空氣渦輪起動機超高轉速渦輪包容結構性能分析與研究

蔣聰 熊欣 劉冕 張奇

摘要：針對某型航空發動機超高轉速空氣渦輪起動機的包容結構開展包容能力分析和驗證，選用Johnson-Cook本構模型架構，采用LS-DYNA軟件對其包容性進行數值仿真，并首次在超高速旋轉試驗臺上開展針對轉速118000r/min的渦輪盤包容性試驗。試驗結果顯示，渦輪盤破碎飛出后，主要特征為對導向器殼體、包容環內壁的撞擊以及沿包容環內壁的周向滑移刮擦運動，包容環通過自身變形與內壁與渦輪的刮擦滑移吸收能量。試驗與模型仿真結果表明，該包容結構可以對破碎渦輪盤起到很好的約束作用，具備較好的包容能力，研究結果對空氣渦輪起動機的包容結構設計具有很好的指導意義。

關鍵詞：空氣渦輪起動機；超高轉速；渦輪盤；包容結構；數值仿真

中圖分類號：V233.6文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.08.006

隨著航空用空氣渦輪起動機技術的日漸成熟，國內越來越多的航空發動機開始使用其作為輔助起動裝置，因此其安全性和可靠性也日益受到重視。空氣渦輪起動機通常采用單級渦輪的結構設計，這一特征決定了其渦輪盤轉速通常會超過70000r/min，蘊含著極大動能的超高轉速的渦輪葉片是極大的安全隱患，一旦破損斷裂飛出，將會對發動機及其他附件造成嚴重損壞。國內外目前已有較多航空發動機機匣包容的相關研究[1-11]，研究主要集中在包容斷裂葉片方面，但關于空氣渦輪起動機超高轉速渦輪盤碎片包容性的研究卻寥寥無幾。本文以某型航空用超高轉速空氣渦輪起動機為模型，其渦輪轉速高達118000r/min，采用數值仿真計算結合試驗分析，驗證其包容結構對超高能量破碎渦輪盤的約束和包容能力。

1模型基本參數

模型選用某型航空用超高轉速空氣渦輪起動機，該型起動機是目前國內現役產品中具有最高渦輪轉速的產品，其渦輪最高轉速可達118000r/min，針對其包容結構的研究具有典型意義。該型空氣渦輪起動機單級渦輪級外部包容結構由渦輪盤、導向器殼體和包容環三部分組成，如圖1所示。其基本工作及材料參數見表1。

2有限元模型

在開展試驗分析驗證前，需通過數值仿真計算確定該渦輪轉子組件的包容能力。為便于建立有限元模型而又不影響包容性分析，進行如下簡化：（1）在對渦輪盤進行計算之前將中心軸去除，然后將其三等分；（2）去除包容環、導向器殼體上部分倒角；（3）去除導向器殼體外緣通孔。在進行有限元網格劃分之前，需對相應的幾何模型加以清理，如去除一些不必要的線段，清理一些小碎面等，同時為了有效劃分六面體網格和滿足對不同部分設置不同的網格密度，需對模型進行切分。

經過幾何處理后，使用Hypermesh進行網格劃分，考慮到結構的實際構型，包容環和導向器殼體使用8節點六面體單元，而渦輪盤由于幾何形狀比較復雜對其使用4節點四面體單元進行劃分，體單元均采用單點積分，網格劃分完成后各部件有限元網格模型及總體模型如圖2所示。

根據安裝方式，約束導向器殼體上下表面、包容環上下表面的軸向位移自由度。輪盤破裂轉速設定118000r/min。輪盤破裂飛出后，各部件之間的接觸非常復雜，因此采用單面接觸。根據經驗，接觸面摩擦因數取0.15。

3材料模型

本次計算模型中渦輪和包容環的材料均為TC4，導向器殼體的材料為2A70。各材料的Johnson-Cook本構模型和失效模型參數見表2、表3。

4數值仿真結果及分析

數值仿真計算使用LS-DYNA971進行，設定求解時間為3ms。圖3和圖4分別為3ms內破裂渦輪撞擊外部包容結構內壁過程的正面視圖與背面視圖。

可以看出，渦輪飛出后，渦輪葉片撞擊導向器殼體和包容環內壁，受到阻擋作用，渦輪繼續旋轉持續刮擦包容環內壁。在撞擊力的作用下，渦輪發生向下翻轉，計算的最終狀態為輪盤繼續旋轉刮擦包容環內壁，此時輪盤的動能已降至初始動能的1%以下且呈旋轉狀態，故包容過程結束，包容環對輪盤包容成功。

由仿真結果可見，撞擊過程中，渦輪動能主要轉化為外部包容結構與渦輪的內能以及摩擦消耗的滑移能。因此，外部包容結構變形、渦輪與包容環、排氣殼體內壁的刮擦為主要吸能模式，各部件變形損傷和破裂如圖5所示。

5試驗驗證

依據GJB/Z20339—1996《飛機發動機用空氣渦輪起動機通用規范》第5.15條的要求：空氣渦輪起動機的包容性試驗要求渦輪在轉速等于或大于最大轉速條件下，產生誘導輪盤破裂成三塊（三等分）的破壞，驗證試驗中若出現導致起動機外部著火、內表面溫度超過371℃、起動機不能包容全部碎片，以及本身不能保持在其安裝座上等情況，均視為包容失敗，零件可從起動機排氣口掉出，但其必須無破壞性能量。因此，設計的驗證方法如下：將一塊軟鋁片（0.08cm或更薄的）放置于離起動機排氣口不到0.9m處，使排氣能沖擊鋁片。鋁片的支承方式要保證在其背面的25.4mm距離內無硬性支撐物。鋁片上有任何明顯凹坑或鋁片被擊穿，均應為包容失敗。

包容試驗中，渦輪破裂通常采用預割裂紋或預埋炸藥的方式實現，由于試驗件尺寸較小、試驗轉速極高，預埋炸藥非常困難，擬采用在渦輪上預割裂紋的方式，通過控制切割裂紋長度控制破裂轉速。渦輪預切割裂紋進行破裂試驗的具體方法如下：試驗時，首先采用電火花線切割機，在渦輪上預制三條均勻的、一定長度的徑向裂紋，以及周向角度為90°、直徑為18mm的周向裂紋，如圖6所示。

如圖7所示，安裝至試驗臺，每次試驗時逐步增加轉速，緩推到上限轉速118000r/min，保持30s后拉停。若渦輪不破裂，則進一步增加預割徑向裂紋長度。切割后重新上臺，重復進行以上步驟，直至渦輪盤發生破裂。

試驗過程中的轉速與振動曲線如圖8所示，其中黑色曲線為轉速—時間曲線，紅色曲線為振動—時間曲線，藍色直線為最高目標轉速。渦輪在升速到118000r/min（最高轉速118095r/min），并停留18s時破裂為三部分，渦輪破裂轉速在預定的轉速范圍內。從圖8可以看出，在渦輪轉子斷裂的瞬間，振動值非常大，大大超過位移振幅測量儀所設定的極限值，因此觸發試驗臺自動停車，同時觸發高速相機記錄渦輪破裂過程。

圖9和圖10分別為現場試驗結束后包容結構的外部和內部，可見包容結構產生較小變形，整體完好，軟鋁片未出現明顯異物碰撞痕跡，試驗結果表面目前采用的包容結構能很好地對破碎的超高轉速渦輪盤起到約束和保護作用，可以滿足包容性要求。

6結束語

本文針對某型航空發動機超高轉速空氣渦輪起動機的高能量渦輪盤開展包容結構能力分析，通過以上數值仿真分析和試驗驗證，可以看出渦輪盤破碎飛出后，主要特征為對導向器殼體、包容環內壁的撞擊以及沿包容環內壁的周向滑移刮擦運動，包容環通過自身變形與內壁與渦輪的刮擦滑移吸收能量。試驗與模型仿真結果表明該包容結構可以對破碎渦輪盤起到很好的抑制和約束作用，具備較好的包容能力，研究結果對超高轉速空氣渦輪起動機的包容結構設計有很好的指導意義。

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Performance Analysis and Research on the Containment Structure of Ultra-High Speed Turbine in Air Turbine Starter

Jiang Cong，Xiong Xin，Liu Mian，Zhang Qi

AVIC Nanjing Mechanical and Hydraulic Engineering Research Center，Nanjing 210006，China

Abstract： Aiming at the containment structure of an aero-engine ultra-high speed air turbine starter， the containment capacity was analyzed and verified. The Johnson-Cook constitutive model was used to simulate its containment capacity with LS-DYNA software， and the containment test was carried out on the ultra-high speed rotating test bench. The experimental results show that after the turbine disk is broken and files out， the main characteristics are the impact on the guide shell and the inner wall of the containment ring， and the circumferential sliding and scraping movement along the inner wall of the containment ring. The containment ring absorbs energy through its own deformation and the scraping and sliding between the inner wall and the turbine. The experiment results are in good agreement with the model simulation results， which shows that the containment structure can restrain the broken turbine disk， and has good containment capacity. The research results have a good guiding significance for the containment structure design of air turbine starter.

Key Words： air turbine starter； ultra-high speed； turbine disk； containment structure； numerical simulation