侯樂毅，陳靖華，鄭 妹

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，南京211106)

1 引言

高能轉(zhuǎn)子非包容失效是指包容高能轉(zhuǎn)子機(jī)匣發(fā)生破壞被擊穿，高速高能的非包容碎片擊傷飛機(jī)機(jī)艙、油箱、電器控制線路和液壓管路等，造成機(jī)艙失壓、油箱泄漏起火、電器失靈、液壓機(jī)構(gòu)無(wú)法動(dòng)作等二次破壞，最終導(dǎo)致機(jī)毀人亡的嚴(yán)重空難[1-11]。隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展和各航空大國(guó)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)包容問題的重視，一些新材料、高強(qiáng)度的機(jī)匣開始得到應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)的非包容事故逐漸減少，但仍然時(shí)有發(fā)生。相比大中型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，飛機(jī)第二動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速更高，一般約為70 000 r/min，其包容性問題更加突出。

國(guó)外的民用航空條例和軍用規(guī)范中都有專門的條文對(duì)第二動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)子葉片包容性做出要求：產(chǎn)品發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)油或進(jìn)氣管道不能斷裂，產(chǎn)品要保持在安裝支座上，包容結(jié)構(gòu)應(yīng)能包容高能轉(zhuǎn)子碎片(1/3輪盤碎片、輪轂和葉片、自由運(yùn)轉(zhuǎn)到破壞產(chǎn)生的碎片)[12-14]。多家公司，如霍尼韋爾、漢勝等，也都有針對(duì)轉(zhuǎn)子葉片包容性的理論計(jì)算方法和試驗(yàn)設(shè)備。但國(guó)外研究中，少有針對(duì)轉(zhuǎn)子葉片包容性的模擬分析、試驗(yàn)方法和驗(yàn)證手段的論述[15-19]。國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了機(jī)匣包容性方面的研究，但主要是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣/葉片[20-23]，幾乎未涉及第二動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)子包容問題。特別是第二動(dòng)力系統(tǒng)中的空氣渦輪起動(dòng)機(jī)，直接在附件機(jī)匣上，周圍都是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油和滑油管路，轉(zhuǎn)子包容尤為重要，但鮮見對(duì)其包容性的研究報(bào)告。

某型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)為上世紀(jì)70年代產(chǎn)品，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，原設(shè)計(jì)未考慮包容要求。為解決該空氣渦輪起動(dòng)機(jī)包容性問題，改進(jìn)設(shè)計(jì)了其包容結(jié)構(gòu)，并對(duì)改進(jìn)后的包容結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 起動(dòng)機(jī)包容結(jié)構(gòu)和材料

該空氣渦輪起動(dòng)機(jī)是通過(guò)整機(jī)設(shè)置保護(hù)切斷機(jī)構(gòu)來(lái)降低超轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)，未考慮包容要求。為實(shí)現(xiàn)其包容性，改進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了兩個(gè)階段。第一階段在起動(dòng)機(jī)外部直接增加包容環(huán)。經(jīng)過(guò)兩次摸底試驗(yàn)(表1)，發(fā)現(xiàn)包容環(huán)與試驗(yàn)臺(tái)連接的固定螺釘斷裂，包容環(huán)飛出，未能滿足包容要求(圖1)。第二階段更改了包容結(jié)構(gòu)，在排氣罩內(nèi)增加了包容環(huán)，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

表1 包容結(jié)構(gòu)摸底試驗(yàn)情況Table 1 Test Results of containment structure

兩個(gè)階段包容結(jié)構(gòu)所采用的材料及設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 包容結(jié)構(gòu)材料和設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Containment structure materials and design parameters

3 建模

3.1 幾何模型

第二階段空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的包容結(jié)構(gòu)由渦輪、恒壓風(fēng)門殼體、包容環(huán)和排氣罩四部分組成。為簡(jiǎn)化模型，將可忽略的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)省略?？諝鉁u輪起動(dòng)機(jī)的包容結(jié)構(gòu)的三維幾何模型見圖3。由于渦輪盤三等分破裂時(shí)破裂碎片的能量最大，因此三維建模時(shí)將渦輪盤三等分。

3.2 有限元模型

有限元網(wǎng)格劃分之前需對(duì)相應(yīng)的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如去除不必要的線段和清理小碎面等。為有效劃分六面體網(wǎng)格和實(shí)現(xiàn)不同部分設(shè)置不同網(wǎng)格密度對(duì)模型進(jìn)行了切分。經(jīng)過(guò)幾何處理后，使用hy?permesh12.0進(jìn)行網(wǎng)格劃分。考慮到結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)形，包容環(huán)和排氣罩采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，渦輪由于幾何形狀比較復(fù)雜采用4節(jié)點(diǎn)四面體單元，體單元均采用單點(diǎn)積分。圖4給出了各部件有限元網(wǎng)格模型及總體模型。

3.3 材料模型

為描述空氣渦輪起動(dòng)機(jī)包容結(jié)構(gòu)在包容過(guò)程中材料的變形、非線性和粘塑性，計(jì)算中渦輪、包容環(huán)、恒壓風(fēng)門殼體和排氣罩材料均選用Johnson-Cook本構(gòu)模型。此模型能較好地模擬材料的硬化、應(yīng)變率和溫度軟化效應(yīng)，其本構(gòu)方程為：

式中：σe為流動(dòng)應(yīng)力；為等效塑性應(yīng)變；為無(wú)量綱等效塑性應(yīng)變率，其中為塑性應(yīng)變率，為參考塑性應(yīng)變率；T*=(T-T0)/(Tm-T0)為無(wú)量綱溫度，其中T為材料實(shí)際溫度，T0為室溫，Tm為材料熔點(diǎn)。

材料失效則采用基于連續(xù)損傷力學(xué)的John?son-Cook累積損傷準(zhǔn)則，定義損傷參數(shù)D為：

其中破壞應(yīng)變定義為：

式中：σ*=p/σeff=-Rσ，其中p為靜水壓力，σeff為Von Mises等效應(yīng)力；初始時(shí)D=0，當(dāng)D=1時(shí)材料失效。

渦輪的最大工作轉(zhuǎn)速為41 000 r/min，破裂轉(zhuǎn)速為43 050 r/min(最大工作轉(zhuǎn)速的105%)。計(jì)算模型采用第二階段的包容結(jié)構(gòu)，渦輪材料為TC4，包容環(huán)和排氣罩的材料為TC11，恒壓風(fēng)門殼體材料為ZL105。各材料的Johnson-Cook本構(gòu)模型和失效準(zhǔn)則參數(shù)見表3、表4[24-25]。

4 數(shù)值仿真及分析

數(shù)值仿真使用LS-DYNA971進(jìn)行，設(shè)定求解時(shí)間t為3.00 ms。圖5為t=3.00 ms時(shí)整體和各部件的計(jì)算結(jié)果?？梢?，恒壓風(fēng)門殼體完全碎裂，包容環(huán)產(chǎn)生變形但未破裂，未撞擊到外部的排氣罩，故認(rèn)為該包容結(jié)構(gòu)成功包容了破裂渦輪碎片，且包容能力裕度較大。

表3 材料的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)Table 3 Material parameters for Johnson-Cook model

表4 材料的Johnson-Cook失效模型參數(shù)Table 4 Material parameters for Johnson-Cook Failures model

圖6～圖9為3.00 ms內(nèi)高能渦輪盤碎塊撞擊包容結(jié)構(gòu)內(nèi)壁并被包容的過(guò)程。可看出：渦輪盤出現(xiàn)損傷與破裂(圖6)；渦輪盤碎塊飛出后，碎塊先撞擊恒壓風(fēng)門殼體，由于恒壓風(fēng)門殼體較薄，很快被擊穿，在t=0.15 ms時(shí)便完全失效(圖7)；渦輪盤碎塊進(jìn)一步撞擊、刮擦包容環(huán)內(nèi)壁，致使包容環(huán)變形(圖8)；碎塊能量持續(xù)降低，但并未撞擊到外部的排氣罩，包容結(jié)構(gòu)的包容過(guò)程結(jié)束(圖9)。

圖10～圖13分別給出了渦輪動(dòng)能、內(nèi)能變化歷程和包容環(huán)、恒壓風(fēng)門殼體應(yīng)變能變化歷程。計(jì)算結(jié)束時(shí)刻(t=3.00ms)渦輪碎塊動(dòng)能較小，不具備繼續(xù)破壞包容環(huán)的能力，據(jù)此可認(rèn)為3.00 ms時(shí)刻撞擊過(guò)程基本結(jié)束。撞擊過(guò)程中，渦輪動(dòng)能主要轉(zhuǎn)化為包容結(jié)構(gòu)與渦輪的內(nèi)能以及摩擦消耗的滑移能。因此，包容結(jié)構(gòu)變形、渦輪碎塊與恒壓風(fēng)門殼體和包容環(huán)的撞擊、渦輪碎塊與包容環(huán)內(nèi)壁的刮擦為主要吸能模式。

以上分析表明，第二階段改進(jìn)的包容結(jié)構(gòu)能吸收渦輪盤最大破裂情況下的動(dòng)能，而且安全裕度較大。由于包容結(jié)構(gòu)材料準(zhǔn)確的參數(shù)需要專門試棒，而材料性能將影響數(shù)值模擬精度，下文通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證包容的有限性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)件

包容性試驗(yàn)在浙江大學(xué)高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室ZUST1型轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)(圖14)上完成。ZUST1型試驗(yàn)設(shè)備由三部分組成：測(cè)速系統(tǒng)、高速拍攝系統(tǒng)和動(dòng)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)件安裝在柔性懸臂主軸的端部，由功率為55 kW的Z4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可在0～3 000 r/min內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速。通過(guò)高速齒輪箱增速，試驗(yàn)臺(tái)輸出轉(zhuǎn)速最高可達(dá)96 000 r/min。真空腔內(nèi)裝有厚100 mm、高300 mm的鉛磚保護(hù)層，以確保設(shè)備及試驗(yàn)人員的安全。保護(hù)鉛磚層與試件之間，可根據(jù)不同的試驗(yàn)要求安裝其他試驗(yàn)輔助裝置。

試驗(yàn)件包括渦輪轉(zhuǎn)子、包容環(huán)、恒壓風(fēng)門殼體、排氣罩和驗(yàn)證屏罩。驗(yàn)證屏罩為放置在排氣罩出口1.2 m處的筒形0.8 mm薄鋁板，使從排氣罩出口排出的碎塊能沖擊鋁片；鋁片的支承方式要保證在其背面無(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)為故障。

試驗(yàn)前，在渦輪上預(yù)割裂紋，通過(guò)控制切割裂紋長(zhǎng)度控制破裂轉(zhuǎn)速。渦輪切割裂紋方向沿徑向由外向內(nèi)，再沿周向從兩側(cè)向中間。沿周向均布3條，裂紋尖端加工圓孔以減輕裂紋頭部的應(yīng)力集中，如圖15所示。試驗(yàn)中，受材料特性變化、切割深度誤差等影響，渦輪實(shí)際破裂轉(zhuǎn)速與目標(biāo)值存在一定偏差。采取的主要措施為在目標(biāo)轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上給出2 050 r/min的裕度，設(shè)定渦輪破裂轉(zhuǎn)速的范圍為41 000～43 050 r/min。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖16所示。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

渦輪盤轉(zhuǎn)子在試驗(yàn)臺(tái)上轉(zhuǎn)速達(dá)到42 300 r/min停留5.00 s后破裂。圖17為試驗(yàn)結(jié)束后現(xiàn)場(chǎng)照片?？煽闯鰷u輪盤轉(zhuǎn)子破裂為三部分，恒壓風(fēng)門殼體被破壞，包容環(huán)變形較大，但未被擊穿；排氣罩無(wú)變形，整體完好；驗(yàn)證屏罩未受影響，整體完好。

6 結(jié)論

(1)渦輪盤以三等分最大能量碎裂，包容結(jié)構(gòu)也能較好吸收碎塊的動(dòng)能；

(2)從排氣罩出口排出的碎塊能量較低，不能損傷0.8 mm薄鋁板，驗(yàn)證屏罩完好；

(3)第二階段的包容改進(jìn)措施可行，空氣渦輪起動(dòng)機(jī)能夠滿足包容要求。

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