看图说话,请问这台发动机的型号。已知它属于A320系列或B737NG。那么读者如何识别出它的身份呢?
线索就在于:在每个风扇叶片的中部偏外侧的位置上,都有一个从叶片两面伸出的“减振凸台”(mid-span shroud)。这是CFM56-5B与CFM56-7B、V2500等小伙伴对比的时候比较显著的特征。
01 这个缺口是什么?
仔细看12点钟位置。调高亮度、放大图片看细节。哦,原来这里有个缺口,现在看着十分显眼了!请问它是缺陷吗?并不是。
如果人在现场,请用手顺时针稍微扳动叶片——扳动下方够得着的叶片即可以——转动风扇,仔细观察12点钟位置,将会发现缺口位置左侧的叶片向右移动了一下,缺口被弥补,而左侧叶片敲击到右侧叶片,发出咔哒的声音。
接下来,新的缺口重新出现在原来的位置。风扇每转动10°,以上过程重复一次。由于CFM56-5B有36个叶片,在地面检查时,用手转动风扇一周,就会看到36个叶片逐次在12点钟位置偏移并发出一共36次咔哒声。
在中文里称为“减振凸台”的这个部位,使得原本只是相邻的风扇叶片现在可以相互接触了。每个叶片在到达最高处之前,都在重力的作用下,与左侧的叶片通过各自的减振凸台而贴紧;而当叶片越过了最高处,在重力的作用下与右侧的叶片接触。——这是在地面时的情况。
减振凸台在厂家手册中是mid-span shroud,它的表面有碳化钨涂层,并涂抹以固态的钼基润滑剂。叶片使用了一体成型的、强度很大但是也很沉重的钛合金材料,减振凸台起到了防止叶片变形以及减少振动的作用。
当发动机正常运转,各个减振凸台实际上是相互分开的,彼此保持很小的间隙。凸台改善了附近区域的气流,通过空气动力学原理——而不是使相邻凸台机械接触——来帮助叶片减少振动。
02 叶片搭接是怎么回事?
有读者可能想起来了,例行检查中针对CFM56-5B有一项特别的要求——确认叶片无搭接。前文实际上已经给出了操作方法:转动风扇叶片一周,观察12点位置、听声音。那么“叶片搭接”是怎么回事呢?
减振凸台的设计初衷是防止叶片变形以及减少振动,但是也带来了“叶片搭接”的问题。在叶片在正常范围内有扭曲倾向时,减振凸台抵抗这种倾向,但是当发生鸟击或者由于其他原因,叶片发生了严重变形,相邻叶片的凸台就可能发生错位并重叠,这将严重破坏叶片动量的周向对称性,表现为N1振动值过大。下图是一个案例。
这就是风扇叶片的搭接,手册中是 fan blade shingling。其定义的原文如下—— A condition when one fan blade mid-span shroud moves over the other (usually when something hits the fan). It is called shingled when fan blade mid-span shroud stays overlapped on the other. The condition can also occur to the blade tip shrouds on the LPT rotor (Stg. 3 and 4). The condition on the LPT is usually caused by a loss of span-twist, too much radial movement, etc.
在这里可以看到,低压涡轮也有减振凸台的设计,以及叶片搭接的问题。
03 风扇减振新解法
装备于A320的CFM56-5B,其风扇叶片技术属于1980年代,同时代的B737经典款装备CFM56-3B,同样使用了减振凸台。诞生于1990年代的B737 NG,配备CFM56-7B,它虽然也使用了钛合金叶片,但却突破性地采用了“宽弦”设计,因此风扇叶片减少到24片——前面提到过,CFM56-5B是36片,因此是减少了1/3。
在宽弦设计的帮助下,风扇终于取消了减振凸台。在相同的直径上,单个叶片的宽度更长了,这就是“宽弦”设计。同样应用于A320的V2500发动机更进一步,风扇叶片进一步减少到了22片。
宽弦设计、新型材料是整个发动机制造业为减少风扇叶片振动而选择的方向;这些变化同样带来了经济效益的显著提升。
A320 NEO的两种发动机选型均采用宽弦的风扇叶片,PW1100G有20个叶片,而LEAP 1-A仅有18个叶片。
宽弦设计并非理论上的新突破,只是借助于计算机辅助设计以及新材料的运用才走得更远。风扇叶片不再是预先扭曲、一体成型的单一金属材料,而是由不同种类、不同结构的材料拼接而成,这就为创新设计的落地带来了更多的可能性。
在新型材料这个分支上,更轻更强更耐撞击的材料和设计,以及工艺上的实现,使宽弦风扇区分了来自罗罗公司的第一代和同样来自罗罗公司的第二代,而目前普惠公司的第三代宽弦叶片也已在路上。
互动环节:
1、请分别说出CFM56-5B、CFM56-7B、V2500、PW1100G和LEAP 1-A各有多少个风扇叶片。
2、请分享其他帮助风扇叶片减振的技术。