航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的包容結(jié)構(gòu)解析

摘要：近年來(lái)，隨著航空技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，傳統(tǒng)的起動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代飛機(jī)運(yùn)行的需求，而一種新型的空氣渦輪起動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、功率大的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中越來(lái)越廣泛。由于空氣渦輪起動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)，起動(dòng)時(shí)間短、功率大，而起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子的葉片、輪盤(pán)和封嚴(yán)環(huán)等零部件在巨大離心力的作用下，容易發(fā)生故障和意外脫落，會(huì)直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)失敗，甚至造成人員傷亡。因此，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)科學(xué)合理的包容結(jié)構(gòu)，進(jìn)行包容性數(shù)值仿真解析研究，以保證空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的良好工作性能和安全性能。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);空氣渦輪;起動(dòng)機(jī);包容結(jié)構(gòu)

0 ?引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜和高度精密的熱力機(jī)械，是飛機(jī)的重要組成部分，發(fā)動(dòng)機(jī)主要負(fù)責(zé)飛機(jī)起動(dòng)飛行的動(dòng)力作用。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，先進(jìn)的空氣渦輪起動(dòng)機(jī)改變了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、起動(dòng)功率低、重量大和使用維護(hù)不方便的缺點(diǎn)，具有功率大、起動(dòng)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，而且發(fā)動(dòng)機(jī)在操作運(yùn)行時(shí)使用方便、安全可靠，滿足了現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)需求[1]。但是，由于空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的工作性質(zhì)和工作環(huán)境，起動(dòng)機(jī)輪盤(pán)和轉(zhuǎn)子的零部件在高速高能的運(yùn)行過(guò)程中，極易發(fā)生損傷、破裂等故障，不僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng)，而且這些破碎的零部件如果在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下飛出，一旦擊中飛機(jī)的任何部位，就會(huì)導(dǎo)致部件損壞或引發(fā)火災(zāi)，造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故。因此，針對(duì)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)子碎裂狀態(tài)以及碎塊飛出的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行包容性的實(shí)驗(yàn)分析與研究，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了保護(hù)渦輪起動(dòng)機(jī)的包容結(jié)構(gòu)[2]。該結(jié)構(gòu)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，使運(yùn)轉(zhuǎn)中各種故障因素造成的起動(dòng)機(jī)損壞的碎片，不能打穿該包容結(jié)構(gòu)的防護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)損壞的渦輪轉(zhuǎn)子零部件碎片的有效包容，避免災(zāi)害性事故的發(fā)生，保障起動(dòng)機(jī)穩(wěn)定安全的起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。具有包容結(jié)構(gòu)保護(hù)的空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，推動(dòng)了航空領(lǐng)域的快速發(fā)展[3]。

1 ?航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的包容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)其空氣動(dòng)渦輪起動(dòng)機(jī)主要是由渦扇式空氣壓縮機(jī)、燃燒室和渦輪機(jī)組成。壓縮機(jī)把流動(dòng)的壓縮空氣傳送到燃燒室，壓縮空氣與燃油混合后發(fā)生燃燒，不斷燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體在渦輪機(jī)內(nèi)迅速膨脹，強(qiáng)大的氣體推力推動(dòng)了起動(dòng)機(jī)的作用力，推動(dòng)飛機(jī)的前行[4]。空氣渦輪起動(dòng)機(jī)通過(guò)逐漸增大起動(dòng)扭矩，減少了起動(dòng)扭矩過(guò)載的危險(xiǎn)，可以有效延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，被廣泛應(yīng)用于軍用和民用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中[5]。根據(jù)空氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，在強(qiáng)大推力下起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)，設(shè)計(jì)了保護(hù)起動(dòng)機(jī)的包容結(jié)構(gòu)，對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子零部件因各種因素在該轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)下發(fā)生損壞時(shí)，把零件碎片進(jìn)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(shè)計(jì)。

在空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的包容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮如何設(shè)計(jì)包容環(huán)的強(qiáng)度、殼體強(qiáng)度、進(jìn)氣流道、固定方式和初始能量轉(zhuǎn)化技術(shù)等多種因素。首先應(yīng)對(duì)包容裝置的形狀、容量、厚度進(jìn)行計(jì)算分析，設(shè)計(jì)科學(xué)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(jù)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(dāng)渦輪轉(zhuǎn)子零部件環(huán)碎片在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，會(huì)以最大撞速擊打包容裝置，因此包容裝置應(yīng)具備足夠的厚度，才能避免不被碎片擊穿。最后對(duì)包容裝置采取外部罩殼并安裝適當(dāng)?shù)闹卧O(shè)施，完成對(duì)包容裝置的有效固定，以防止包容裝置被移動(dòng)或破壞[7]。包容裝置在厚度設(shè)計(jì)當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)需求。如果殼體的厚度過(guò)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(guò)厚就會(huì)導(dǎo)致裝置超重，雖然起到包容保護(hù)作用，但是不符合發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求。所以應(yīng)對(duì)高速狀態(tài)下飛出碎片的數(shù)量、能量的大小，進(jìn)行分析計(jì)算，在根據(jù)不同工作環(huán)境、不同渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度，設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)需求的包容裝置的厚度[8]。

2 ?航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的包容性驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的包容裝置在設(shè)計(jì)完成后，需對(duì)其包容性開(kāi)展檢測(cè)試用，以驗(yàn)證包容裝置安全可靠性，試驗(yàn)臺(tái)不需要特殊建筑，只是在原有起動(dòng)機(jī)驗(yàn)收試車(chē)臺(tái)的基礎(chǔ)上改造設(shè)計(jì)而成。被試的起動(dòng)機(jī)采用厚鋁材筒形屏罩，試驗(yàn)時(shí)起動(dòng)機(jī)不帶慣性飛輪，以利于渦輪轉(zhuǎn)速快速達(dá)到最高。在參數(shù)測(cè)量時(shí)采取兩套采集系統(tǒng)方法，以防止不同速度、不同能量的碎片影響采集參數(shù)的精準(zhǔn)性，當(dāng)飛出的任何碎片沒(méi)能擊穿指示裝置屏罩時(shí)，就表示該裝置符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 包容性驗(yàn)證要求

在進(jìn)行包容性驗(yàn)證時(shí)，需選擇一臺(tái)滿足驗(yàn)證條件的起動(dòng)機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)，預(yù)先設(shè)計(jì)起動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子在最大轉(zhuǎn)速條件下能夠發(fā)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(dòng)機(jī)的包容裝置符合標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還應(yīng)對(duì)起動(dòng)機(jī)外部的防火能力、內(nèi)表面耐高溫程度進(jìn)行測(cè)試，防止包容裝置在高溫狀態(tài)下引發(fā)起火現(xiàn)象，造成對(duì)起動(dòng)機(jī)的危害。同時(shí)還應(yīng)對(duì)包容裝置的固定性進(jìn)行檢測(cè)，避免強(qiáng)大沖擊力造成包容裝置產(chǎn)生移動(dòng)。包容性驗(yàn)證可以在起動(dòng)機(jī)飛行工作或地面靜止下進(jìn)行，針對(duì)起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪破碎的不同狀態(tài)下設(shè)計(jì)相應(yīng)的包容性實(shí)驗(yàn)，以保證起動(dòng)機(jī)包容裝置符合驗(yàn)證條件。

2.3 包容結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果與分析

包容結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)對(duì)包容結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，當(dāng)試驗(yàn)中的渦輪轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速為41337r/min時(shí)，渦輪盤(pán)與內(nèi)側(cè)輔助環(huán)在長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生刮擦，如圖（b）所示，在不斷快速運(yùn)轉(zhuǎn)的作用下嚴(yán)重影響了輪盤(pán)的運(yùn)轉(zhuǎn)姿態(tài)，導(dǎo)致無(wú)法平衡運(yùn)轉(zhuǎn)使渦輪轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了部分破裂狀態(tài)。破碎的輪盤(pán)部件在撞擊包容環(huán)后整體翻出，并撞擊到外部驗(yàn)證屏罩，而外壁包容環(huán)并沒(méi)有發(fā)生變形，但是內(nèi)壁輔助環(huán)受損嚴(yán)重，如圖（c）所示包容性驗(yàn)證失敗。

2.4 仿真試驗(yàn)結(jié)論

針對(duì)起動(dòng)機(jī)包容裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，厚壁與薄壁的包容結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不同的包容效果。當(dāng)厚壁包容結(jié)構(gòu)的整個(gè)輪盤(pán)破裂飛出過(guò)程中，絕大部分沖擊能量被內(nèi)壁輔助環(huán)吸收，而外壁包容環(huán)并沒(méi)有發(fā)揮包容性能，整體形態(tài)沒(méi)有發(fā)生改變。這是由于包容組件太厚造成破裂的渦輪盤(pán)與殼體長(zhǎng)時(shí)間快速刮擦作用下，整個(gè)輪盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)姿態(tài)發(fā)生改變發(fā)生翻轉(zhuǎn)飛出，直接撞擊內(nèi)壁，并沒(méi)有直接與外壁包容環(huán)產(chǎn)生作用，導(dǎo)致外壁包容環(huán)沒(méi)有起到包容作用，外部殼體發(fā)生損壞，包容驗(yàn)證失敗。而薄壁結(jié)構(gòu)的包容環(huán)較薄但具有良好的塑性，當(dāng)被輪盤(pán)破裂飛出的撞擊過(guò)程中，包容環(huán)雖然發(fā)生變形但不會(huì)產(chǎn)生斷裂。這是由于包容環(huán)在變形過(guò)程中吸收了破裂輪盤(pán)的大量沖擊作用力，并能有效卡住破裂輪盤(pán)使其不會(huì)翻轉(zhuǎn)飛出，而且包容環(huán)在發(fā)生變形后并未撞擊外部殼體，發(fā)揮了較好的包容效果。通過(guò)對(duì)包容結(jié)構(gòu)內(nèi)外部設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表明，薄壁包容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，保證了空氣渦輪起動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)包容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析，針對(duì)起動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子破裂撞擊下包容裝置薄厚程度、包容環(huán)的包容性能和支座結(jié)構(gòu)的影響，開(kāi)展試驗(yàn)及數(shù)值仿真計(jì)算的驗(yàn)證，確保該包容裝置符合空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)需求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)包容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需注意以下幾點(diǎn)：

①包容結(jié)構(gòu)的壁厚應(yīng)設(shè)計(jì)合適的薄厚程度，以滿足包容條件，包容環(huán)的厚度設(shè)計(jì)既要保證不斷裂，又要保證能夠卡住輪盤(pán)不會(huì)造成輪盤(pán)翻轉(zhuǎn)飛出。

②在設(shè)計(jì)包容環(huán)的支承結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用固定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的支承結(jié)構(gòu)，避免輪盤(pán)破裂后撞擊包容裝置造成支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生移動(dòng)或破壞。

在空氣渦輪起動(dòng)機(jī)包容性的設(shè)計(jì)中，不僅要對(duì)包容裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的包容性要求，同時(shí)還要嚴(yán)格按照 “GJBZ20339-1996飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)通用規(guī)范”的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李磊.應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片與機(jī)匣刮蹭分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2019，34（9）：1879-1887.

[3]皮駿，周梟，劉光才，等.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件性能衰退模型研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2019，6（5）：87-92.

[4]柴象海，史同承，王少輝，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片與機(jī)匣刮蹭分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2019，34（9）：1879-1887.

[5]皮駿，周梟，劉光才，等.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件性能衰退模型研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2019，6（5）：87-92.

[6]陳津，趙斌斌，連宇臣，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)軸連接結(jié)構(gòu)螺栓組彈性相互作用的規(guī)律[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2018，5（4）：95-99.

[7]馮健朋，趙小勇.航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)不平衡相位檢測(cè)方法研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2018，5（3）：38-42.

[8]王帥，江平，李超，等.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)新型的中央傳動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2017，4（6）：71-73.

作者簡(jiǎn)介：張棟（1984-），男，陜西銅川人，本科，助理工程師，北京飛機(jī)維修工程有限公司三級(jí)技術(shù)員，主要研究方向?yàn)槊窈斤w機(jī)系統(tǒng)與渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。