空氣渦輪起動機包容性研究

侯樂毅，陳靖華，鄭 妹

(中國航空工業集團公司金城南京機電液壓工程研究中心，南京211106)

1 引言

高能轉子非包容失效是指包容高能轉子機匣發生破壞被擊穿，高速高能的非包容碎片擊傷飛機機艙、油箱、電器控制線路和液壓管路等，造成機艙失壓、油箱泄漏起火、電器失靈、液壓機構無法動作等二次破壞，最終導致機毀人亡的嚴重空難[1-11]。隨著航空技術的快速發展和各航空大國對發動機包容問題的重視，一些新材料、高強度的機匣開始得到應用，發動機的非包容事故逐漸減少，但仍然時有發生。相比大中型航空發動機轉子，飛機第二動力系統轉子的轉速更高，一般約為70 000 r/min，其包容性問題更加突出。

國外的民用航空條例和軍用規范中都有專門的條文對第二動力系統轉子葉片包容性做出要求：產品發生故障時，進油或進氣管道不能斷裂，產品要保持在安裝支座上，包容結構應能包容高能轉子碎片(1/3輪盤碎片、輪轂和葉片、自由運轉到破壞產生的碎片)[12-14]。多家公司，如霍尼韋爾、漢勝等，也都有針對轉子葉片包容性的理論計算方法和試驗設備。但國外研究中，少有針對轉子葉片包容性的模擬分析、試驗方法和驗證手段的論述[15-19]。國內也進行了機匣包容性方面的研究，但主要是針對發動機的機匣/葉片[20-23]，幾乎未涉及第二動力系統轉子包容問題。特別是第二動力系統中的空氣渦輪起動機，直接在附件機匣上，周圍都是發動機燃油和滑油管路，轉子包容尤為重要，但鮮見對其包容性的研究報告。

某型空氣渦輪起動機為上世紀70年代產品，受當時技術條件限制，原設計未考慮包容要求。為解決該空氣渦輪起動機包容性問題，改進設計了其包容結構，并對改進后的包容結構進行了數值仿真和試驗驗證。

2 起動機包容結構和材料

該空氣渦輪起動機是通過整機設置保護切斷機構來降低超轉風險，未考慮包容要求。為實現其包容性，改進設計經歷了兩個階段。第一階段在起動機外部直接增加包容環。經過兩次摸底試驗(表1)，發現包容環與試驗臺連接的固定螺釘斷裂，包容環飛出，未能滿足包容要求(圖1)。第二階段更改了包容結構，在排氣罩內增加了包容環，具體結構見圖2。

表1 包容結構摸底試驗情況Table 1 Test Results of containment structure

兩個階段包容結構所采用的材料及設計參數見表2。

表2 包容結構材料和設計參數Table 2 Containment structure materials and design parameters

3 建模

3.1 幾何模型

第二階段空氣渦輪起動機的包容結構由渦輪、恒壓風門殼體、包容環和排氣罩四部分組成。為簡化模型，將可忽略的結構細節省略。空氣渦輪起動機的包容結構的三維幾何模型見圖3。由于渦輪盤三等分破裂時破裂碎片的能量最大，因此三維建模時將渦輪盤三等分。

3.2 有限元模型

有限元網格劃分之前需對相應的幾何模型進行簡化，如去除不必要的線段和清理小碎面等。為有效劃分六面體網格和實現不同部分設置不同網格密度對模型進行了切分。經過幾何處理后，使用hy?permesh12.0進行網格劃分。考慮到結構的實際構形，包容環和排氣罩采用8節點六面體單元，渦輪由于幾何形狀比較復雜采用4節點四面體單元，體單元均采用單點積分。圖4給出了各部件有限元網格模型及總體模型。

3.3 材料模型

為描述空氣渦輪起動機包容結構在包容過程中材料的變形、非線性和粘塑性，計算中渦輪、包容環、恒壓風門殼體和排氣罩材料均選用Johnson-Cook本構模型。此模型能較好地模擬材料的硬化、應變率和溫度軟化效應，其本構方程為：

式中：σe為流動應力；為等效塑性應變；為無量綱等效塑性應變率，其中為塑性應變率，為參考塑性應變率；T*=(T-T0)/(Tm-T0)為無量綱溫度，其中T為材料實際溫度，T0為室溫，Tm為材料熔點。

材料失效則采用基于連續損傷力學的John?son-Cook累積損傷準則，定義損傷參數D為：

其中破壞應變定義為：

式中：σ*=p/σeff=-Rσ，其中p為靜水壓力，σeff為Von Mises等效應力；初始時D=0，當D=1時材料失效。

渦輪的最大工作轉速為41 000 r/min，破裂轉速為43 050 r/min(最大工作轉速的105%)。計算模型采用第二階段的包容結構，渦輪材料為TC4，包容環和排氣罩的材料為TC11，恒壓風門殼體材料為ZL105。各材料的Johnson-Cook本構模型和失效準則參數見表3、表4[24-25]。

4 數值仿真及分析

數值仿真使用LS-DYNA971進行，設定求解時間t為3.00 ms。圖5為t=3.00 ms時整體和各部件的計算結果。可見，恒壓風門殼體完全碎裂，包容環產生變形但未破裂，未撞擊到外部的排氣罩，故認為該包容結構成功包容了破裂渦輪碎片，且包容能力裕度較大。

表3 材料的Johnson-Cook本構模型參數Table 3 Material parameters for Johnson-Cook model

表4 材料的Johnson-Cook失效模型參數Table 4 Material parameters for Johnson-Cook Failures model

圖6～圖9為3.00 ms內高能渦輪盤碎塊撞擊包容結構內壁并被包容的過程。可看出：渦輪盤出現損傷與破裂(圖6)；渦輪盤碎塊飛出后，碎塊先撞擊恒壓風門殼體，由于恒壓風門殼體較薄，很快被擊穿，在t=0.15 ms時便完全失效(圖7)；渦輪盤碎塊進一步撞擊、刮擦包容環內壁，致使包容環變形(圖8)；碎塊能量持續降低，但并未撞擊到外部的排氣罩，包容結構的包容過程結束(圖9)。

圖10～圖13分別給出了渦輪動能、內能變化歷程和包容環、恒壓風門殼體應變能變化歷程。計算結束時刻(t=3.00ms)渦輪碎塊動能較小，不具備繼續破壞包容環的能力，據此可認為3.00 ms時刻撞擊過程基本結束。撞擊過程中，渦輪動能主要轉化為包容結構與渦輪的內能以及摩擦消耗的滑移能。因此，包容結構變形、渦輪碎塊與恒壓風門殼體和包容環的撞擊、渦輪碎塊與包容環內壁的刮擦為主要吸能模式。

以上分析表明，第二階段改進的包容結構能吸收渦輪盤最大破裂情況下的動能，而且安全裕度較大。由于包容結構材料準確的參數需要專門試棒，而材料性能將影響數值模擬精度，下文通過試驗驗證包容的有限性。

5 試驗驗證

5.1 試驗設備及試驗件

包容性試驗在浙江大學高速旋轉機械實驗室ZUST1型轉子高速旋轉試驗臺(圖14)上完成。ZUST1型試驗設備由三部分組成：測速系統、高速拍攝系統和動應變測試系統。試驗件安裝在柔性懸臂主軸的端部，由功率為55 kW的Z4直流電機驅動，電機轉速可在0～3 000 r/min內無級調速。通過高速齒輪箱增速，試驗臺輸出轉速最高可達96 000 r/min。真空腔內裝有厚100 mm、高300 mm的鉛磚保護層，以確保設備及試驗人員的安全。保護鉛磚層與試件之間，可根據不同的試驗要求安裝其他試驗輔助裝置。

試驗件包括渦輪轉子、包容環、恒壓風門殼體、排氣罩和驗證屏罩。驗證屏罩為放置在排氣罩出口1.2 m處的筒形0.8 mm薄鋁板，使從排氣罩出口排出的碎塊能沖擊鋁片；鋁片的支承方式要保證在其背面無硬性支撐物；鋁片上有任何明顯凹坑或鋁片被擊穿，均應為故障。

試驗前，在渦輪上預割裂紋，通過控制切割裂紋長度控制破裂轉速。渦輪切割裂紋方向沿徑向由外向內，再沿周向從兩側向中間。沿周向均布3條，裂紋尖端加工圓孔以減輕裂紋頭部的應力集中，如圖15所示。試驗中，受材料特性變化、切割深度誤差等影響，渦輪實際破裂轉速與目標值存在一定偏差。采取的主要措施為在目標轉速的基礎上給出2 050 r/min的裕度，設定渦輪破裂轉速的范圍為41 000～43 050 r/min。試驗現場如圖16所示。

5.2 試驗結果

渦輪盤轉子在試驗臺上轉速達到42 300 r/min停留5.00 s后破裂。圖17為試驗結束后現場照片。可看出渦輪盤轉子破裂為三部分，恒壓風門殼體被破壞，包容環變形較大，但未被擊穿；排氣罩無變形，整體完好；驗證屏罩未受影響，整體完好。

6 結論

(1)渦輪盤以三等分最大能量碎裂，包容結構也能較好吸收碎塊的動能；

(2)從排氣罩出口排出的碎塊能量較低，不能損傷0.8 mm薄鋁板，驗證屏罩完好；

(3)第二階段的包容改進措施可行，空氣渦輪起動機能夠滿足包容要求。

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