APU轉子爆破對防火墻影響的研究

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APU轉子爆破對防火墻影響的研究

0引言

輔助動力裝置 (Auxiliary Power Unit，以下簡稱APU)是安裝在飛機上的機載輔助發動機，用于產生并提供一種單一類型的動力或輔助電源、氣源或其他動力的組合。

在民用飛機設計中，APU及相關結構需滿足CCAR 25[1]及AC20-128A[2]中的設計要求。盡管目前民用飛機的APU是按照TSO C77b[3]的相關規定進行設計，滿足“轉子包容性”的要求。但是對于滿足“轉子包容性”要求的APU而言，仍會有一些小碎片在APU非包容性轉子爆破發生時飛出APU機匣，并對飛機安全造成影響。由于非包容性轉子損壞起因的多樣性，難以預料所有可能的失效原因并為影響區域提供保護。

1APU轉子小碎片拋射模型

在民用飛機結構設計中，APU通常布置于飛機后機身的非氣密艙，后機身的非氣密艙內大部分為非重要的結構件和系統件，所以僅需考慮轉子爆破時小碎片對重要的結構件或系統件的影響。某型飛機的APU及APU防火墻構型如圖1所示，APU防火墻將APU覆蓋住使之與飛機的其它部分隔離，達到防火、隔熱的效果。圖2為APU的剖面示意圖，沿著軸線分別為負載壓氣機轉子、動力段壓氣機轉子、一級渦輪轉子及二級渦輪轉子四個部分。

根據文獻[4]、[5]中提供的小碎片飛散角，通過CATIA軟件，分別以負載壓氣機轉子、動力段壓氣機轉子、一級渦輪轉子及二級渦輪轉子的轉動中心為起點，以各自轉動平面為基準，分別向前后±15°展開，形成四個扇形面。將扇形面沿APU轉動軸旋轉360°，形成的一個兩端封閉，徑向不封閉的模型，稱之為APU轉子小碎片拋射模型，如圖3所示。

圖1　APU及防火墻

圖2　APU剖面示意圖

圖3　APU轉子小碎片拋射模型

將APU轉子小碎片拋射模型與飛機尾段數模相結合，檢查飛機數模中哪些重要的結構件或系統件處于小碎片拋射模型的范圍內。如圖4所示，周向防火墻上方的液壓1號和液壓2號管路處于APU轉子小碎片拋射模型的范圍內。并不是所有小碎片都會擊中液壓管路，而是與液壓管路相交范圍內的小碎片才可能擊中液壓管路，根據APU轉子小碎片拋射模型與液壓管路的相交確立周向防火墻上碰撞區，當APU轉子發生時，小碎片可能擊穿圖5中的周向防火墻碰撞區，然后擊中液壓管路，影響飛機安全。下節將通過數值計算APU轉子小碎片是否會擊穿周向防火墻碰撞區。

圖4　小碎片拋射模型與液壓管路相交

圖5　周向防火墻碰撞區

2小碎片對周向防火墻的沖擊

本文通過有限元前處理軟件HyperMesh進行建模，通過LS-DYNA軟件進行求解，模擬小碎片對周向防火墻的沖擊，從而分析小碎片是否會擊中液壓管路。周向防火墻的初始厚度為1.016mm；轉子小碎片的尺寸及速度由APU供應商提供，具體數據如下：

長=1.7in=1.7×25.4mm=43.18mm

寬=1.0in=1.0×25.4mm=25.4mm

高=0.06in=0.06×25.4mm=1.524mm

速度=1 100fps=1 100×0.304 8m/s=335.28m/s

在有限元建模中，防火墻、小碎片全部采用殼單元，有限元網格模型如圖6所示。

為了提高求解效率，前、后防火墻采用粗網格，周向防火墻只針對碰撞區進行局部加密；對前防火墻、后防火墻以及周向防火墻的底部進行固支；小碎片與周向防火墻之間接觸類型為Nodes-to-Surface；防火墻、APU轉子小碎片的材料均為Ti-6Al-4V鈦合金板。表1為該材料的具體參數。

表1　材料性能參數

圖6　有限元網格劃分

通過LS-DYNA軟件計算得到的結果可以看出，小碎片以速度335.28m/s與周向防火墻相撞后，周向防火墻被擊穿，圖7為防火墻碰撞區被小碎片擊穿時的應力云圖。圖8為總能量變化曲線，通過曲線可知當小碎片擊中周向防火墻后，小碎片的動能逐漸轉化為周向防火墻及小碎片的內能。圖9為小碎片的速度歷程曲線，當小碎片擊中周向防火墻后速度迅速降低，直至周向防火墻被擊穿，小碎片仍然保持一定的速度繼續前進。

綜上所述，小碎片擊穿周向防火墻后，仍然保持一定的速度前進，并且可能擊中液壓管路，對飛機安全產生影響，這是不符合AC20-128A中的安全要求的。

圖7　周向防火墻被擊穿時的應力云圖

圖8　能量曲線

圖9　小碎片速度曲線

3小碎片對加強板的沖擊

通過LS-DYNA的數值計算結果已經表明，1.016mm的周向防火墻碰撞區被小碎片擊穿。為了保護液壓管路不被小碎片擊中，必須保證周向防火墻碰撞區不被小碎片擊穿，因此需對周向防火墻進行加強?？紤]到重量是民機極為重要的一個參數，所以必須設計合適的加強板，使得周向防火墻既不被擊穿，而增加的重量又最小。

分別設計0.813mm、1.016mm、1.6mm三種不同厚度的加強板對周向防火墻進行加強，加強板的大小與周向防火墻碰撞區的大小相同，加強板安裝在周向防火墻碰撞區內側，加強板的材料同樣為Ti-6Al-4V，材料性能如表1所示。加強板與壁板的接觸類型為Surface-to-Surface類型，小碎片與加強板的接觸類型為Nodes-to-Surface類型。

通過LS-DYNA的數值計算結果顯示，當加強板厚度為0.813mm時，周向防火墻碰撞區被擊穿；當防護板的厚度為1.016mm和1.2mm時，周向防火墻碰撞區沒有被擊穿，三種加強板的計算結果見表2。

表2　加強板計算結果

當加強板厚度為1.016mm時，小碎片與周向防火墻碰撞區發生碰撞后的最大應力云圖如圖10所示，此時周向防火墻碰撞區的最大應力為698MPa，沒有超過鈦合金的最大破壞應力，所以周向防火墻碰撞區沒有被小碎片擊穿。

小碎片的速度曲線如圖

11所示，小碎片擊中加強板后速度逐漸降低，速度降為零之后變為負值，說明小碎片被加強板反彈回去。

圖10　加強板1.016mm時的應力云圖

圖11　小碎片速度曲線

表2中三種厚度加強板的數值計算結果顯示，當加強板厚度為1.016mm和1.2mm時，小碎片不能擊穿周向防火墻碰撞區，保證了飛機的安全；從民用飛機經濟性方面考慮，1.016mm的加強板重量比1.2mm的加強板重量輕，所以1.016mm的加強板方案即安全又經濟。

4結論

(1)在民用飛機設計時，必須考慮APU轉子爆破的影響，應盡量避免將重要結構和系統設備布置在APU轉子爆破的影響范圍內。

(2)當無法避開APU轉子爆破的影響范圍時，可選擇合適的加強板方案，并通過數值計算模擬小碎片對防火墻的沖擊，校核防火墻的最大應力是否小于材料的破壞應力。最終使得APU防火墻滿足CCAR 25中25.903及AC20-128A中轉子爆破的相關要求。

參考文獻：

[1] 中國民用航空局. CCAR25-R4中國民用航空規章第25部：運輸類飛機適航標準[S]．北京：中國民用航空局，2011.

[2] AC20-128A Advisory Circular.Design considerations for minimizing hazards caused by uncontained turbine engine and auxiliary power unit rotor failure[S].Boston：Federal Aviation Administration，1997.

[3] TSO C77b Technology standard order.GAS Turbine Auxiliary Power Units[S].Boston：Federal Aviation Administration， 2000.

[4] 艾林英. 發動機轉子爆破碎片碰撞角度計算方法的研究[J].信息科技，2011，22:785-786.

[5] 楊萬里.轉子爆破對飛機機體結構危害的風險量化方法研究[J].航空發動機，2012，38(3):29-33.

Study on the Effect of APU Rotor Bursting on the Firewall

何周理何林鋒李萍 /

He ZhouliHe LinfengLi Ping

(上海飛機設計研究院，上海201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

摘要：

APU是安裝在民用飛機上的輔助動力裝置，是飛機上重要的部件，因此必須考慮APU轉子爆破時小碎片對飛機安全的影響。通過有限元軟件LS-DYNA，分別模擬了APU轉子爆破時小碎片對APU防火墻以及3種不同厚度加強板的沖擊計算。根據數值計算結果，選擇合適的加強板方案，既能防止防火墻碰撞區被小碎片擊穿，同時付出的重量代價又較小。通過對APU防火墻增加加強板，確保APU轉子爆破時飛機的安全性，滿足AC20-128A的設計要求。

關鍵詞：APU;轉子爆破;小碎片;防火墻;沖擊

[Abstract]Auxiliary power unit is an important part which is installed on the civil aircraft. It is necessary to consider the security of aircraft while APU rotor bursts. This paper simulates the impact of small fragment onto the APU-firewall, and calculates three different thickness of reinforce-plate with finite element software. According to the result of numerical calculation, an appropriate reinforce-plate thickness was chosen, which can prevent the small fragment, while the aircraft weight need increase small. By reinforcing the impact zone of APU-firewall，the security of the aircraft is ensured while APU rotor bursts, and the design requirements for AC20-128A is met.

[Key words]APU; rotor burst; small fragments; firewall; impact

中圖分類號：V228.4

文獻標識碼：A