈振动。振动导致了静转子接触和附着物的产生，发动机运行效率显著降低。发动机随后产生旋转失速并导致高压转子振动增加，加剧了静转子接触，使发动机运行情况进一步恶化，排气温度持续增加。发动机控制系统监测到旋转失速并触发旋转失速和喘振保护，抑制了旋转失速。此时发动机已经无法维持起飞推力的转速，发动机推力明显损失。最后飞行员主动降低发动机推力直至慢车，航班依靠另一台发动机安全降落。

4 结束语

本文研究总结了某受鸟击的CFM56发动机的损伤情况和鸟击后发动机的运转情况，对发动机设计、发动机维护和修理特别是针对性的视情维修有现实意义。

参考文献

[1] Hedayati R，Sadighi M. Bird strike：an experimental，theoretical and numerical investigation [M]. Woodhead Publishing，2015.

[2] Blokpoel H. Bird hazards to aircraft：problems and prevention of bird/ aircraft collisions [M]. Clarke Irwin；[Ottawa] ：Canadian Wildlife Service，Environment Canada：Pub. Centre，Supply and Services Canada，1976.

[3] Avrenli，Kivanc A，Dempsey，Barry J. From Yesterdays Three- and Four-Engine Airliners to Twin-Engine Airliners：Are Bird Strikes More Hazardous for Todays Twin-Engine Aircraft· [A]. Transportation Research Board 94th Annual Meeting，2015，15-0314.

[4] Mishra R K，Ahmed S I，Srinivasan K. Investigation of a Bird Strike Incident of a Military Gas Turbine Engine[J]. Journal of Failure Analysis and Prevention，2013，13（6）：666-672.

[5] 崔慧然，李宏然，崔啟政，等.航空发动机及燃气轮机叶片涂层概述[J]. 热喷涂技术，2019，11（1）：88-100.

作者简介

姬鹏飞，工程师，主要从事CFM56、LEAP系列航空发动机的维修工作。