空氣渦輪起動(dòng)機(jī)超高轉(zhuǎn)速渦輪包容結(jié)構(gòu)性能分析與研究

蔣聰 熊欣 劉冕 張奇

摘要：針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)超高轉(zhuǎn)速空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的包容結(jié)構(gòu)開(kāi)展包容能力分析和驗(yàn)證，選用Johnson-Cook本構(gòu)模型架構(gòu)，采用LS-DYNA軟件對(duì)其包容性進(jìn)行數(shù)值仿真，并首次在超高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展針對(duì)轉(zhuǎn)速118000r/min的渦輪盤包容性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，渦輪盤破碎飛出后，主要特征為對(duì)導(dǎo)向器殼體、包容環(huán)內(nèi)壁的撞擊以及沿包容環(huán)內(nèi)壁的周向滑移刮擦運(yùn)動(dòng)，包容環(huán)通過(guò)自身變形與內(nèi)壁與渦輪的刮擦滑移吸收能量。試驗(yàn)與模型仿真結(jié)果表明，該包容結(jié)構(gòu)可以對(duì)破碎渦輪盤起到很好的約束作用，具備較好的包容能力，研究結(jié)果對(duì)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的包容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：空氣渦輪起動(dòng)機(jī)；超高轉(zhuǎn)速；渦輪盤；包容結(jié)構(gòu)；數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：V233.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.08.006

隨著航空用空氣渦輪起動(dòng)機(jī)技術(shù)的日漸成熟，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的航空發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始使用其作為輔助起動(dòng)裝置，因此其安全性和可靠性也日益受到重視?？諝鉁u輪起動(dòng)機(jī)通常采用單級(jí)渦輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這一特征決定了其渦輪盤轉(zhuǎn)速通常會(huì)超過(guò)70000r/min，蘊(yùn)含著極大動(dòng)能的超高轉(zhuǎn)速的渦輪葉片是極大的安全隱患，一旦破損斷裂飛出，將會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及其他附件造成嚴(yán)重?fù)p壞。國(guó)內(nèi)外目前已有較多航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣包容的相關(guān)研究[1-11]，研究主要集中在包容斷裂葉片方面，但關(guān)于空氣渦輪起動(dòng)機(jī)超高轉(zhuǎn)速渦輪盤碎片包容性的研究卻寥寥無(wú)幾。本文以某型航空用超高轉(zhuǎn)速空氣渦輪起動(dòng)機(jī)為模型，其渦輪轉(zhuǎn)速高達(dá)118000r/min，采用數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)分析，驗(yàn)證其包容結(jié)構(gòu)對(duì)超高能量破碎渦輪盤的約束和包容能力。

1模型基本參數(shù)

模型選用某型航空用超高轉(zhuǎn)速空氣渦輪起動(dòng)機(jī)，該型起動(dòng)機(jī)是目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)役產(chǎn)品中具有最高渦輪轉(zhuǎn)速的產(chǎn)品，其渦輪最高轉(zhuǎn)速可達(dá)118000r/min，針對(duì)其包容結(jié)構(gòu)的研究具有典型意義。該型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)單級(jí)渦輪級(jí)外部包容結(jié)構(gòu)由渦輪盤、導(dǎo)向器殼體和包容環(huán)三部分組成，如圖1所示。其基本工作及材料參數(shù)見(jiàn)表1。

2有限元模型

在開(kāi)展試驗(yàn)分析驗(yàn)證前，需通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算確定該渦輪轉(zhuǎn)子組件的包容能力。為便于建立有限元模型而又不影響包容性分析，進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：（1）在對(duì)渦輪盤進(jìn)行計(jì)算之前將中心軸去除，然后將其三等分；（2）去除包容環(huán)、導(dǎo)向器殼體上部分倒角；（3）去除導(dǎo)向器殼體外緣通孔。在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分之前，需對(duì)相應(yīng)的幾何模型加以清理，如去除一些不必要的線段，清理一些小碎面等，同時(shí)為了有效劃分六面體網(wǎng)格和滿足對(duì)不同部分設(shè)置不同的網(wǎng)格密度，需對(duì)模型進(jìn)行切分。

經(jīng)過(guò)幾何處理后，使用Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)型，包容環(huán)和導(dǎo)向器殼體使用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，而渦輪盤由于幾何形狀比較復(fù)雜對(duì)其使用4節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行劃分，體單元均采用單點(diǎn)積分，網(wǎng)格劃分完成后各部件有限元網(wǎng)格模型及總體模型如圖2所示。

根據(jù)安裝方式，約束導(dǎo)向器殼體上下表面、包容環(huán)上下表面的軸向位移自由度。輪盤破裂轉(zhuǎn)速設(shè)定118000r/min。輪盤破裂飛出后，各部件之間的接觸非常復(fù)雜，因此采用單面接觸。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，接觸面摩擦因數(shù)取0.15。

3材料模型

本次計(jì)算模型中渦輪和包容環(huán)的材料均為TC4，導(dǎo)向器殼體的材料為2A70。各材料的Johnson-Cook本構(gòu)模型和失效模型參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

4數(shù)值仿真結(jié)果及分析

數(shù)值仿真計(jì)算使用LS-DYNA971進(jìn)行，設(shè)定求解時(shí)間為3ms。圖3和圖4分別為3ms內(nèi)破裂渦輪撞擊外部包容結(jié)構(gòu)內(nèi)壁過(guò)程的正面視圖與背面視圖。

可以看出，渦輪飛出后，渦輪葉片撞擊導(dǎo)向器殼體和包容環(huán)內(nèi)壁，受到阻擋作用，渦輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)持續(xù)刮擦包容環(huán)內(nèi)壁。在撞擊力的作用下，渦輪發(fā)生向下翻轉(zhuǎn)，計(jì)算的最終狀態(tài)為輪盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)刮擦包容環(huán)內(nèi)壁，此時(shí)輪盤的動(dòng)能已降至初始動(dòng)能的1%以下且呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，故包容過(guò)程結(jié)束，包容環(huán)對(duì)輪盤包容成功。

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，撞擊過(guò)程中，渦輪動(dòng)能主要轉(zhuǎn)化為外部包容結(jié)構(gòu)與渦輪的內(nèi)能以及摩擦消耗的滑移能。因此，外部包容結(jié)構(gòu)變形、渦輪與包容環(huán)、排氣殼體內(nèi)壁的刮擦為主要吸能模式，各部件變形損傷和破裂如圖5所示。

5試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)GJB/Z20339—1996《飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用空氣渦輪起動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》第5.15條的要求：空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的包容性試驗(yàn)要求渦輪在轉(zhuǎn)速等于或大于最大轉(zhuǎn)速條件下，產(chǎn)生誘導(dǎo)輪盤破裂成三塊（三等分）的破壞，驗(yàn)證試驗(yàn)中若出現(xiàn)導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)外部著火、內(nèi)表面溫度超過(guò)371℃、起動(dòng)機(jī)不能包容全部碎片，以及本身不能保持在其安裝座上等情況，均視為包容失敗，零件可從起動(dòng)機(jī)排氣口掉出，但其必須無(wú)破壞性能量。因此，設(shè)計(jì)的驗(yàn)證方法如下：將一塊軟鋁片（0.08cm或更薄的）放置于離起動(dòng)機(jī)排氣口不到0.9m處，使排氣能沖擊鋁片。鋁片的支承方式要保證在其背面的25.4mm距離內(nèi)無(wú)硬性支撐物。鋁片上有任何明顯凹坑或鋁片被擊穿，均應(yīng)為包容失敗。

包容試驗(yàn)中，渦輪破裂通常采用預(yù)割裂紋或預(yù)埋炸藥的方式實(shí)現(xiàn)，由于試驗(yàn)件尺寸較小、試驗(yàn)轉(zhuǎn)速極高，預(yù)埋炸藥非常困難，擬采用在渦輪上預(yù)割裂紋的方式，通過(guò)控制切割裂紋長(zhǎng)度控制破裂轉(zhuǎn)速。渦輪預(yù)切割裂紋進(jìn)行破裂試驗(yàn)的具體方法如下：試驗(yàn)時(shí)，首先采用電火花線切割機(jī)，在渦輪上預(yù)制三條均勻的、一定長(zhǎng)度的徑向裂紋，以及周向角度為90°、直徑為18mm的周向裂紋，如圖6所示。

如圖7所示，安裝至試驗(yàn)臺(tái)，每次試驗(yàn)時(shí)逐步增加轉(zhuǎn)速，緩?fù)频缴舷揶D(zhuǎn)速118000r/min，保持30s后拉停。若渦輪不破裂，則進(jìn)一步增加預(yù)割徑向裂紋長(zhǎng)度。切割后重新上臺(tái)，重復(fù)進(jìn)行以上步驟，直至渦輪盤發(fā)生破裂。

試驗(yàn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速與振動(dòng)曲線如圖8所示，其中黑色曲線為轉(zhuǎn)速—時(shí)間曲線，紅色曲線為振動(dòng)—時(shí)間曲線，藍(lán)色直線為最高目標(biāo)轉(zhuǎn)速。渦輪在升速到118000r/min（最高轉(zhuǎn)速118095r/min），并停留18s時(shí)破裂為三部分，渦輪破裂轉(zhuǎn)速在預(yù)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。從圖8可以看出，在渦輪轉(zhuǎn)子斷裂的瞬間，振動(dòng)值非常大，大大超過(guò)位移振幅測(cè)量?jī)x所設(shè)定的極限值，因此觸發(fā)試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)停車，同時(shí)觸發(fā)高速相機(jī)記錄渦輪破裂過(guò)程。

圖9和圖10分別為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)束后包容結(jié)構(gòu)的外部和內(nèi)部，可見(jiàn)包容結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小變形，整體完好，軟鋁片未出現(xiàn)明顯異物碰撞痕跡，試驗(yàn)結(jié)果表面目前采用的包容結(jié)構(gòu)能很好地對(duì)破碎的超高轉(zhuǎn)速渦輪盤起到約束和保護(hù)作用，可以滿足包容性要求。

6結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)超高轉(zhuǎn)速空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的高能量渦輪盤開(kāi)展包容結(jié)構(gòu)能力分析，通過(guò)以上數(shù)值仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以看出渦輪盤破碎飛出后，主要特征為對(duì)導(dǎo)向器殼體、包容環(huán)內(nèi)壁的撞擊以及沿包容環(huán)內(nèi)壁的周向滑移刮擦運(yùn)動(dòng)，包容環(huán)通過(guò)自身變形與內(nèi)壁與渦輪的刮擦滑移吸收能量。試驗(yàn)與模型仿真結(jié)果表明該包容結(jié)構(gòu)可以對(duì)破碎渦輪盤起到很好的抑制和約束作用，具備較好的包容能力，研究結(jié)果對(duì)超高轉(zhuǎn)速空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的包容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)意義。

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Performance Analysis and Research on the Containment Structure of Ultra-High Speed Turbine in Air Turbine Starter

Jiang Cong，Xiong Xin，Liu Mian，Zhang Qi

AVIC Nanjing Mechanical and Hydraulic Engineering Research Center，Nanjing 210006，China

Abstract： Aiming at the containment structure of an aero-engine ultra-high speed air turbine starter， the containment capacity was analyzed and verified. The Johnson-Cook constitutive model was used to simulate its containment capacity with LS-DYNA software， and the containment test was carried out on the ultra-high speed rotating test bench. The experimental results show that after the turbine disk is broken and files out， the main characteristics are the impact on the guide shell and the inner wall of the containment ring， and the circumferential sliding and scraping movement along the inner wall of the containment ring. The containment ring absorbs energy through its own deformation and the scraping and sliding between the inner wall and the turbine. The experiment results are in good agreement with the model simulation results， which shows that the containment structure can restrain the broken turbine disk， and has good containment capacity. The research results have a good guiding significance for the containment structure design of air turbine starter.

Key Words： air turbine starter； ultra-high speed； turbine disk； containment structure； numerical simulation