渦輪機匣包容性結構特征初探

孫 凱 白忠愷 范健學 段兵兵

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

0.引言

航空發動機的機匣非包容會導致高速高能的危險碎片穿透機匣飛出，造成飛機的機艙、油箱、液壓管路和電器控制線路等的嚴重破壞，嚴重危及飛機的飛行安全，這里的高能高速碎片主要指葉片、盤及擋板。相比葉片，輪盤的質量較大，發生破裂后產生的動能過大，如果針對輪盤進行包容性設計，機匣需設計很厚，從而導致發動機重量增加，降低發動機的功重比，影響發動機的總指標，所以目前渦輪機匣的包容性主要指的是對轉子葉片的包容。

目前，各國均對發動機的包容性提出要求，美國的聯邦航空規則FAR33.94[1]要求：在最高工作轉速下，葉片從葉根（對于整體葉盤則至少是葉片的80%處）斷裂，發動機必須具有包容斷葉的能力。中國的航空發動機適航規定[2]要求：壓氣機和渦輪轉子機匣的設計必須對因轉子葉片失效而引起的破壞具有包容性。此外，Delucia 等人統計了1971 年至1988 年美國民用航空發生的轉子故障[3]，結論表明：轉子故障主要發生在飛機起飛和爬升階段，80%左右葉片碎片被包容，100%輪盤碎片未包容。針對葉片包容問題，國內外學者主要開展了仿真及試驗研究[4-7]。

風扇葉片斷裂是發動機最易發生的事故，在風扇機匣研究方面取得了較多的研究成果；而渦輪機匣的包容性國內外的研究較少，原因是在考慮包容問題時，主要針對部分葉片因疲勞損傷、異物撞擊發生斷裂后機匣的包容性，在機匣設計中采用等壁厚設計通?？梢詫崿F。而針對渦輪軸發生斷裂這一小概率事件所產生的特殊的包容性問題：即斷軸后為防止轉子飛轉，大量的動力渦輪葉片在渦輪盤破裂時先斷裂，這時存在機匣能否包容葉片的問題；此外還包含斷軸后渦輪轉子在氣流沖擊下從發動機排氣裝置后部飛出，即軸向包容性問題，國內還屬于初步探索階段；本文主要針對這兩種問題展開對渦輪機匣包容性的探索性分析。

1.渦輪包容性的典型結構特征

1.1 防止轉子飛轉結構特征

渦輪機匣本身沒有防止轉子飛轉的單獨結構，防止轉子飛轉的主要目的是防止渦輪盤的轉速過高而發生破裂，因為渦輪盤通常是非包容的，因此，防止飛轉的問題實際上也是包容性設計問題。

因此，為保證渦輪軸斷軸后渦輪機匣的包容性，必須先解決轉子飛轉問題，目前，在結構設計中最直接的辦法就是讓葉片不做功，防止葉片推動轉子轉速的繼續上升，例如某發動機設計中將葉身葉根附近設計強度薄弱區域，如圖1 所示，應急狀態下葉片強度薄弱區域的拉彎合應力強度儲備系數為1.325，在超轉115%情況下局部會進入屈服，而渦輪盤在超轉125%的情況下，仍具有較大強度儲備系數，不會發生屈服，因此動力葉片會在渦輪盤破裂前先斷裂，葉片斷裂后無法再進行做功，也就無法推動渦輪盤轉速繼續升高，從而保證了渦輪盤的安全，即抑制了飛轉。

圖1 動力一級工作葉片當量應力分布

此外有些發動機設計中（如JT9D 發動機），人為控制動力渦輪第三、四級導向葉片與第二、三級轉子葉片間的軸向間隙，一旦斷軸，轉子在氣動作用下迅速后移，此兩級轉子葉片遂與兩級導向葉片接觸產生機械制動作用，以此防止轉子超轉而發生飛出事故。

采用斷裂葉片防止轉子飛轉的方式，面對的其他問題還包括在渦輪盤破裂前，是否有足量的葉片先斷裂，從而避免葉片做功，斷裂的葉片越多，產生的碎片動能越大，對機匣的傷害也越大，為此，在機匣包容設計中還需著重考慮多片葉片同時斷裂的包容性問題。

1.2 渦輪機匣局部增厚實現葉片包容

在評估機匣包容性設計中，主要采用包容系數的計算方法進行評估，如國外某渦軸發動機渦輪機匣采用等壁厚設計，機匣厚度2mm 左右，渦輪外環不包含蜂窩的厚度1mm，假設斷裂1 片葉片，計算所得的包容系數為2。渦輪機匣在動力渦輪一、二級工作葉片附近采用了局部加厚設計，其厚度為8mm 左右，計算在超轉125%的情況下斷裂1 片葉片的包容系數為8。

可以判斷兩種發動機渦輪機匣在少量非相鄰葉片斷裂時均滿足包容性要求，但如果在渦輪軸斷軸時，為防止轉子飛轉，工作葉片需要在超轉狀態下先于渦輪盤斷裂，這時斷裂葉片數量往往會很多，且存在相鄰多片葉片同時斷裂的可能性，此時將機匣局部增厚，從而留有足夠的包容系數，將會使機匣具有防飛轉時的包容能力。然而對于包容系數具體取值范圍，還需要通過大量試驗及模擬仿真計算進行確定，可以預估機匣局部增厚設計中，包容系數至少需達到8 左右。

1.3 實現軸向包容的結構特征

發動機動力渦輪軸發生斷軸時，轉子不僅存在飛轉的危險，動力渦輪轉子在氣流作用下，由于沒有軸向制動裝置，會軸向撞擊導向器或排氣機匣支板上，從而產生巨大的沖擊力，如果安裝在渦輪機匣上的排氣機匣、導向器等靜子件無法形成有效的阻隔，便會導致導向器、排氣機匣、渦輪轉子等整體飛出，造成巨大的非包容事故，所以發動機設計中還應該考慮軸向包容問題。

在發動機適航規定、航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范等文件中，并沒有對軸向包容提出要求，實際上很多發動機的設計有意無意地都采用了軸向包容設計，例如，T700 發動機動力渦輪轉子支承軸承采用了球軸承，RB119的低壓渦輪轉子支承也采用了球軸承，球軸承可用于承受渦輪轉子的軸向力，如果發生斷軸事故，球軸承具有軸向力承載作用，轉子仍然可以保持在原位置轉動，所以這種轉子支承方案本身具有軸向包容作用，其機匣包容性只需考慮防轉子飛轉問題即可。

對于某些大型渦輪風扇發動機，如GE90、PW4000、CMF56、RB211 等，大型渦槳發動機TP400 等在排氣位置均設計了輔助安裝節，如圖2 所示，這一結構保證了排氣機匣所受到的沖擊能量可以傳導到輔助安裝節上，最終傳導到與主安裝節相連的橫轅或推力桿上，從而緩沖這種沖擊力的影響。

圖2 TP400（左）及CMF56（右）的輔助安裝節

然而部分發動機未在排氣機匣上設置輔助安裝節，如發動機動力渦輪，但在設計中該發動機也考慮到了軸向包容問題，如圖3 所示，渦輪機匣上設計有止動凸臺1，其二級導向器及排氣機匣上也設計有止動凸臺2，當渦輪軸發生斷軸時，動力渦輪轉子在氣動力的作用下軸向飛出，撞擊到導向器及排氣機匣上，產生的沖擊力通過導向器、排氣框架最后都傳遞到安裝邊的螺栓上，在巨大的沖擊力下往往會導致螺栓斷裂或螺紋失效，與此同時導向器上的凸臺以及排氣框架上的凸臺被渦輪機匣上的軸向止動凸臺擋住，巨大的撞擊力在止動凸臺的阻擋下得到抑制，從而防止了渦輪轉子及導向器的軸向飛出。

圖3 某發動機動力渦輪斷軸后示意圖

對于軸向包容問題，可以采用如上止動凸臺的設計方案，也可以增加螺栓的數量以提供足夠的耐沖擊能力（如圖3 中增加A 區域螺栓數量），而這些還需要理論計算來驗證設計方案的可行性，目前還沒有相應的計算方法和試驗研究，這正是設計者需要著重考慮的方向。

2.總結

本文通過對航空發動機的包容問題進行歸納，進而延伸到對渦輪機匣包容性的理解與分析，并在包容性機匣設計、轉子飛轉控制、軸向包容問題上展開初步探索性分析，主要結論如下。

（1）為防止斷軸后轉子飛轉，在工作葉片的設計中要考慮在渦輪盤破裂前葉片提前斷裂，為此葉片設計中要設置強度薄弱點，或者采用工作葉片與導向葉片摩擦制動的方法防止飛轉。

（2）渦輪機匣在包容性設計中，采用在葉片斷裂的沖擊部位局部加厚，并要留有足夠的包容系數，以實現防飛轉保護中，連續多片葉片的斷裂包容。

（3）渦輪機匣包容設計中還應考慮軸向包容設計，如利用球軸承承載軸向力、利用輔助安裝節緩沖沖擊力、利用螺栓加止動凸臺承載轉子沖擊的方法實現軸向包容。