涡轮丨西工大李玉龙教授顶刊：航空发动机叶片丢失下涡轮机匣包容特性的试验与数值模拟研究
一、 内容简介
一、 内容简介
航空发动机叶片在运行过程中可能因外物冲击、疲劳、过热等因素发生突然断裂，产生的高能碎片撞击机匣易引发发动机非包容事故。涡轮作为发动机的核心热端部件，长期承受高温与复杂力学载荷，研究其在高温高速冲击下的包容特性及失效机理对于提升发动机结构安全具有重要的意义。本文基于转子试验平台（图1）开展了常温与高温下的涡轮机匣旋转包容试验，通过预制裂纹的方式模拟叶片断裂，并采用高速摄像和应变测量系统记录了旋转叶片撞击及机匣的动态过程与结构响应。试验结果表明，高温下涡轮叶片会由于材料的热软化效应呈现明显的弯曲变形，而室温下则会发生多段破碎。
图1 高速转子试验平台 （a）示意图 （b）实物图
图2 带缺口的叶片示意图
采用LS-DYNA有限元分析软件构建了包含叶片、机匣与轮盘的精细化有限元模型，评估网格尺寸、摩擦系数以及接触罚刚度因素对仿真结果的影响。同时，通过对比仿真与试验结果，如图2所示，验证仿真方法的可靠性。
图5 试验与仿真结果对比
将验证后的仿真方法进一步应用于真实航空发动机低压涡轮部件，分别建立如图3所示的无相邻叶片的单叶片模型、含有相邻叶片的单叶片模型以及三叶片模型，探讨多叶片相互作用、断裂叶片数量、转子转速等因素对涡轮机匣包容能力的影响。结果表明，与单叶片工况相比，多叶片相互作用会改变脱落叶片的运动轨迹；冲击过程中，叶根对机匣的冲击最为严重，会影响机匣的最终变形与失效；三叶片同时脱落会产生更多碎片和材料失效，使涡轮包容结构承受更大的冲击载荷。
图6 三种有限元网格模型
图7 展示随着转速（5000至7500 r/min）升高，密封环段从局部鼓包发展为长条撕裂的严重损伤过程
二、小结
二、小结
为了研究航空发动机涡轮机匣的包容性，本文基于转子试验平台分别开展了常温与高温条件下的旋转包容试验，并利用LS-DYNA有限元软件建立了精细的网格模型，通过对比试验与数值仿真结果，验证仿真方法的有效性。在此基础上，通过模拟真实涡轮叶片撞击机匣的过程，发现叶间相互作用对断叶的运动轨迹及机匣的冲击载荷具有显著的影响，并明确了叶根撞击最为危险，相关结论可为涡轮机匣的结构优化及包容性设计提供一定的参考和依据。
·高温下叶片更易卷曲：高温环境下叶片材料软化明显，表现为大变形卷曲，而未出现大规模断裂碎片。
·包容过程分为四阶段：包括叶片尖端接触、叶片弯曲撞击、叶片平台撞击、相邻叶片推动飞出。
·多叶片相互作用显著影响轨迹：相邻叶片推动释放叶片前移，补充其动能，叶片根部撞击对机匣损伤最严重。
·多叶片释放加剧损伤：三叶片同时释放会导致更多碎片产生，增加包容结构冲击载荷。
·转速升高增加损伤风险：转速增加使叶片动能集中于根部，加剧对密封环段的损伤。
引用文献：
Cao, M., Liu, Z., Zhang, C., Jiang, B., Sheng, J., Liu, J., Li, Y.. Test and numerical simulation study on the containment characteristic of an aeroengine turbine casing. Aerospace Science and Technology. 2026; 169: 111359.
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