渦輪機(jī)匣包容性結(jié)構(gòu)特征初探

孫 凱 白忠愷 范健學(xué) 段兵兵

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002）

0.引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣非包容會(huì)導(dǎo)致高速高能的危險(xiǎn)碎片穿透機(jī)匣飛出，造成飛機(jī)的機(jī)艙、油箱、液壓管路和電器控制線路等的嚴(yán)重破壞，嚴(yán)重危及飛機(jī)的飛行安全，這里的高能高速碎片主要指葉片、盤(pán)及擋板。相比葉片，輪盤(pán)的質(zhì)量較大，發(fā)生破裂后產(chǎn)生的動(dòng)能過(guò)大，如果針對(duì)輪盤(pán)進(jìn)行包容性設(shè)計(jì)，機(jī)匣需設(shè)計(jì)很厚，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)重量增加，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功重比，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的總指標(biāo)，所以目前渦輪機(jī)匣的包容性主要指的是對(duì)轉(zhuǎn)子葉片的包容。

目前，各國(guó)均對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的包容性提出要求，美國(guó)的聯(lián)邦航空規(guī)則FAR33.94[1]要求：在最高工作轉(zhuǎn)速下，葉片從葉根（對(duì)于整體葉盤(pán)則至少是葉片的80%處）斷裂，發(fā)動(dòng)機(jī)必須具有包容斷葉的能力。中國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定[2]要求：壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子機(jī)匣的設(shè)計(jì)必須對(duì)因轉(zhuǎn)子葉片失效而引起的破壞具有包容性。此外，Delucia 等人統(tǒng)計(jì)了1971 年至1988 年美國(guó)民用航空發(fā)生的轉(zhuǎn)子故障[3]，結(jié)論表明：轉(zhuǎn)子故障主要發(fā)生在飛機(jī)起飛和爬升階段，80%左右葉片碎片被包容，100%輪盤(pán)碎片未包容。針對(duì)葉片包容問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要開(kāi)展了仿真及試驗(yàn)研究[4-7]。

風(fēng)扇葉片斷裂是發(fā)動(dòng)機(jī)最易發(fā)生的事故，在風(fēng)扇機(jī)匣研究方面取得了較多的研究成果；而渦輪機(jī)匣的包容性國(guó)內(nèi)外的研究較少，原因是在考慮包容問(wèn)題時(shí)，主要針對(duì)部分葉片因疲勞損傷、異物撞擊發(fā)生斷裂后機(jī)匣的包容性，在機(jī)匣設(shè)計(jì)中采用等壁厚設(shè)計(jì)通?？梢詫?shí)現(xiàn)。而針對(duì)渦輪軸發(fā)生斷裂這一小概率事件所產(chǎn)生的特殊的包容性問(wèn)題：即斷軸后為防止轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)，大量的動(dòng)力渦輪葉片在渦輪盤(pán)破裂時(shí)先斷裂，這時(shí)存在機(jī)匣能否包容葉片的問(wèn)題；此外還包含斷軸后渦輪轉(zhuǎn)子在氣流沖擊下從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣裝置后部飛出，即軸向包容性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)還屬于初步探索階段；本文主要針對(duì)這兩種問(wèn)題展開(kāi)對(duì)渦輪機(jī)匣包容性的探索性分析。

1.渦輪包容性的典型結(jié)構(gòu)特征

1.1 防止轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)特征

渦輪機(jī)匣本身沒(méi)有防止轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)的單獨(dú)結(jié)構(gòu)，防止轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)的主要目的是防止渦輪盤(pán)的轉(zhuǎn)速過(guò)高而發(fā)生破裂，因?yàn)闇u輪盤(pán)通常是非包容的，因此，防止飛轉(zhuǎn)的問(wèn)題實(shí)際上也是包容性設(shè)計(jì)問(wèn)題。

因此，為保證渦輪軸斷軸后渦輪機(jī)匣的包容性，必須先解決轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)問(wèn)題，目前，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最直接的辦法就是讓葉片不做功，防止葉片推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的繼續(xù)上升，例如某發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中將葉身葉根附近設(shè)計(jì)強(qiáng)度薄弱區(qū)域，如圖1 所示，應(yīng)急狀態(tài)下葉片強(qiáng)度薄弱區(qū)域的拉彎合應(yīng)力強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為1.325，在超轉(zhuǎn)115%情況下局部會(huì)進(jìn)入屈服，而渦輪盤(pán)在超轉(zhuǎn)125%的情況下，仍具有較大強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)，不會(huì)發(fā)生屈服，因此動(dòng)力葉片會(huì)在渦輪盤(pán)破裂前先斷裂，葉片斷裂后無(wú)法再進(jìn)行做功，也就無(wú)法推動(dòng)渦輪盤(pán)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，從而保證了渦輪盤(pán)的安全，即抑制了飛轉(zhuǎn)。

圖1 動(dòng)力一級(jí)工作葉片當(dāng)量應(yīng)力分布

此外有些發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中（如JT9D 發(fā)動(dòng)機(jī)），人為控制動(dòng)力渦輪第三、四級(jí)導(dǎo)向葉片與第二、三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片間的軸向間隙，一旦斷軸，轉(zhuǎn)子在氣動(dòng)作用下迅速后移，此兩級(jí)轉(zhuǎn)子葉片遂與兩級(jí)導(dǎo)向葉片接觸產(chǎn)生機(jī)械制動(dòng)作用，以此防止轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)而發(fā)生飛出事故。

采用斷裂葉片防止轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)的方式，面對(duì)的其他問(wèn)題還包括在渦輪盤(pán)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(chǎn)生的碎片動(dòng)能越大，對(duì)機(jī)匣的傷害也越大，為此，在機(jī)匣包容設(shè)計(jì)中還需著重考慮多片葉片同時(shí)斷裂的包容性問(wèn)題。

1.2 渦輪機(jī)匣局部增厚實(shí)現(xiàn)葉片包容

在評(píng)估機(jī)匣包容性設(shè)計(jì)中，主要采用包容系數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行評(píng)估，如國(guó)外某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣采用等壁厚設(shè)計(jì)，機(jī)匣厚度2mm 左右，渦輪外環(huán)不包含蜂窩的厚度1mm，假設(shè)斷裂1 片葉片，計(jì)算所得的包容系數(shù)為2。渦輪機(jī)匣在動(dòng)力渦輪一、二級(jí)工作葉片附近采用了局部加厚設(shè)計(jì)，其厚度為8mm 左右，計(jì)算在超轉(zhuǎn)125%的情況下斷裂1 片葉片的包容系數(shù)為8。

可以判斷兩種發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣在少量非相鄰葉片斷裂時(shí)均滿(mǎn)足包容性要求，但如果在渦輪軸斷軸時(shí)，為防止轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)，工作葉片需要在超轉(zhuǎn)狀態(tài)下先于渦輪盤(pán)斷裂，這時(shí)斷裂葉片數(shù)量往往會(huì)很多，且存在相鄰多片葉片同時(shí)斷裂的可能性，此時(shí)將機(jī)匣局部增厚，從而留有足夠的包容系數(shù)，將會(huì)使機(jī)匣具有防飛轉(zhuǎn)時(shí)的包容能力。然而對(duì)于包容系數(shù)具體取值范圍，還需要通過(guò)大量試驗(yàn)及模擬仿真計(jì)算進(jìn)行確定，可以預(yù)估機(jī)匣局部增厚設(shè)計(jì)中，包容系數(shù)至少需達(dá)到8 左右。

1.3 實(shí)現(xiàn)軸向包容的結(jié)構(gòu)特征

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪軸發(fā)生斷軸時(shí)，轉(zhuǎn)子不僅存在飛轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子在氣流作用下，由于沒(méi)有軸向制動(dòng)裝置，會(huì)軸向撞擊導(dǎo)向器或排氣機(jī)匣支板上，從而產(chǎn)生巨大的沖擊力，如果安裝在渦輪機(jī)匣上的排氣機(jī)匣、導(dǎo)向器等靜子件無(wú)法形成有效的阻隔，便會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)向器、排氣機(jī)匣、渦輪轉(zhuǎn)子等整體飛出，造成巨大的非包容事故，所以發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中還應(yīng)該考慮軸向包容問(wèn)題。

在發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定、航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范等文件中，并沒(méi)有對(duì)軸向包容提出要求，實(shí)際上很多發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)有意無(wú)意地都采用了軸向包容設(shè)計(jì)，例如，T700 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子支承軸承采用了球軸承，RB119的低壓渦輪轉(zhuǎn)子支承也采用了球軸承，球軸承可用于承受渦輪轉(zhuǎn)子的軸向力，如果發(fā)生斷軸事故，球軸承具有軸向力承載作用，轉(zhuǎn)子仍然可以保持在原位置轉(zhuǎn)動(dòng)，所以這種轉(zhuǎn)子支承方案本身具有軸向包容作用，其機(jī)匣包容性只需考慮防轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)問(wèn)題即可。

對(duì)于某些大型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，如GE90、PW4000、CMF56、RB211 等，大型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)TP400 等在排氣位置均設(shè)計(jì)了輔助安裝節(jié)，如圖2 所示，這一結(jié)構(gòu)保證了排氣機(jī)匣所受到的沖擊能量可以傳導(dǎo)到輔助安裝節(jié)上，最終傳導(dǎo)到與主安裝節(jié)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(jié)

然而部分發(fā)動(dòng)機(jī)未在排氣機(jī)匣上設(shè)置輔助安裝節(jié)，如發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪，但在設(shè)計(jì)中該發(fā)動(dòng)機(jī)也考慮到了軸向包容問(wèn)題，如圖3 所示，渦輪機(jī)匣上設(shè)計(jì)有止動(dòng)凸臺(tái)1，其二級(jí)導(dǎo)向器及排氣機(jī)匣上也設(shè)計(jì)有止動(dòng)凸臺(tái)2，當(dāng)渦輪軸發(fā)生斷軸時(shí)，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子在氣動(dòng)力的作用下軸向飛出，撞擊到導(dǎo)向器及排氣機(jī)匣上，產(chǎn)生的沖擊力通過(guò)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致螺栓斷裂或螺紋失效，與此同時(shí)導(dǎo)向器上的凸臺(tái)以及排氣框架上的凸臺(tái)被渦輪機(jī)匣上的軸向止動(dòng)凸臺(tái)擋住，巨大的撞擊力在止動(dòng)凸臺(tái)的阻擋下得到抑制，從而防止了渦輪轉(zhuǎn)子及導(dǎo)向器的軸向飛出。

圖3 某發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪斷軸后示意圖

對(duì)于軸向包容問(wèn)題，可以采用如上止動(dòng)凸臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，也可以增加螺栓的數(shù)量以提供足夠的耐沖擊能力（如圖3 中增加A 區(qū)域螺栓數(shù)量），而這些還需要理論計(jì)算來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，目前還沒(méi)有相應(yīng)的計(jì)算方法和試驗(yàn)研究，這正是設(shè)計(jì)者需要著重考慮的方向。

2.總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的包容問(wèn)題進(jìn)行歸納，進(jìn)而延伸到對(duì)渦輪機(jī)匣包容性的理解與分析，并在包容性機(jī)匣設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)控制、軸向包容問(wèn)題上展開(kāi)初步探索性分析，主要結(jié)論如下。

（1）為防止斷軸后轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)，在工作葉片的設(shè)計(jì)中要考慮在渦輪盤(pán)破裂前葉片提前斷裂，為此葉片設(shè)計(jì)中要設(shè)置強(qiáng)度薄弱點(diǎn)，或者采用工作葉片與導(dǎo)向葉片摩擦制動(dòng)的方法防止飛轉(zhuǎn)。

（2）渦輪機(jī)匣在包容性設(shè)計(jì)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(shù)，以實(shí)現(xiàn)防飛轉(zhuǎn)保護(hù)中，連續(xù)多片葉片的斷裂包容。

（3）渦輪機(jī)匣包容設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮軸向包容設(shè)計(jì)，如利用球軸承承載軸向力、利用輔助安裝節(jié)緩沖沖擊力、利用螺栓加止動(dòng)凸臺(tái)承載轉(zhuǎn)子沖擊的方法實(shí)現(xiàn)軸向包容。