航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣包容試驗(yàn)葉片飛脫方法

郭明明，呂登洲，洪偉榮，曹繼來

（浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，杭州310027）

航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣包容試驗(yàn)葉片飛脫方法

郭明明，呂登洲，洪偉榮，曹繼來

（浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，杭州310027）

風(fēng)扇機(jī)匣包容性試驗(yàn)是航空發(fā)動機(jī)適航許可試驗(yàn)的重要內(nèi)容之一，而風(fēng)扇葉片的飛斷方法是風(fēng)扇機(jī)匣包容試驗(yàn)的關(guān)鍵。簡述了發(fā)動機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣包容性試驗(yàn)中常用的3種葉片飛脫方法，重點(diǎn)介紹了預(yù)制裂紋與線型聚能切割器爆破切割相結(jié)合的爆破飛脫方法，并采用該方法對鈦合金實(shí)心平板葉片進(jìn)行了靜態(tài)爆破切割試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計方案相吻合，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，證明了該爆破飛脫方法具有較強(qiáng)的可行性和較高的可靠性。

包容性；葉片飛脫；預(yù)制裂紋；爆破切割；航空發(fā)動機(jī)

0　引言

航空發(fā)動機(jī)在工作轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時，若遇到外物撞擊或出現(xiàn)疲勞損傷會導(dǎo)致葉片斷裂。斷裂葉片由于具有極高的能量會使發(fā)動機(jī)嚴(yán)重受損［1］，甚至造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重空難［1-2］。為此，在試飛之前需要檢驗(yàn)發(fā)動機(jī)機(jī)匣的包容能力。當(dāng)對全尺寸葉片進(jìn)行包容性試驗(yàn)時，在瞬態(tài)沖擊載荷的作用下，如果風(fēng)扇機(jī)匣能夠保持完整的結(jié)構(gòu)，航空發(fā)動機(jī)即可獲得適航許可［3］。世界各航空大國十分重視發(fā)動機(jī)機(jī)匣包容性研究，并在民用和軍用發(fā)動機(jī)規(guī)范中做了特殊的規(guī)定與要求［4］。

進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)葉片包容性試驗(yàn)，首先必須對葉片的飛脫方法進(jìn)行研究和分析。早在20世紀(jì)70年代，美國FAA和NASA已經(jīng)開展了一系列的試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究。而近些年來，浙江大學(xué)高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室與國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)主要科研院所及制造單位合作，采用預(yù)制裂紋法開展了一系列試驗(yàn)和數(shù)值計算研究［1，5-7］。目前采用的葉片飛脫方法包括預(yù)制裂紋法和預(yù)埋炸藥法。預(yù)制裂紋法使葉片斷裂飛脫雖與實(shí)際情況更為接近，但需多次反復(fù)切割，耗時耗力，且不適用于真實(shí)風(fēng)扇葉片的臺架試驗(yàn)；預(yù)埋炸藥法操作簡單，但爆炸能量不集中，藥量少則葉片不會在預(yù)定轉(zhuǎn)速下斷裂飛脫，需反復(fù)嘗試，成本較高，藥量多則會把葉片直接炸斷，還會對飛脫葉片輸入一定的額外動能，可控性較差，無法驗(yàn)證風(fēng)扇機(jī)匣的包容能力。而采用預(yù)制裂紋與線型聚能切割器爆破切割相結(jié)合的方法則很好地解決了上述問題。

本文簡單介紹了預(yù)制裂紋法、預(yù)埋炸藥法的具體實(shí)施方法和過程，重點(diǎn)介紹了預(yù)制裂紋與線型聚能切割器爆破切割相結(jié)合方法的技術(shù)原理和實(shí)施過程。

1　葉片飛脫一般方法

1.1預(yù)制裂紋法

預(yù)制裂紋法的原理是在需要斷裂飛脫的葉片根部的某個部位開2條對稱的預(yù)制裂紋，當(dāng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)子達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速時，葉片將在離心力的作用下從預(yù)制裂紋處斷裂飛脫，如圖1所示。

圖1　預(yù)制裂紋法原理

采用預(yù)制裂紋法引起的葉片斷裂與真實(shí)情況非常接近，既不會對葉片斷裂后的飛行軌跡和飛行姿態(tài)產(chǎn)生影響，又不會對葉片輸入附加的能量；同時，基本不會對試驗(yàn)人員造成危險。但該方法存在的主要技術(shù)風(fēng)險在于對斷裂時機(jī)的控制。由于實(shí)際情況下葉片材料性能存在分散性，按理論計算下設(shè)定的預(yù)制裂紋深度很難保證試驗(yàn)時葉片在預(yù)定的轉(zhuǎn)速下斷裂飛脫。如果預(yù)制裂紋切得過深，還未達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速時葉片就會斷裂，飛脫的葉片就不會達(dá)到預(yù)定的動能，顯然不能考核機(jī)匣的真實(shí)包容能力。為防止上述情況發(fā)生，預(yù)制裂紋一般先切得較淺，若在設(shè)定的最高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)葉片未斷裂飛脫，只能取下葉片繼續(xù)切割然后再安裝，但仍存在切得過淺不斷裂或是切得過深提前斷裂的情況。顯然，該方法耗時耗力，難以精確控制，特別在整機(jī)臺架試驗(yàn)時難以實(shí)施。

1.2預(yù)埋炸藥法

預(yù)埋炸藥法的原理是在需要斷裂飛脫的葉片根部的一側(cè)切割裂紋，另一側(cè)開1個或多個空腔，在空腔中填充爆炸物，通過觀察試驗(yàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號控制爆炸物的引爆，然后在離心力的作用下使葉片斷裂飛脫，如圖2所示［8］。

圖2　預(yù)埋炸藥法原理

在葉片根部采用切割裂紋與預(yù)埋炸藥相結(jié)合的方法使其斷裂飛脫存在以下問題：

（1）爆炸物引爆后產(chǎn)生的巨大能量會以球波的形式向四周均勻傳播，故能量不能集中，對于切割葉片不具有很好的方向性；

（2）若空腔中填充炸藥量較少，則葉片根部剩余連接部分較多，在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下不能使斷裂飛脫，需要反復(fù)嘗試，故耗時耗力，成本較高；

（3）若空腔中填充炸藥量較多，則葉片根部會被直接炸斷，爆炸物對飛脫葉片會輸入額外的動能，對其飛行姿態(tài)和飛行軌跡產(chǎn)生明顯影響，無法考核真實(shí)情況下機(jī)匣的包容能力。

綜上，采用該方法使葉片在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下斷裂飛脫的可控性較差。

2　預(yù)制裂紋與線型聚能切割器爆破切割結(jié)合法

2.1線型聚能切割器簡介

考慮到預(yù)制裂紋法耗時耗力，預(yù)埋炸藥法可控性較差，而線型聚能切割器早已在采石、水下工程及石油等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［9-10］，且便于操作、精確可控，因此可采用預(yù)制裂紋與線型聚能切割器爆破切割相結(jié)合的方法對風(fēng)扇葉片的斷裂飛脫進(jìn)行分析研究。線型聚能切割器由聚能裝藥和金屬藥型罩構(gòu)成，如圖3所示。

圖3　線型聚能切割器

當(dāng)炸藥被引爆后，爆轟波在同一時間內(nèi)沿橫向和縱向迅速傳播，而藥型罩在爆轟波的作用下瞬間被壓垮后做加速運(yùn)動，并在對稱面上發(fā)生碰撞，形成了質(zhì)量大、速度低的“杵”和能量大、速度高的射流［11］。在侵徹切割過程中，高能、高速的熔融態(tài)金屬射流逐漸被拉長，當(dāng)其與金屬靶板接觸時，其表面在瞬間就能達(dá)到百萬個大氣壓。在此高壓的作用下，金屬靶板表面被不斷切開，線型聚能切割器正是憑借這種高速的“聚能刀”來達(dá)到對目標(biāo)的切割效果［12］。經(jīng)爆破切割后，最終形成層裂狀的定向控制爆破斷裂面［13-17］。

線型聚能切割器爆破切割平板葉片數(shù)值模擬如圖4所示，所用切割器裝藥為B炸藥，藥型罩的材料為鉛銻合金。為聚能裝藥爆炸形成射流初始階段如圖4（a）所示，射流頭部剛剛接觸平板葉片以及侵徹切割平板葉片的過程如圖4（b）、（c）所示。

2.2葉片預(yù)處理方式

以平板葉片為例，采用預(yù)制裂紋、線型聚能切割器爆破切割結(jié)合法3維模型如圖5所示。對葉片進(jìn)行線切割如圖5（a）所示，1處線切割與線型聚能切割器之間的連接部分將在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的離心載荷下拉斷，2處進(jìn)行線切割主要是為了減少切割器的長度，即降低用藥量，同時便于放置雷管。線型聚能切割器和雷管的固定位置如圖5（b）所示。

圖4　線型聚能切割器切割平板葉片數(shù)值模擬

圖5　預(yù)制裂紋、線型聚能切割器爆破切割結(jié)合法3維模型

2.3平板葉片靜態(tài)爆破試驗(yàn)

采用上述預(yù)處理方案，對15 mm厚鈦合金實(shí)心平板進(jìn)行靜態(tài)爆破試驗(yàn)，切割方案如圖6（a）所示。一端線切割52.5 mm，另一端線切割35 mm，線型聚能切割器長35 mm，有效爆破切割長度為15 mm，中間預(yù)留15 mm。線型聚能切割器用設(shè)計夾具固定，雷管用膠帶黏貼固定，如圖6（b）所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖6（c）所示。

從圖6（c）所示的試驗(yàn)結(jié)果可見，有效爆破切割部分兩側(cè)出現(xiàn)層裂現(xiàn)象，最終平板葉片中間剩余連接長度為12 mm。采用該方案進(jìn)行動態(tài)旋轉(zhuǎn)爆破飛脫試驗(yàn)，能夠保證葉片被爆破切割后處于連接狀態(tài)，且連接處最終會在工作轉(zhuǎn)速的離心力作用下斷裂飛脫。

采用預(yù)制裂紋與聚能爆破切割相結(jié)合的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可操作性和可控性較好，可以有效減少裝藥量、降低成本、大大降低危險性；（2）便于固定裝夾雷管，能夠精確控制所要求的切割長度；（3）對葉片處理方式簡單，無需打孔（打孔較困難）；（4）能夠精確控制引爆切割時機(jī)，保證葉片在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下斷裂飛脫而不引入額外的動能；（5）預(yù)埋炸藥法是以爆炸的形式作用于葉片根部，主要作用力在徑向，因此對葉片輸入的額外能量很大。而爆破切割是以更加可控、更加精確的聚能切割方式使得葉片斷裂飛脫，主要作用力在切向，不會對葉片輸入額外能量。預(yù)制裂紋與聚能爆破切割法同樣能夠很好地適用于航空發(fā)動機(jī)真實(shí)風(fēng)扇葉片臺架試驗(yàn)的飛脫研究，能夠保證試驗(yàn)一次性取得成功。

圖6　爆破切割鈦合金實(shí)心平板葉片

3　結(jié)論

（1）相比預(yù)制裂紋法和預(yù)制裂紋與預(yù)埋炸藥結(jié)合法，預(yù)制裂紋與線型聚能切割器爆破切割結(jié)合法可控性較好，危險性較低，省時省力，能夠保證葉片中間預(yù)留部分經(jīng)過爆破切割后仍處于連接狀態(tài)，最終在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的離心載荷下斷裂飛脫。

（2）采用預(yù)制裂紋與爆破切割結(jié)合法對葉片飛脫進(jìn)行研究，不會引入額外的動能，從而不會影響斷裂葉片的飛行姿態(tài)和飛行軌跡，與真實(shí)情況較為接近。

（3）本文雖以平板葉片為例，但在理論和實(shí)際工程應(yīng)用中均適用于真實(shí)航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片的斷裂飛脫研究，能夠一次性準(zhǔn)確地完成其臺架試驗(yàn)，同時可以達(dá)到很好的效果。

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（編輯：栗樞）

Blade out Methods of Aeroengine Case Containment Test

GUO Ming-ming，LV Deng-zhou，HONG Wei-rong，CAO Ji-lai
（Institute of Chemical Machinery，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Fan case containment test is one of the most important parts of aeroengine airworthiness verification.The blade out methods are the key to the success of the test.The paper briefly describes three blade out methods in the engine fan case containment test，and a blasting blade out technology is mainly introduced which combines precrack with linear shaped charge cutter blasting cutting.With the technology，a static blasting cutting test on the TC4 flat blade was carried out.The result was consistent with the design scheme and met to the expectation，which proved that the blasting blade out technology was feasible and highly reliable.

containment；blade out；precrack；blasting cutting；aeroengine

V 216.5

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.02.014

2015-08-31

郭明明（1988），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度及葉片爆破飛脫技術(shù)；E-mail：gmm@zju.edu.cn。

引用格式：郭明明，呂登洲，洪偉榮，等.航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣包容試驗(yàn)葉片飛脫方法［J］.航空發(fā)動機(jī)，2016，42（2）：73-76.GUOMingming，LVDengzhou，HONG Weirong，etal.Bladeoutmethodsinaeroenginecasecontainmenttest［J］.Aeroengine，2016，42（2）：73-76.