航空發動機空氣渦輪起動機的包容結構解析

摘要：近年來，隨著航空技術的不斷進步與發展，傳統的起動機結構已經不能滿足現代飛機運行的需求，而一種新型的空氣渦輪起動機因其結構簡單、使用方便、功率大的優點，在現代航空發動機的應用中越來越廣泛。由于空氣渦輪起動機在起動過程中需要高速運轉，起動時間短、功率大，而起動機轉子在高速運轉過程中，轉子的葉片、輪盤和封嚴環等零部件在巨大離心力的作用下，容易發生故障和意外脫落，會直接導致發動機的起動失敗，甚至造成人員傷亡。因此，針對航空發動機空氣渦輪起動機設計科學合理的包容結構，進行包容性數值仿真解析研究，以保證空氣渦輪起動機的良好工作性能和安全性能。

關鍵詞：航空發動機;空氣渦輪;起動機;包容結構

0 ?引言

航空發動機是一種結構復雜和高度精密的熱力機械，是飛機的重要組成部分，發動機主要負責飛機起動飛行的動力作用。隨著航空發動機研發技術的不斷創新，先進的空氣渦輪起動機改變了傳統發動機起動時間長、起動功率低、重量大和使用維護不方便的缺點，具有功率大、起動時間短、結構簡單、重量輕的優點，而且發動機在操作運行時使用方便、安全可靠，滿足了現代航空發動機的起動需求[1]。但是，由于空氣渦輪起動機的工作性質和工作環境，起動機輪盤和轉子的零部件在高速高能的運行過程中，極易發生損傷、破裂等故障，不僅影響發動機的正常起動，而且這些破碎的零部件如果在高速運轉狀態下飛出，一旦擊中飛機的任何部位，就會導致部件損壞或引發火災，造成機毀人亡的嚴重事故。因此，針對空氣渦輪起動機的結構特點，根據渦輪轉子碎裂狀態以及碎塊飛出的運動軌跡，進行包容性的實驗分析與研究，創新設計了保護渦輪起動機的包容結構[2]。該結構根據發動機的工作原理，使運轉中各種故障因素造成的起動機損壞的碎片，不能打穿該包容結構的防護裝置，實現對損壞的渦輪轉子零部件碎片的有效包容，避免災害性事故的發生，保障起動機穩定安全的起動運轉。具有包容結構保護的空氣渦輪起動機的應用，推動了航空領域的快速發展[3]。

1 ?航空發動機空氣渦輪起動機的包容結構設計

航空發動機其空氣動渦輪起動機主要是由渦扇式空氣壓縮機、燃燒室和渦輪機組成。壓縮機把流動的壓縮空氣傳送到燃燒室，壓縮空氣與燃油混合后發生燃燒，不斷燃燒產生的高溫高壓氣體在渦輪機內迅速膨脹，強大的氣體推力推動了起動機的作用力，推動飛機的前行[4]?？諝鉁u輪起動機通過逐漸增大起動扭矩，減少了起動扭矩過載的危險，可以有效延長發動機的使用壽命，被廣泛應用于軍用和民用的航空發動機中[5]。根據空氣渦輪發動機的工作原理，在強大推力下起動機轉子高速運轉時的狀態，設計了保護起動機的包容結構，對渦輪轉子零部件因各種因素在該轉速工作狀態下發生損壞時，把零件碎片進行包容，使破損的碎片不能打穿飛出包容裝置，圖1所示為包容性設計。

在空氣渦輪起動機的包容性結構設計過程中，主要考慮如何設計包容環的強度、殼體強度、進氣流道、固定方式和初始能量轉化技術等多種因素。首先應對包容裝置的形狀、容量、厚度進行計算分析，設計科學合理的幾何包容裝置形狀體積，以保證有足夠的容積容量能夠吸收容納全部碎片。然后根據氣體流量和流速的流通面積確定氣流道的間隙尺寸，以保證滿足功率需求的氣體流量[6]。當渦輪轉子零部件環碎片在高速運動狀態下，會以最大撞速擊打包容裝置，因此包容裝置應具備足夠的厚度，才能避免不被碎片擊穿。最后對包容裝置采取外部罩殼并安裝適當的支撐設施，完成對包容裝置的有效固定，以防止包容裝置被移動或破壞[7]。包容裝置在厚度設計當中，既要考慮殼體的厚度能夠抵御碎片的沖擊力，又要考慮裝置的重量符合標準需求。如果殼體的厚度過薄，很容易被大能量的碎片擊穿，包容裝置不能起到作用，如果殼體過厚就會導致裝置超重，雖然起到包容保護作用，但是不符合發動機設備標準要求。所以應對高速狀態下飛出碎片的數量、能量的大小，進行分析計算，在根據不同工作環境、不同渦輪運轉速度，設計符合標準需求的包容裝置的厚度[8]。

2 ?航空發動機空氣渦輪起動機的包容性驗證

2.1 試驗設備

空氣渦輪起動機的包容裝置在設計完成后，需對其包容性開展檢測試用，以驗證包容裝置安全可靠性，試驗臺不需要特殊建筑，只是在原有起動機驗收試車臺的基礎上改造設計而成。被試的起動機采用厚鋁材筒形屏罩，試驗時起動機不帶慣性飛輪，以利于渦輪轉速快速達到最高。在參數測量時采取兩套采集系統方法，以防止不同速度、不同能量的碎片影響采集參數的精準性，當飛出的任何碎片沒能擊穿指示裝置屏罩時，就表示該裝置符合使用標準。

2.2 包容性驗證要求

在進行包容性驗證時，需選擇一臺滿足驗證條件的起動機開展試驗，預先設計起動機渦輪轉子在最大轉速條件下能夠發生破裂損壞，使碎片快速飛出。包容裝置在大量碎片能力作用沖擊下不被擊穿，就表示該起動機的包容裝置符合標準要求。實驗過程中還應對起動機外部的防火能力、內表面耐高溫程度進行測試，防止包容裝置在高溫狀態下引發起火現象，造成對起動機的危害。同時還應對包容裝置的固定性進行檢測，避免強大沖擊力造成包容裝置產生移動。包容性驗證可以在起動機飛行工作或地面靜止下進行，針對起動機轉速和渦輪破碎的不同狀態下設計相應的包容性實驗，以保證起動機包容裝置符合驗證條件。

2.3 包容結構仿真結果與分析

包容結構試驗結果如圖2所示。

通過對包容結構試驗的結果可以看出，當試驗中的渦輪轉子在轉速為41337r/min時，渦輪盤與內側輔助環在長時間高速運轉過程中產生刮擦，如圖（b）所示，在不斷快速運轉的作用下嚴重影響了輪盤的運轉姿態，導致無法平衡運轉使渦輪轉子產生了部分破裂狀態。破碎的輪盤部件在撞擊包容環后整體翻出，并撞擊到外部驗證屏罩，而外壁包容環并沒有發生變形，但是內壁輔助環受損嚴重，如圖（c）所示包容性驗證失敗。

2.4 仿真試驗結論

針對起動機包容裝置實驗結果分析，厚壁與薄壁的包容結構會發生不同的包容效果。當厚壁包容結構的整個輪盤破裂飛出過程中，絕大部分沖擊能量被內壁輔助環吸收，而外壁包容環并沒有發揮包容性能，整體形態沒有發生改變。這是由于包容組件太厚造成破裂的渦輪盤與殼體長時間快速刮擦作用下，整個輪盤運轉姿態發生改變發生翻轉飛出，直接撞擊內壁，并沒有直接與外壁包容環產生作用，導致外壁包容環沒有起到包容作用，外部殼體發生損壞，包容驗證失敗。而薄壁結構的包容環較薄但具有良好的塑性，當被輪盤破裂飛出的撞擊過程中，包容環雖然發生變形但不會產生斷裂。這是由于包容環在變形過程中吸收了破裂輪盤的大量沖擊作用力，并能有效卡住破裂輪盤使其不會翻轉飛出，而且包容環在發生變形后并未撞擊外部殼體，發揮了較好的包容效果。通過對包容結構內外部設計實驗表明，薄壁包容結構的設計符合包容性的需求，減輕了包容裝置的重量，既保證了包容裝置的良好效能，又節約了經濟成本，保證了空氣渦輪起動機安全穩定的運行狀態。

3 ?結束語

通過對航空發動機空氣渦輪起動機包容結構設計的分析，針對起動機渦輪轉子破裂撞擊下包容裝置薄厚程度、包容環的包容性能和支座結構的影響，開展試驗及數值仿真計算的驗證，確保該包容裝置符合空氣渦輪起動機的設計需求。根據實驗結果對包容結構設計時，需注意以下幾點：

①包容結構的壁厚應設計合適的薄厚程度，以滿足包容條件，包容環的厚度設計既要保證不斷裂，又要保證能夠卡住輪盤不會造成輪盤翻轉飛出。

②在設計包容環的支承結構時，應采用固定結構強度大的支承結構，避免輪盤破裂后撞擊包容裝置造成支承結構產生移動或破壞。

在空氣渦輪起動機包容性的設計中，不僅要對包容裝置的結構進行科學合理的結構設計，滿足空氣渦輪起動機的包容性要求，同時還要嚴格按照 “GJBZ20339-1996飛機發動機空氣渦輪起動機通用規范”的標準規定，提高航空發動機空氣渦輪起動機的安全性和可靠性。

參考文獻：

[1]李磊.應用于航空發動機渦輪葉片的熱障涂層材料研究[J].功能材料，2017，48（2）：2084-2090.

[2]柴象海，史同承，王少輝，等.航空發動機風扇葉片與機匣刮蹭分析及結構設計[J].航空動力學報，2019，34（9）：1879-1887.

[3]皮駿，周梟，劉光才，等.某型航空發動機渦輪部件性能衰退模型研究[J].機械設計，2019，6（5）：87-92.

[4]柴象海，史同承，王少輝，等.航空發動機風扇葉片與機匣刮蹭分析及結構設計[J].航空動力學報，2019，34（9）：1879-1887.

[5]皮駿，周梟，劉光才，等.某型航空發動機渦輪部件性能衰退模型研究[J].機械設計，2019，6（5）：87-92.

[6]陳津，趙斌斌，連宇臣，等.航空發動機盤軸連接結構螺栓組彈性相互作用的規律[J].機械設計與研究，2018，5（4）：95-99.

[7]馮健朋，趙小勇.航空發動機振動不平衡相位檢測方法研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2018，5（3）：38-42.

[8]王帥，江平，李超，等.某型航空發動機附件傳動系統新型的中央傳動齒輪結構[J].機械設計與研究，2017，4（6）：71-73.

作者簡介：張棟（1984-），男，陜西銅川人，本科，助理工程師，北京飛機維修工程有限公司三級技術員，主要研究方向為民航飛機系統與渦輪噴氣發動機。