[发明专利]一种发动机内叶片的包容机匣及设计方法

说明书

本发明公开了一种发动机内叶片的包容机匣，包括具有横截面为圆环状的机匣本体及部分包围机匣本体的包容结构，所述包容结构轴向长度大于叶片旋转面的长度，所述包容结构长度的中线与叶片的叶弦中点在轴向上相距偏移量S，所述偏移量S等于断裂叶片在气动轴向力作用下产生的轴向位移S₀。考虑断裂叶片受气动轴向力影响产生的轴向位移，对现有机匣包容结构的位置进行适应性移动，提高机匣的包容能力，同时避免因考虑气体轴向力直接增加包容结构而导致的机匣质量增加。

技术领域

本发明涉及航空发动机机匣包容设计，具体涉及一种发动机内叶片的包容机匣及其设计方法。

背景技术

受高周疲劳(HCF)和低周疲劳(LCF)等的影响，现代航空发动机仍不可避免地会出现叶片断裂故障。断叶飞出会对机匣造成巨大的冲击载荷，容易造成非包容事故。高速高能的非包容碎片可能会击伤飞机的机舱、油箱、液压管路和电器控制线路，严重威胁航空飞行安全。因此，航空发动机的包容性研究对于提升发动机的安全性、可靠性和适航性具有重大意义。

为了减少机匣的非包容事故，通常在转子叶片的机匣外侧缠绕高强度的复合材料或添加加强筋，以此增强机匣的包容性。如图1所示，目前工程上通常是考虑叶片断裂时垂直于旋转轴飞脱并撞击机匣，然后在机匣相应位置进行包容设计。不过，由于转子叶片在飞脱时，除了受到离心力作用外，还会受到发动机内部轴向力的影响。飞机在最高工作转速下，气动轴向力的大小并不是可以忽略不计的，在气动轴向力的影响下断裂叶片会产生轴向位移，以至于撞向没有进行包容性设计的机匣部分，造成非包容事故。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种考虑断裂叶片受气动轴向力影响的发动机内叶片的包容机匣。

本发明还提供一种发动机内叶片的包容机匣的设计方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种发动机内叶片的包容机匣，包括具有横截面为圆环状的机匣本体及部分包围机匣本体的包容结构，所述包容结构轴向长度大于叶片旋转面的长度，所述包容结构长度的中线与叶片的叶弦中点在轴向上相距偏移量S，所述偏移量S等于断裂叶片在气动轴向力作用下产生的轴向位移S₀。

进一步的，所述断裂叶片在气动轴向力作用下产生的轴向位移S₀的计算公式为：

其中，a为断裂叶片在气动轴向力作用下的轴向加速度，t为断裂叶片飞脱至撞击机匣的飞行时间。

进一步的，所述轴向加速度a的计算公式：

其中，F为断裂叶片所在级的气动轴向力，k为该级叶轮的叶片数目，m为断裂叶片的质量。

进一步的，所述断裂叶片飞脱至撞击机匣的飞行时间t，根据根据迭代计算公式Δd＝L(1-cosα)/sinα求得，其中，Δd为断裂叶片的叶尖与机匣的径向间隙，L为断裂叶片飞脱时的平动位移，L＝vt，v为断裂叶片飞脱时的平动速度，α为断裂叶片飞脱时的转动角度，α＝ωt，ω为断裂叶片飞脱时绕着自身质心旋转的角速度。

进一步的，所述断裂叶片飞脱时的平动速度v的计算公式为：

v＝ω₀r

其中，ω₀为转子的最高转速，r为断裂叶片质心到叶轮盘心的距离。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是考虑断裂叶片受气动轴向力影响产生的轴向位移，对现有机匣包容结构的位置进行适应性移动，提高机匣的包容能力，同时避免因考虑气体轴向力直接增加包容结构而导致的机匣质量增加。

本发明提供上述包容机匣的设计方法，包括以下步骤：