航空发动机空气涡轮起动机的包容结构解析

摘要：近年来，随着航空技术的不断进步与发展，传统的起动机结构已经不能满足现代飞机运行的需求，而一种新型的空气涡轮起动机因其结构简单、使用方便、功率大的优点，在现代航空发动机的应用中越来越广泛。由于空气涡轮起动机在起动过程中需要高速运转，起动时间短、功率大，而起动机转子在高速运转过程中，转子的叶片、轮盘和封严环等零部件在巨大离心力的作用下，容易发生故障和意外脱落，会直接导致发动机的起动失败，甚至造成人员伤亡。因此，针对航空发动机空气涡轮起动机设计科学合理的包容结构，进行包容性数值仿真解析研究，以保证空气涡轮起动机的良好工作性能和安全性能。

关键词：航空发动机;空气涡轮;起动机;包容结构

0  引言

航空发动机是一种结构复杂和高度精密的热力机械，是飞机的重要组成部分，发动机主要负责飞机起动飞行的动力作用。随着航空发动机研发技术的不断创新，先进的空气涡轮起动机改变了传统发动机起动时间长、起动功率低、重量大和使用维护不方便的缺点，具有功率大、起动时间短、结构简单、重量轻的优点，而且发动机在操作运行时使用方便、安全可靠，满足了现代航空发动机的起动需求[1]。但是，由于空气涡轮起动机的工作性质和工作环境，起动机轮盘和转子的零部件在高速高能的运行过程中，极易发生损伤、破裂等故障，不仅影响发动机的正常起动，而且这些破碎的零部件如果在高速运转状态下飞出，一旦击中飞机的任何部位，就会导致部件损坏或引发火灾，造成机毁人亡的严重事故。因此，针对空气涡轮起动机的结构特点，根据涡轮转子碎裂状态以及碎块飞出的运动轨迹，进行包容性的实验分析与研究，创新设计了保护涡轮起动机的包容结构[2]。该结构根据发动机的工作原理，使运转中各种故障因素造成的起动机损坏的碎片，不能打穿该包容结构的防护装置，实现对损坏的涡轮转子零部件碎片的有效包容，避免灾害性事故的发生，保障起动机稳定安全的起动运转。具有包容结构保护的空气涡轮起动机的应用，推动了航空领域的快速发展[3]。

1  航空发动机空气涡轮起动机的包容结构设计

航空发动机其空气动涡轮起动机主要是由涡扇式空气压缩机、燃烧室和涡轮机组成。压缩机把流动的压缩空气传送到燃烧室，压缩空气与燃油混合后发生燃烧，不断燃烧产生的高温高压气体在涡轮机内迅速膨胀，强大的气体推力推动了起动机的作用力，推动飞机的前行[4]。空气涡轮起动机通过逐渐增大起动扭矩，减少了起动扭矩过载的危险，可以有效延长发动机的使用寿命，被广泛应用于军用和民用的航空发动机中[5]。根据空气涡轮发动机的工作原理，在强大推力下起动机转子高速运转时的状态，设计了保护起动机的包容结构，对涡轮转子零部件因各种因素在该转速工作状态下发生损坏时，把零件碎片进行包容，使破损的碎片不能打穿飞出包容装置，图1所示为包容性设计。

在空气涡轮起动机的包容性结构设计过程中，主要考虑如何设计包容环的强度、壳体强度、进气流道、固定方式和初始能量转化技术等多种因素。首先应对包容装置的形状、容量、厚度进行计算分析，设计科学合理的几何包容装置形状体积，以保证有足够的容积容量能够吸收容纳全部碎片。然后根据气体流量和流速的流通面积确定气流道的间隙尺寸，以保证满足功率需求的气体流量[6]。当涡轮转子零部件环碎片在高速运动状态下，会以最大撞速击打包容装置，因此包容装置应具备足够的厚度，才能避免不被碎片击穿。最后对包容装置采取外部罩壳并安装适当的支撑设施，完成对包容装置的有效固定，以防止包容装置被移动或破坏[7]。包容装置在厚度设计当中，既要考虑壳体的厚度能够抵御碎片的冲击力，又要考虑装置的重量符合标准需求。如果壳体的厚度过薄，很容易被大能量的碎片击穿，包容装置不能起到作用，如果壳体过厚就会导致装置超重，虽然起到包容保护作用，但是不符合发动机设备标准要求。所以应对高速状态下飞出碎片的数量、能量的大小，进行分析计算，在根据不同工作环境、不同涡轮运转速度，设计符合标准需求的包容装置的厚度[8]。

2  航空发动机空气涡轮起动机的包容性验证

2.1 试验设备

空气涡轮起动机的包容装置在设计完成后，需对其包容性开展检测试用，以验证包容装置安全可靠性，试验台不需要特殊建筑，只是在原有起动机验收试车台的基础上改造设计而成。被试的起动机采用厚铝材筒形屏罩，试验时起动机不带惯性飞轮，以利于涡轮转速快速达到最高。在参数测量时采取两套采集系统方法，以防止不同速度、不同能量的碎片影响采集参数的精准性，当飞出的任何碎片没能击穿指示装置屏罩时，就表示该装置符合使用标准。

2.2 包容性验证要求

在进行包容性验证时，需选择一台满足验证条件的起动机开展试验，预先设计起动机涡轮转子在最大转速条件下能够发生破裂损坏，使碎片快速飞出。包容装置在大量碎片能力作用冲击下不被击穿，就表示该起动机的包容装置符合标准要求。实验过程中还应对起动机外部的防火能力、内表面耐高温程度进行测试，防止包容装置在高温状态下引发起火现象，造成对起动机的危害。同时还应对包容装置的固定性进行检测，避免强大冲击力造成包容裝置产生移动。包容性验证可以在起动机飞行工作或地面静止下进行，针对起动机转速和涡轮破碎的不同状态下设计相应的包容性实验，以保证起动机包容装置符合验证条件。

2.3 包容结构仿真结果与分析

包容结构试验结果如图2所示。

通过对包容结构试验的结果可以看出，当试验中的涡轮转子在转速为41337r/min时，涡轮盘与内侧辅助环在长时间高速运转过程中产生刮擦，如图（b）所示，在不断快速运转的作用下严重影响了轮盘的运转姿态，导致无法平衡运转使涡轮转子产生了部分破裂状态。破碎的轮盘部件在撞击包容环后整体翻出，并撞击到外部验证屏罩，而外壁包容环并没有发生变形，但是内壁辅助环受损严重，如图（c）所示包容性验证失败。

2.4 仿真试验结论

针对起动机包容装置实验结果分析，厚壁与薄壁的包容结构会发生不同的包容效果。当厚壁包容结构的整个轮盘破裂飞出过程中，绝大部分冲击能量被内壁辅助环吸收，而外壁包容環并没有发挥包容性能，整体形态没有发生改变。这是由于包容组件太厚造成破裂的涡轮盘与壳体长时间快速刮擦作用下，整个轮盘运转姿态发生改变发生翻转飞出，直接撞击内壁，并没有直接与外壁包容环产生作用，导致外壁包容环没有起到包容作用，外部壳体发生损坏，包容验证失败。而薄壁结构的包容环较薄但具有良好的塑性，当被轮盘破裂飞出的撞击过程中，包容环虽然发生变形但不会产生断裂。这是由于包容环在变形过程中吸收了破裂轮盘的大量冲击作用力，并能有效卡住破裂轮盘使其不会翻转飞出，而且包容环在发生变形后并未撞击外部壳体，发挥了较好的包容效果。通过对包容结构内外部设计实验表明，薄壁包容结构的设计符合包容性的需求，减轻了包容装置的重量，既保证了包容装置的良好效能，又节约了经济成本，保证了空气涡轮起动机安全稳定的运行状态。

3  结束语

通过对航空发动机空气涡轮起动机包容结构设计的分析，针对起动机涡轮转子破裂撞击下包容装置薄厚程度、包容环的包容性能和支座结构的影响，开展试验及数值仿真计算的验证，确保该包容装置符合空气涡轮起动机的设计需求。根据实验结果对包容结构设计时，需注意以下几点：

①包容结构的壁厚应设计合适的薄厚程度，以满足包容条件，包容环的厚度设计既要保证不断裂，又要保证能够卡住轮盘不会造成轮盘翻转飞出。

②在设计包容环的支承结构时，应采用固定结构强度大的支承结构，避免轮盘破裂后撞击包容装置造成支承结构产生移动或破坏。

在空气涡轮起动机包容性的设计中，不仅要对包容装置的结构进行科学合理的结构设计，满足空气涡轮起动机的包容性要求，同时还要严格按照 “GJBZ20339-1996飞机发动机空气涡轮起动机通用规范”的标准规定，提高航空发动机空气涡轮起动机的安全性和可靠性。

参考文献：

[1]李磊.应用于航空发动机涡轮叶片的热障涂层材料研究[J].功能材料，2017，48（2）：2084-2090.

[2]柴象海，史同承，王少辉，等.航空发动机风扇叶片与机匣刮蹭分析及结构设计[J].航空动力学报，2019，34（9）：1879-1887.

[3]皮骏，周枭，刘光才，等.某型航空发动机涡轮部件性能衰退模型研究[J].机械设计，2019，6（5）：87-92.

[4]柴象海，史同承，王少辉，等.航空发动机风扇叶片与机匣刮蹭分析及结构设计[J].航空动力学报，2019，34（9）：1879-1887.

[5]皮骏，周枭，刘光才，等.某型航空发动机涡轮部件性能衰退模型研究[J].机械设计，2019，6（5）：87-92.

[6]陈津，赵斌斌，连宇臣，等.航空发动机盘轴连接结构螺栓组弹性相互作用的规律[J].机械设计与研究，2018，5（4）：95-99.

[7]冯健朋，赵小勇.航空发动机振动不平衡相位检测方法研究[J].燃气涡轮试验与研究，2018，5（3）：38-42.

[8]王帅，江平，李超，等.某型航空发动机附件传动系统新型的中央传动齿轮结构[J].机械设计与研究，2017，4（6）：71-73.

作者简介：张栋（1984-），男，陕西铜川人，本科，助理工程师，北京飞机维修工程有限公司三级技术员，主要研究方向为民航飞机系统与涡轮喷气发动机。