论文部分内容阅读
摘要：以V2500发动机进气道声衬结构表面金属丝网典型的分层损伤为例，浅析其检查修理方法，并结合维修过程中的实际经验数据，对不同程度损伤修理方法的选用进行分析总结，提出使用低粘性胶带检测法可以更加准确地检查判定修理损伤，降低修理后分层损伤继续扩展的风险，减少不必要的临时停场换件。同时，针对大面积金属丝网分层损伤提出了经济可持續的金属丝网更换方案，可在不影响原有进气道声衬结构有效消音面积的情况下对损伤进行修复。
关键词：修理；声衬；分层；金属丝网；进气道
Keywords：repair；acoustic liner；delamination；wire mesh；inlet cowl
0 引言
大涵道比涡扇发动机作为目前商用飞机最可行的推进方式，拥有功率大、油耗低的优点。其噪声主要包括风扇噪声、核心机噪声以及喷流噪声。随着涵道比的不断增加，喷流速度逐渐降低，喷流噪声所占的比重也越来越小，风扇噪声已经成为现代大涵道比涡扇发动机最主要的噪声源，而在短舱内铺设声衬是目前最有效的抑制风扇噪声的方法[1]。进气道作为重要的发动机短舱部件，声衬结构对前端风扇噪声起到了很好的抑制作用。
A320飞机进入中国已经20多年，在机队运行中经常会遇到V2500进气道消音板声衬结构损伤（见图1），其中最典型的是表面金属丝网分层，此类故障对发动机的正常工作、飞机的正常运营乃至飞行安全都有重要影响。在实际维修过程中，手册给定的检查办法难以满足实际工作需求，很难检查出消音板声衬结构表面区域较小或者金属丝网贴合平整的分层区域，对于甄别粘接强度不足的潜在分层区域更是增加了难度。如果首次维修不能完全检查并去除损伤及其周边的潜在分层、完成对损伤区域的修理，投入运营不久将在修理区域周围继续产生新的分层损伤，不仅会产生不必要的临时停场，还会再次扩大修理堵塞区域，使得航线可修裕度进一步缩小。现有维修资料给定的修理方法会在原始消音板声衬结构上造成不可恢复的堵塞区域，影响进气道对发动机风扇噪声的实际降噪作用，且修理范围十分有限。如果航空公司备件不足，可能会对飞机的正常运行造成影响。
1 进气道声衬结构介绍及现有典型损伤修理说明
1.1 声衬结构介绍
进气道声衬结构是一种基于共振吸声结构制造的蜂窝穿孔板，由一定厚度的蜂窝芯材和上下两层面板组成，其中上层为钻有一定数量孔眼的穿孔板或者金属丝网和开孔碳纤织网复合粘接层（见图2）。当声波进入蜂窝芯格后，蜂格中的空气被扰动，使声波变成热能消散掉，起到降噪的作用。这种结构重量轻、强度高、刚性大、稳定性好，降噪效果良好[2]。例如，CFM56-5B发动机进气道声衬结构面积为3831[3]，而V2500-A5发动机进气道声衬结构面积已达到4097，是风扇机匣区域声衬面积的2.6倍[4]。
1.2 声衬结构典型损伤情况
V2500进气道声衬结构的表面金属丝网与下层开孔碳纤织网通过环氧树脂胶粘接在一起，内部的芯材为大孔径Nomex蜂窝。由于长期处于风扇噪声区域，部分金属丝网会产生塑性变形，分散的小鼓泡外观明显可见。在复杂运行情况下，随着使用寿命的增加，粘接剂老化，粘接强度下降，声衬结构表面的金属丝网经常会与碳纤织网脱开分层。金属丝网分层区域更容易造成水汽存留，如果得不到及时检修，在高速引气流的作用下，分层损伤会进一步扩大，甚至导致声衬结构失稳，严重影响飞行安全。随着机队机龄的增长，现有手册方案在损伤检查方法和修理适用范围也暴露了一定的局限性。
1.3 手册检查修理方法
现有维修手册对于此类损伤的推荐检查办法为敲击测试和目视检查，但在实际维修工作中，这两种办法很难发现金属丝网较小或者表面贴合平整的分层区域。借助辅助光源检查和表面按压检查虽然可以很好地确定表面带有微量起伏的分层区域，但同样很难发现金属丝网表面贴合平整的分层区域。
对于不超过144（A1构型为72）的小区域表面金属丝网损伤（如撕裂、穿孔、分层），现有手册修理会将损伤的金属丝网去除后进行填胶铺布修理[5]，经过这样修理的区域会产生消音堵塞区，失去原有的降噪功能。对于单块声衬结构表面金属丝网损伤区域超过144（A1构型为72）的情况，需要向OEM申请超规范修理批准。当累积消音堵塞面积超过300（A1构型为137）时，则需要更换新的消音板，以恢复进气道消音声衬结构的降噪性能，满足持续适航要求。
通过对进场检修进气道的长期观察发现，随着使用时间的延长，部分进气道的声衬结构修理区域会在周围区域继续产生表面金属网分层，而修理铺层仍然粘接状态良好。究其原因，新出现的金属丝网分层在损伤去除时，其实际接合面粘接剂已经老化，与底层开孔碳纤维织网的粘接强度不足，但由于没有出现直观的分层损伤，一般检查过程无法发现此类粘接强度不足的区域，而恢复运行后很快就会出现新的分层。对于缺少备件的航司来说，再次拆换维修进气道不仅要考虑高昂的短期租借费用，还要面对不可逆转的大面积修理区域消音堵塞问题。
因此，为保证航空器持续适航，满足飞机运行要求，及时地发现此类声衬结构表面损伤、准确评估优选方案、合理选择实施修理就显得尤为重要。
2 声衬结构典型损伤的检修建议
基于现有手册方案的影响，根据实践生产经验总结补充的低黏性胶带粘接检查办法可以尽可能地延长修理寿命，避免损伤短期内继续扩展产生不必要的临时停场拆换。而经济可持续的表面金属丝网更换方案则可以更大限度地扩充可修范围，降低高昂的换件成本。具体检修建议如下。 2.1 检查确定损伤范围
使用低黏性胶带粘接检查办法，准确划定分层区域和粘接状态严重退化的粘接失效区域。在不破坏原有进气道声衬结构表面金属丝网粘接强度的同时，全面发现并去除损伤，有效降低表面修理区域再度发生分层的风险，提高停场检修的可靠性，尽可能避免短期修理后的临时拆换，保障机队正常运行。
具体办法是将小块低黏性胶带粘贴在疑似分层区域处，缓慢垂直撕拉。如果粘贴的金属丝网表面有起伏，则可以确定该区域存在分层；如金属丝网与本体结构贴合完好、丝毫未动，则该区域粘接状态良好。实测数据显示，V2500进气道的金属丝网与碳纤织网的实际粘接强度不小于7N/cm（17.78 N/in）。
借助3M胶带技术数据单（TDS）中不同胶带对钢的ASTM D-3330标准粘接强度值，通过理论计算可以获得不同胶带按照ASTM D-3167标准测试的理论粘接强度值[6-8]。再将不同的3M胶带粘贴在V2500进气道试样表面，按照ASTM D-3167标准进行浮辊剥离测试，获得胶带的实际粘接强度值[9]。对比两列数据不难发现，实测最大值与理论计算值基本一致（见表1）。
通过对照表1中三种不同3M胶带ASTM D-3167标准测试的理论粘接强度值，可以判断选用3M Tape 232和3M Tape 8902进行低黏性胶带粘接检查金属丝网分层是可行的。而3M 425的理论粘接强度接近原始金属丝网的粘接强度17.78N/in，不建议在引入时间较长的进气道上使用，以防止在撕拉去除胶带的过程中产生额外的金属丝网分层损伤。
2.2 选择适用的修理方案
在V2500进气道单块消音板金属丝网损伤区域不超过144（A1构型为72）的情况下，可以参考前述流程检查确定损伤，选择适用的手册方案完成修理。
对于单块消音板金属丝网损伤区域超过200（A1构型为112）、接近300（A1构型为137）的情况，可以向OEM申请批准超规范修理方案，但需做好进一步工程评估，因为修理后会出现大面积消音堵塞区域，接近手册规定的累积消音堵塞面积极限，导致后续航线可修理裕度很小，再次维护成本将大幅度提高。此时，经济可持续的表面金属丝网更换方案会是更好的选择，可以在保证原有消音声衬结构面積的前提下修复大面积金属丝网分层损伤。
近年来，国内企业复合材料维修能力不断提升，一些工程技术能力较强的航司和MRO已经具备了此项表面金属丝网更换能力。OEM修理厂也在紧跟市场需求，积极开发使用此类经济可持续的维修方案。
3 结束语
随着我国民航业的发展，关于飞机噪声的研究不断深入，发动机声衬结构降噪技术受到更多的关注。国产大飞机商业运营时代已经开启，作为工程技术人员当响应新时代民航强国战略发展要求，不断提升自主创新和工程实践能力。
本文以典型的V2500发动机进气道声衬结构表面金属丝网分层损伤为例，浅析其检查修理办法，并根据实际维修经验提出适当检查修理建议，增强修理的耐久性和可持续性。通过对进气道声衬结构表面损伤范围的准确判定，快速选择解决方案，保障飞机的适航安全和平稳运营。
参考文献
[1] 陈超，闫照华，李晓东.风扇后传声降噪声衬设计方法及实验验证[J].航空动力学报，2018，33（12）：3041-3047.
[2] 纪双英，郝巍，刘杰.共振吸声结构在航空发动机的应用进展[J].航空工程进展，2019，10（3）：302-308.
[3] Goodrich. CFM56-5BNacelle Structural Repair Manual [Z]. 2020：95-105.
[4] Goodrich. V2500 Nacelle Structural Repair Manual Publication Reference[Z]. 2021：122-125.
[5] Goodrich. V2500 Nacelle Structural Repair Manual Publication Reference[Z]. 2021：960-972.
[6] 3M. 3M？Polyester Tape 8902Technical Data Sheet [Z]. 2017.
[7] 3M.Scotch？ High Performance Masking Tape 232Technical Data Sheet[Z]. 2011.
[8] 3M. 3M？ Aluminum Foil Tape 425.427 Technical Data Sheet [Z]. 2015.
[9] ASTM International. Standard Test Method for Floating Roller Peel Resistance of Adhesives [S]. 2017.
作者简介
刘伟，工程师，主要从事民用航空飞机结构及复合材料维修工作。
刘燕涛，高级工程师，主要从事民用航空飞机复合材料及机体部件维修管理工作。
关键词：修理；声衬；分层；金属丝网；进气道
Keywords：repair；acoustic liner；delamination；wire mesh；inlet cowl
0 引言
大涵道比涡扇发动机作为目前商用飞机最可行的推进方式，拥有功率大、油耗低的优点。其噪声主要包括风扇噪声、核心机噪声以及喷流噪声。随着涵道比的不断增加，喷流速度逐渐降低，喷流噪声所占的比重也越来越小，风扇噪声已经成为现代大涵道比涡扇发动机最主要的噪声源，而在短舱内铺设声衬是目前最有效的抑制风扇噪声的方法[1]。进气道作为重要的发动机短舱部件，声衬结构对前端风扇噪声起到了很好的抑制作用。
A320飞机进入中国已经20多年，在机队运行中经常会遇到V2500进气道消音板声衬结构损伤（见图1），其中最典型的是表面金属丝网分层，此类故障对发动机的正常工作、飞机的正常运营乃至飞行安全都有重要影响。在实际维修过程中，手册给定的检查办法难以满足实际工作需求，很难检查出消音板声衬结构表面区域较小或者金属丝网贴合平整的分层区域，对于甄别粘接强度不足的潜在分层区域更是增加了难度。如果首次维修不能完全检查并去除损伤及其周边的潜在分层、完成对损伤区域的修理，投入运营不久将在修理区域周围继续产生新的分层损伤，不仅会产生不必要的临时停场，还会再次扩大修理堵塞区域，使得航线可修裕度进一步缩小。现有维修资料给定的修理方法会在原始消音板声衬结构上造成不可恢复的堵塞区域，影响进气道对发动机风扇噪声的实际降噪作用，且修理范围十分有限。如果航空公司备件不足，可能会对飞机的正常运行造成影响。
1 进气道声衬结构介绍及现有典型损伤修理说明
1.1 声衬结构介绍
进气道声衬结构是一种基于共振吸声结构制造的蜂窝穿孔板，由一定厚度的蜂窝芯材和上下两层面板组成，其中上层为钻有一定数量孔眼的穿孔板或者金属丝网和开孔碳纤织网复合粘接层（见图2）。当声波进入蜂窝芯格后，蜂格中的空气被扰动，使声波变成热能消散掉，起到降噪的作用。这种结构重量轻、强度高、刚性大、稳定性好，降噪效果良好[2]。例如，CFM56-5B发动机进气道声衬结构面积为3831[3]，而V2500-A5发动机进气道声衬结构面积已达到4097，是风扇机匣区域声衬面积的2.6倍[4]。
1.2 声衬结构典型损伤情况
V2500进气道声衬结构的表面金属丝网与下层开孔碳纤织网通过环氧树脂胶粘接在一起，内部的芯材为大孔径Nomex蜂窝。由于长期处于风扇噪声区域，部分金属丝网会产生塑性变形，分散的小鼓泡外观明显可见。在复杂运行情况下，随着使用寿命的增加，粘接剂老化，粘接强度下降，声衬结构表面的金属丝网经常会与碳纤织网脱开分层。金属丝网分层区域更容易造成水汽存留，如果得不到及时检修，在高速引气流的作用下，分层损伤会进一步扩大，甚至导致声衬结构失稳，严重影响飞行安全。随着机队机龄的增长，现有手册方案在损伤检查方法和修理适用范围也暴露了一定的局限性。
1.3 手册检查修理方法
现有维修手册对于此类损伤的推荐检查办法为敲击测试和目视检查，但在实际维修工作中，这两种办法很难发现金属丝网较小或者表面贴合平整的分层区域。借助辅助光源检查和表面按压检查虽然可以很好地确定表面带有微量起伏的分层区域，但同样很难发现金属丝网表面贴合平整的分层区域。
对于不超过144（A1构型为72）的小区域表面金属丝网损伤（如撕裂、穿孔、分层），现有手册修理会将损伤的金属丝网去除后进行填胶铺布修理[5]，经过这样修理的区域会产生消音堵塞区，失去原有的降噪功能。对于单块声衬结构表面金属丝网损伤区域超过144（A1构型为72）的情况，需要向OEM申请超规范修理批准。当累积消音堵塞面积超过300（A1构型为137）时，则需要更换新的消音板，以恢复进气道消音声衬结构的降噪性能，满足持续适航要求。
通过对进场检修进气道的长期观察发现，随着使用时间的延长，部分进气道的声衬结构修理区域会在周围区域继续产生表面金属网分层，而修理铺层仍然粘接状态良好。究其原因，新出现的金属丝网分层在损伤去除时，其实际接合面粘接剂已经老化，与底层开孔碳纤维织网的粘接强度不足，但由于没有出现直观的分层损伤，一般检查过程无法发现此类粘接强度不足的区域，而恢复运行后很快就会出现新的分层。对于缺少备件的航司来说，再次拆换维修进气道不仅要考虑高昂的短期租借费用，还要面对不可逆转的大面积修理区域消音堵塞问题。
因此，为保证航空器持续适航，满足飞机运行要求，及时地发现此类声衬结构表面损伤、准确评估优选方案、合理选择实施修理就显得尤为重要。
2 声衬结构典型损伤的检修建议
基于现有手册方案的影响，根据实践生产经验总结补充的低黏性胶带粘接检查办法可以尽可能地延长修理寿命，避免损伤短期内继续扩展产生不必要的临时停场拆换。而经济可持续的表面金属丝网更换方案则可以更大限度地扩充可修范围，降低高昂的换件成本。具体检修建议如下。 2.1 检查确定损伤范围
使用低黏性胶带粘接检查办法，准确划定分层区域和粘接状态严重退化的粘接失效区域。在不破坏原有进气道声衬结构表面金属丝网粘接强度的同时，全面发现并去除损伤，有效降低表面修理区域再度发生分层的风险，提高停场检修的可靠性，尽可能避免短期修理后的临时拆换，保障机队正常运行。
具体办法是将小块低黏性胶带粘贴在疑似分层区域处，缓慢垂直撕拉。如果粘贴的金属丝网表面有起伏，则可以确定该区域存在分层；如金属丝网与本体结构贴合完好、丝毫未动，则该区域粘接状态良好。实测数据显示，V2500进气道的金属丝网与碳纤织网的实际粘接强度不小于7N/cm（17.78 N/in）。
借助3M胶带技术数据单（TDS）中不同胶带对钢的ASTM D-3330标准粘接强度值，通过理论计算可以获得不同胶带按照ASTM D-3167标准测试的理论粘接强度值[6-8]。再将不同的3M胶带粘贴在V2500进气道试样表面，按照ASTM D-3167标准进行浮辊剥离测试，获得胶带的实际粘接强度值[9]。对比两列数据不难发现，实测最大值与理论计算值基本一致（见表1）。
通过对照表1中三种不同3M胶带ASTM D-3167标准测试的理论粘接强度值，可以判断选用3M Tape 232和3M Tape 8902进行低黏性胶带粘接检查金属丝网分层是可行的。而3M 425的理论粘接强度接近原始金属丝网的粘接强度17.78N/in，不建议在引入时间较长的进气道上使用，以防止在撕拉去除胶带的过程中产生额外的金属丝网分层损伤。
2.2 选择适用的修理方案
在V2500进气道单块消音板金属丝网损伤区域不超过144（A1构型为72）的情况下，可以参考前述流程检查确定损伤，选择适用的手册方案完成修理。
对于单块消音板金属丝网损伤区域超过200（A1构型为112）、接近300（A1构型为137）的情况，可以向OEM申请批准超规范修理方案，但需做好进一步工程评估，因为修理后会出现大面积消音堵塞区域，接近手册规定的累积消音堵塞面积极限，导致后续航线可修理裕度很小，再次维护成本将大幅度提高。此时，经济可持续的表面金属丝网更换方案会是更好的选择，可以在保证原有消音声衬结构面積的前提下修复大面积金属丝网分层损伤。
近年来，国内企业复合材料维修能力不断提升，一些工程技术能力较强的航司和MRO已经具备了此项表面金属丝网更换能力。OEM修理厂也在紧跟市场需求，积极开发使用此类经济可持续的维修方案。
3 结束语
随着我国民航业的发展，关于飞机噪声的研究不断深入，发动机声衬结构降噪技术受到更多的关注。国产大飞机商业运营时代已经开启，作为工程技术人员当响应新时代民航强国战略发展要求，不断提升自主创新和工程实践能力。
本文以典型的V2500发动机进气道声衬结构表面金属丝网分层损伤为例，浅析其检查修理办法，并根据实际维修经验提出适当检查修理建议，增强修理的耐久性和可持续性。通过对进气道声衬结构表面损伤范围的准确判定，快速选择解决方案，保障飞机的适航安全和平稳运营。
参考文献
[1] 陈超，闫照华，李晓东.风扇后传声降噪声衬设计方法及实验验证[J].航空动力学报，2018，33（12）：3041-3047.
[2] 纪双英，郝巍，刘杰.共振吸声结构在航空发动机的应用进展[J].航空工程进展，2019，10（3）：302-308.
[3] Goodrich. CFM56-5BNacelle Structural Repair Manual [Z]. 2020：95-105.
[4] Goodrich. V2500 Nacelle Structural Repair Manual Publication Reference[Z]. 2021：122-125.
[5] Goodrich. V2500 Nacelle Structural Repair Manual Publication Reference[Z]. 2021：960-972.
[6] 3M. 3M？Polyester Tape 8902Technical Data Sheet [Z]. 2017.
[7] 3M.Scotch？ High Performance Masking Tape 232Technical Data Sheet[Z]. 2011.
[8] 3M. 3M？ Aluminum Foil Tape 425.427 Technical Data Sheet [Z]. 2015.
[9] ASTM International. Standard Test Method for Floating Roller Peel Resistance of Adhesives [S]. 2017.
作者简介
刘伟，工程师，主要从事民用航空飞机结构及复合材料维修工作。
刘燕涛，高级工程师，主要从事民用航空飞机复合材料及机体部件维修管理工作。