單級(jí)軸流壓氣機(jī)葉片預(yù)置裂紋法包容性試驗(yàn)研究

唐家茂，宣海軍，彭 煜，陳蔚興

(1.中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南株洲412002；2.浙江大學(xué)，杭州310027)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片非包容性是引起飛機(jī)失事最為嚴(yán)重的故障之一，JT8D-7B、CF6-3D和D30ky-154等發(fā)動(dòng)機(jī)都出現(xiàn)過非包容性故障，且造成重大損失。根據(jù)SAE AIR 1537A和SAE AIR 4003統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，國(guó)際航線葉片非包容性發(fā)生的概率(僅考慮葉片飛出)約為每百萬發(fā)動(dòng)機(jī)小時(shí)0.66，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片非包容事故占所有因非包容導(dǎo)致的飛機(jī)災(zāi)難性事故或嚴(yán)重事故的22.4%[1]。為減少和避免此類事故的發(fā)生，國(guó)內(nèi)外對(duì)此領(lǐng)域的研究極為重視。所有在研、在役的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，無一例外地要進(jìn)行葉片包容性試驗(yàn)[2]，且有嚴(yán)格的規(guī)范要求。如美國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱(MIL-HDBK-1783B)、通用設(shè)計(jì)規(guī)范(JSGS-87231A、MIL-E-5007系列和JSSG-2007A等)，我國(guó)相關(guān)軍標(biāo)和設(shè)計(jì)規(guī)范[3-5]等，都對(duì)葉片包容性提出了要求。

1984年2月23日，美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)頒布了FAR-33部第10次修正案，用以修正和更新適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)合格審定的技術(shù)要求。對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)新增加了一條FAR 33.94葉片包容性和轉(zhuǎn)子不平衡試驗(yàn)。FAR 33.94條的意圖是通過整機(jī)試驗(yàn)或部件試驗(yàn)，和用已證實(shí)的分析方法來驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片包容性。作為與FAR-33部一脈相傳的我國(guó)的CCAR-33部，沿襲了該要求[6-7]。

為驗(yàn)證某發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)機(jī)匣對(duì)單級(jí)軸流壓氣機(jī)葉片的包容能力，本文以有限元計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合模擬試驗(yàn)方法，采用在葉片根部預(yù)置缺陷的方式控制葉片在適航規(guī)章規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)飛斷，以驗(yàn)證對(duì)規(guī)章的符合性。

2 測(cè)試對(duì)象

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子由一級(jí)軸流葉輪(圖1)和一級(jí)離心葉輪構(gòu)成。軸流葉輪葉片數(shù)量為13片，材料為TC4特級(jí)。試驗(yàn)飛斷葉片為1片，斷裂轉(zhuǎn)速55 051～56 702 r/min，斷裂部位為葉片根部，按適航規(guī)章要求葉片至少缺損80%。圖2為測(cè)試壓氣機(jī)機(jī)匣，工作溫度70℃，材料1Cr18Ni9Ti，前段壁厚(葉輪安裝位置對(duì)應(yīng)機(jī)匣厚度)2.4 mm。

3 葉片飛斷轉(zhuǎn)速等效折算

根據(jù)《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣包容性設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，壓氣機(jī)葉片包容性系數(shù)K為：

式中：l為葉片斷裂部分長(zhǎng)度；k1為葉片結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，不帶伸根的葉片為1.0，其他為0.6；k2為機(jī)匣材料特征參數(shù)，鎂合金為0.7，其他為1.0；σb、δ、h分別為機(jī)匣材料拉伸強(qiáng)度、延伸率和機(jī)匣厚度；M為常數(shù)，對(duì)于國(guó)際單位為0.021 66；E為斷裂能量。對(duì)相同材料及結(jié)構(gòu)的機(jī)匣與葉片，僅考慮葉片斷裂部分長(zhǎng)度和斷裂能量對(duì)包容系數(shù)的影響。

由于葉尖與機(jī)匣內(nèi)壁間隙較小(約0.2 mm)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中因試驗(yàn)臺(tái)主軸振動(dòng)及工裝安裝難以精確對(duì)中等原因，會(huì)造成葉尖與機(jī)匣內(nèi)壁碰磨，因此試驗(yàn)中需增大間隙。采用切割葉輪外緣的方式，將葉片外緣直徑修磨減小3.0 mm，增大葉尖與機(jī)匣間隙，保證旋轉(zhuǎn)過程中葉尖不會(huì)與機(jī)匣碰磨。但葉尖修磨后，斷裂葉片長(zhǎng)度與能量均受影響。為此，通過提高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的方式補(bǔ)償因質(zhì)量減少而損失的撞擊能量并消除斷裂長(zhǎng)度改變的影響，保證試驗(yàn)狀態(tài)下機(jī)匣的包容性系數(shù)與真實(shí)狀態(tài)的一致。計(jì)算得出試驗(yàn)狀態(tài)下，修磨后轉(zhuǎn)速提升系數(shù)為1.052 88。綜上，試驗(yàn)條件下葉片飛斷轉(zhuǎn)速范圍為58 264～60 012 r/min。表1給出了真實(shí)狀態(tài)與試驗(yàn)狀態(tài)下斷葉部分參數(shù)。

表1 真實(shí)狀態(tài)和試驗(yàn)狀態(tài)斷葉參數(shù)Table 1 Broken blade parameter before and after optimization

4 測(cè)試方法

測(cè)試系統(tǒng)(圖3)包括觸發(fā)信號(hào)系統(tǒng)、測(cè)速與轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、高速拍攝系統(tǒng)、試驗(yàn)過程視頻監(jiān)控系統(tǒng)和溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)共5個(gè)部分。機(jī)匣內(nèi)壁粘貼的觸發(fā)線圈，在飛斷葉片撞擊機(jī)匣瞬間被切斷，觸發(fā)高速相機(jī)記錄，同時(shí)觸發(fā)試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制試驗(yàn)臺(tái)降速停機(jī)。試驗(yàn)腔底部放置有一攝像機(jī)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行全程拍攝觀察。

5 試驗(yàn)過程

5.1 轉(zhuǎn)子預(yù)制裂紋

采用在葉片根部線切割預(yù)置切槽的方式控制葉片的飛斷轉(zhuǎn)速。如圖4所示，通過控制切槽長(zhǎng)度使其在預(yù)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)飛斷。切槽長(zhǎng)度在有限元計(jì)算[9-10]結(jié)果(圖5)的基礎(chǔ)上結(jié)合模擬試驗(yàn)方法確定。預(yù)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，計(jì)算誤差為2.5%，認(rèn)為有限元計(jì)算方法適用于葉片預(yù)制裂紋的估計(jì)。誤差原因有：葉片材料實(shí)際性能與材料手冊(cè)[11]數(shù)據(jù)存在差異，實(shí)際切割尺寸與理論切割尺寸測(cè)量存在誤差，以及有限元計(jì)算偏差。

5.2 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡與試驗(yàn)件安裝

預(yù)制裂紋后的葉輪上表面噴白漆，對(duì)預(yù)置切槽葉片涂細(xì)彩色條紋。隨后葉輪與轉(zhuǎn)接軸、壓蓋、預(yù)緊螺母安裝，形成試驗(yàn)轉(zhuǎn)子。采用液壓拉伸器施加96 kN的軸向預(yù)緊力。此后，試驗(yàn)轉(zhuǎn)子進(jìn)行雙面動(dòng)平衡，在轉(zhuǎn)接軸和壓蓋位置去除相應(yīng)材料。

將底座通過螺釘安裝在試驗(yàn)臺(tái)腔蓋，壓氣機(jī)機(jī)匣與機(jī)匣安裝底座通過螺栓連接，并一同連接在安裝底座下方。軸流葉輪與工裝連接后安裝在柔性軸下方，葉輪與機(jī)匣的相對(duì)位置與工作條件下一致。在葉片撞擊部位的機(jī)匣外壁沿周向均勻粘貼4個(gè)熱電偶。將硅橡膠加熱板覆蓋在機(jī)匣表面。試驗(yàn)件的安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖7所示。

5.3 監(jiān)視系統(tǒng)調(diào)試及觸發(fā)控制系統(tǒng)測(cè)試

安裝相機(jī)鏡頭、觸發(fā)線、視頻輸出端。打開試驗(yàn)腔內(nèi)強(qiáng)光燈，調(diào)整高速相機(jī)拍攝范圍與清晰度。設(shè)置高速相機(jī)拍攝速度為50 000 fps，拍攝分辨率為320×312。試驗(yàn)過程視頻監(jiān)控系統(tǒng)由P2P網(wǎng)絡(luò)攝像頭與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接顯示界面組成。網(wǎng)絡(luò)攝像頭放置于反射平面鏡底部，其電源線與連接網(wǎng)線通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)底部蓋板穿線導(dǎo)出。每個(gè)視頻幀以JPEG圖像文件單獨(dú)壓縮視屏序列，通過攝像頭與計(jì)算機(jī)的網(wǎng)線連接能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)觀看，并支持錄像功能，試驗(yàn)前確保系統(tǒng)工作正常。

試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)，使高速相機(jī)置于觸發(fā)控制狀態(tài)，手動(dòng)斷開觸發(fā)線圈，檢查確認(rèn)控制柜面板上的觸發(fā)信號(hào)燈熄滅，高速相機(jī)正常觸發(fā)工作。觸發(fā)控制系統(tǒng)復(fù)原，高速相機(jī)處于觸發(fā)待機(jī)工作狀態(tài)。

5.4 加熱與保溫

閉合試驗(yàn)腔蓋，試驗(yàn)腔內(nèi)抽真空。調(diào)節(jié)加熱電流，對(duì)機(jī)匣進(jìn)行加熱。加熱參數(shù)設(shè)置為20 min升溫至目標(biāo)溫度(70℃)，保溫60 min。保溫過程中，4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度滿足試驗(yàn)要求(70±10℃)，確保了機(jī)匣沿周向溫度均勻。

5.5 開始試驗(yàn)

點(diǎn)擊打開轉(zhuǎn)子超速控制軟件，設(shè)定轉(zhuǎn)子尺寸、質(zhì)量、目標(biāo)轉(zhuǎn)速、停留時(shí)間、加速度等超速試驗(yàn)基本參數(shù)。檢查確認(rèn)后，點(diǎn)擊“開始”按鈕啟動(dòng)試驗(yàn)過程。

5.6 結(jié)束試驗(yàn)

試驗(yàn)完成后，關(guān)閉加熱器，停止加熱，打開試驗(yàn)腔蓋。

6 試驗(yàn)結(jié)果及分析

包容性試驗(yàn)過程中，設(shè)定最高轉(zhuǎn)速為60 012 r/min，速度按200 r/s遞增。為安全起見，葉片切割分兩次進(jìn)行，見圖8。第一次切割先保證葉片不會(huì)在下限轉(zhuǎn)速時(shí)飛斷(在理論計(jì)算所需切割長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上至少保留5%的余量)，試驗(yàn)證明第一次切槽長(zhǎng)度8.5 mm時(shí)，在設(shè)定轉(zhuǎn)速葉片未飛斷。第二次切割后(切槽長(zhǎng)度9.0 mm)，葉片在升速至58 766 r/min時(shí)飛斷。飛斷葉片切斷觸發(fā)線，試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)停車，測(cè)試系統(tǒng)正常觸發(fā)。

根據(jù)適航條款要求[7，11]，為評(píng)估葉片飛斷后振動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作15 s的影響，試驗(yàn)過程對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控。圖9為試驗(yàn)轉(zhuǎn)速與振動(dòng)曲線，圖中黑色曲線為主軸轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線，紅色曲線為主軸振動(dòng)-時(shí)間曲線。由圖可知，葉片飛斷瞬間主軸振動(dòng)幅值急劇增加。

葉片飛斷后撞擊機(jī)匣內(nèi)壁，機(jī)匣內(nèi)壁出現(xiàn)明顯刮擦痕跡，機(jī)匣在該撞擊區(qū)域呈現(xiàn)鼓凸現(xiàn)象(圖10)。單葉片飛斷后由于轉(zhuǎn)子突加大不平衡量影響，整盤碰磨機(jī)匣，加上飛斷葉片在機(jī)匣內(nèi)與剩余葉片的相互作用，剩余葉片出現(xiàn)葉尖微量變形，但沒有葉片發(fā)生明顯破壞(圖11)。飛斷葉片碎塊為9.62 g。

根據(jù)高速攝影照片(圖12)，葉片飛脫后與機(jī)匣發(fā)生第一次撞擊，使機(jī)匣產(chǎn)生尖峰狀突起。隨后葉片隨葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，在葉輪與機(jī)匣之間持續(xù)碰磨，這一階段葉片與機(jī)匣的相互作用漸弱。葉片飛脫并繼續(xù)運(yùn)動(dòng)5/4圓周后，葉片從機(jī)匣下方飛出。此后由于單葉片飛脫造成的突加不平衡量影響，葉輪與機(jī)匣仍有微弱碰磨。

7 結(jié)論

(1) 目標(biāo)葉片在靠近葉根部位預(yù)切槽處斷裂飛出，飛斷位置滿足試驗(yàn)要求。葉片飛斷轉(zhuǎn)速58 766 r/min，在目標(biāo)轉(zhuǎn)速58 264～60 012 r/min范圍內(nèi)，確保試驗(yàn)結(jié)果能準(zhǔn)確考核機(jī)匣的包容能力。

(2)目標(biāo)葉片飛斷后，不平衡載荷引起的振動(dòng)導(dǎo)致剩余葉片與機(jī)匣發(fā)生嚴(yán)重碰磨；停機(jī)檢查，試驗(yàn)轉(zhuǎn)子和機(jī)匣仍保持完整的結(jié)構(gòu)。

(3)壓氣機(jī)機(jī)匣具有足夠包容能力，斷葉高速撞擊部位出現(xiàn)一處峰狀突起，其余撞擊部位出現(xiàn)輕微鼓凸現(xiàn)象。

(4)在有限元數(shù)值模擬和一定摸底試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用預(yù)置缺陷法對(duì)小尺寸軸流葉輪開展包容性試驗(yàn)可行。

[1]Society of Automotive Engineers/Committee on Engine Containment.Report on aircraft engine containment[R].AIR 4003，1987.

[2]Certification specification for engine CS-E[S].Germany：European Aviation Safety Agency，2003.

[3]國(guó)際航空編輯部.斯貝MK202發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)(EGD-3)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1979.

[4]GJB 242-1987，航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范[S].

[5]航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[6]CCAR-33R2，航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定[S].

[7]唐家茂，賈春潔.渦軸8C發(fā)動(dòng)機(jī)符合性研制計(jì)劃[R].湖南株洲：中國(guó)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司，2016.

[8]Q/8SFGF20.1026-2005，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣包容性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9]Dey S，Brovik T，Hopperstad O S，et al.On the influence of constitutive relation in projectile impact of steel plates[J].International Journal of Impact Engineering，2007，34(3)：464—486.

[10]Morris A J，Vignjevic R.Consistent finite element structur?al analysis and error control[J].Computer Methods in Ap?plied Mechanics and Engineering，1997，140：87—108.

[11]中國(guó)航空材料手冊(cè)編委會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)[K].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.