0 引言

当航空发动机和辅助动力装置发生转子失效时，发动机和辅助动力装置的某些轮盘和叶片会发生破损断裂，继而产生尺寸大小不同、特征能量不同的转子碎片，其中相当一部分具有较高能量的碎片能够击穿发动机的机匣或者辅助动力装置的机匣，并且沿不同的飞散角射出，从而对碎片路径上的飞机结构和系统构成威胁，这类事件被称为非包容性转子失效。

尽管各航空发动机和辅助动力装置制造商正努力降低非包容性转子失效事件发生的可能性，但飞机实际服役经验表明非包容性转子失效仍然会发生。当飞机发动机发生非包容性转子失效时，其高速运动的碎片可击穿其碎片路径上的机体结构、系统设备、管路线束和安装在飞机上的其他动力装置（如对双发翼吊发动机的飞机而言，本侧发动机发生转子失效产生的碎片在特定的角度下可破坏对侧发动机）。就飞机辅助动力装置而言，尽管截至目前发生的非包容性转子失效只对飞机造成了轻微的影响，但其产生的碎片仍应引起航空领域足够的注意。

导致航空发动机和辅助动力装置发生非包容性转子失效事件的原因复杂多样，包括：环境因素（鸟击鸟撞、环境腐蚀、外来物损伤等）、工艺制造和材料使用方面的缺陷、机械方面的因素以及人为因素（维修维护不利、常规检查差错和操作程序不当等）^[1]。

民用飞机主制造商需通过设计手段来减小发动机非包容性转子失效给飞机带来的危害并表明适航符合性。民航规章25部第25.903（d）（1）条规定：“必须采取设计预防措施，能在一旦发动机转子损坏或发动机内起火烧穿发动机机匣时，对飞机的危害减至最小”^[2]。而美国联邦航空局（FAA）发布的咨询通告（Advisory Circular）AC20-128A则阐述了满足此要求的符合性验证方法^[3]。

AC20-128A第9章介绍了航空发动机与辅助动力装置的失效模式，给出了1/3轮盘碎片、中碎片、替代碎片、小碎片及风扇碎片的定义。近年来对转子失效的安全性分析^[4-6]、防护设计^[7-9]及碎片碰撞角度计算^[10]等进行了诸多研究，但鲜有文章对碎片定义到工程使用模型的转化以及设计要点进行深入研究，本文基于AC20-128A中的碎片定义，结合具体的工程设计实践，开展各类转子失效模型的设计研究。

1 转子失效模型分类

1.1 碎片定义

根据AC20-128A第9章中的介绍，1/3轮盘碎片、中碎片、替代碎片、小碎片及风扇碎片的定义为：

1）1/3轮盘碎片：其最大尺寸为1/3轮盘+1/3叶片高度形成物所对应的尺寸，飞散角度范围为±3°；

2）中碎片：其最大尺寸为带叶片的轮盘半径的1/3，飞散角度范围为±5°；

3）替代碎片：其最大尺寸为1/3轮盘所对应的尺寸，飞散角度范围为±5°；

4）小碎片：其最大尺寸为叶片叶梢尺寸的一半（风扇叶片除外），飞散角度范围为±15°；

5）风扇碎片：其最大尺寸为叶片叶梢处1/3叶形部分（不包括叶根和叶座，但包括叶片的阻尼平台）高度所对应的尺寸，飞散角度范围为±15°。

在确定飞机上可能受到非包容性转子失效影响的危险区域以及评估非包容性转子损坏的后果时，为便于分析，1/3轮盘碎片和中碎片可用替代碎片进行替代。

因此在工程设计时，一般采用替代碎片、小碎片、风扇碎片进行转子失效模型构建的碎片定义基础。

AC20-128A附录第4章对碎片的扫掠路径进行了假设。以1/3轮盘碎片为例，碎片按照其原始转子旋转方向沿着与扇形碎片重心轨迹相切的轨道飞出，碎片围绕其重心旋转但不翻滚，碎片的扫掠路径宽度相当于从重心算起其周边可能撞击的最大半径的两倍，如图1所示。

1.2 模型定义

在进行工程设计时，在不同的飞机设计阶段、不同的分析水平及要求下，对模型的精细化程度具有不同的要求。在飞机初步设计阶段或者在进行飞机结构、系统是否受到非包容性转子失效影响的快速判断时，适合采用保守的影响范围模型进行分析，因此时采用影响范围模型具有高效性的特点；在飞机详细设计阶段或者在分析飞机结构、系统受影响的具体碎片级及角度时，适合采用分级构建的精细化扫掠模型进行分析，因此时采用精细化扫掠模型具有精确性的特点。

AC20-128A附录第5.4章中提出，为减少设计与分析的工作量，发动机转子可以进行分组考虑，每组取其中尺寸最大的转子直径。对于一般的航空发动机而言，可分为五组：风扇组（fan group）、低压压气机组（low pressure compressor group）、高压压气机组（high pressure compressor group）、高压涡轮组（high pressure turbine group）及低压涡轮组（low pressure turbine group）。

在考虑转子分组时，每一个转子碎片组的前、后边界分别为该组考虑了第一级转子碎片厚度的前边界和该组考虑了最后一级转子厚度的后边界。

综合上述要素考虑，可形成三类转子失效模型：

1）影响范围模型：该模型在分组的基础上，构建周向角覆盖360°、横截面为扇形（考虑前后飞散角度）的饼状模型；

2）分组碎片模型：该模型在分组的基础上，每一组只构建单个考虑了前后飞散角度、具有此组尺寸最大碎片扫掠轨迹宽度的碎片，每一组碎片皆可绕发动机转子安装轴线旋转；

3）精细化扫掠模型：该模型对每一级转子进行单独建模，每一级转子碎片具有其碎片准确厚度、扫掠轨迹宽度，可调整前后飞散角度，可绕发动机转子安装轴线旋转。

三种模型的特点及适用场景如表1所示，替代碎片、小碎片、风扇碎片皆可按照使用需求进行三种模型的选择与设计。

2 转子失效模型设计

2.1 精细化扫掠模型

在CATIA中构建精细化扫掠模型的步骤如下：

1）确定碎片沿轴线站位；

2）确定碎片重心位置；

3）确定碎片基准面；

4）构建碎片扫掠体；

5）配置旋转仿真。

假设发动机某级转子的替代碎片信息如表2所示。

通过步骤1至步骤3得到的碎片基准面如图2所示。

在构建碎片扫掠体时，不可直接使用基准面按照可调整飞散角度的引导线进行扫掠。若按照此方案，原始碎片厚度为d，当飞散角为θ时，碎片扫掠体的厚度将变成dcosθ，碎片厚度将因为飞散角度的变化而随之改变，如图3所示。替代碎片飞散角度范围为±5°之间，当飞散角达到-5°或5°时，碎片厚度将存在0.38%的误差值。小碎片飞散角度范围为±15°，当飞散角达到-15°或15°时，碎片厚度将存在3.41%的误差值。

为避免碎片厚度误差的产生，应使基准面可按照飞散角度调整其角度。

在配置旋转仿真时，先确认CATIA具有DMU Navigator模块许可证，将其坐标轴系进行固定操作后，使用旋转结合操作分别映射发动机轴线及垂直平面后，即可使用仿真操作进行旋转角度编辑。

通过上述步骤即可得到精细化扫掠模型，发动机替代碎片的精细化扫掠模型形态如图4所示。

综上，精细化扫掠模型的设计要点为：控制扫掠体飞散角偏转模式，防止产生碎片厚度误差。

2.2 分组碎片模型

在CATIA中构建分组碎片模型的步骤如下：

1）确定每组转子的前、后边界；

2）识别每组转子中最大尺寸的碎片；

3）使用最大尺寸碎片的重心半径及最大尺寸信息，结合转子组前、后边界进行碎片基准面构建；

4）按照前、后飞散角的最大范围构建扫掠体；

5）配置旋转仿真。

假设发动机某组转子的替代碎片信息如表3所示。

根据转子组信息，此转子组替代碎片前边界取值为：第一级站位-第一级厚度/2。此转子组替代碎片后边界取值为：最后级站位+最后级厚度/2。

根据尺寸大小判断，此转子组中替代碎片尺寸最大为第二级，使用其重心半径及最大尺寸信息，结合转子组前、后边界进行碎片基准面构建，如图5所示。

碎片的前、后扫掠体边界根据最大飞散角进行扫掠，如图6所示。

在配置旋转仿真时，先确认CATIA具有DMU Navigator模块许可证，将其坐标轴系进行固定操作后，使用旋转结合操作分别映射发动机轴线及垂直平面后，即可使用仿真操作进行旋转角度编辑。

通过上述步骤即可得到分组碎片模型，发动机替代碎片的分组碎片模型形态如图7所示。

综上，分组碎片模型的设计要点为：

1）每一组碎片需考虑该组第一级与最后一级碎片的厚度；

2）每组碎片采用该组中尺寸最大的碎片信息定义该组的最大尺寸。

2.3 影响范围模型

在CATIA中构建影响范围模型的步骤如下：

1）确定每组转子的前、后边界；

2）确定每组转子的前、后保守低点；

3）按照前、后飞散角的最大范围构建包络体。

每组转子的前、后边界可参照2.2节的内容描述进行选取。

由于转子碎片以其重心处沿转子旋转方向切向水平飞出，而非从发动机转子轴线直接飞出，因此若将碎片整体沿发动机转子轴线旋转360°后的包络前后边界并非单纯线性旋转形成的三角锥面。

假设发动机某级转子的替代碎片信息如表4所示。

在此替代碎片的重心半径选取A、B、C三处控制线进行分析。其中A控制线重心高度为0 mm，B控制线重心高度为250.0 mm，C控制线重心高度为625.0 mm，如图8所示。

将该替代碎片按照最大飞散角-5°向前设置，并绕轴线旋转360°得到三条控制线形成的包络如图9所示。

对三条控制线形成的包络进行纵向截取以检查其包络边界对比，如图10所示。

通过对比可知，三条控制线形成的包络在向外延射时趋于一致，但在向内靠近轴线附近扫掠空间并不一致，其中A控制线形成的包络呈现三角锥形并且占用空间最大，B与C控制线形成的包络呈现喇叭状形且C控制线形成的包络占用空间较B控制线更小。分析可得，控制线离旋转轴线越近，则其扫掠包络范围越大，即更保守。

上述包络所截取的边界线不属于真实的物理场景，其实质为控制线在无数周向角度下映射于截取平面的离散集合，但其所呈现出的几何特征可用于比较空间影响范围。

在确定转子组的前、后保守低点时，需结合第一级与最后一级的重心半径与最大尺寸的一半进行判断，若其最大尺寸的一半小于重心半径，保守低点取值为重心半径减去最大尺寸的一半所得的高度值；若其最大尺寸的一半大于重心半径，则保守低点取值为零。

发动机替代碎片的最大尺寸的一半一般大于重心半径，其形成的包络空间呈现出三角锥形，小碎片最大尺寸的一半一般小于重心半径，其形成的包络空间呈现出喇叭状形。

前、后飞散角的最大范围构建包络体的步骤可参照2.3节内容进行。

通过上述步骤即可得到影响范围模型，发动机替代碎片的影响范围模型形态如图11所示。

综上，影响范围模型的设计要点为：

1）根据重心半径与最大尺寸判断保守低点；

2）每一组碎片需考虑该组第一级与最后一级碎片的厚度。

3 模型应用

在实际工程应用中，对一项设备受转子失效直接影响的分析是分步骤进行的，首先应判断设备是否受转子失效影响，若确定设备在转子失效的影响范围内，则应该确定造成设备受影响的具体转子级、周向角与飞散角。

以本文所阐述的三种模型进行举例，首先应使用影响范围模型来判断某设备是否受转子直接失效的影响，在进行工程设计时，具体方法为检查某设备是否与影响范围模型存在接触、干涉关系。如图12所示，设备A在影响范围模型之外，设备B则在影响范围模型包络范围内，因此判断设备A未受转子失效直接影响、设备B受转子失效直接影响。

在确认某设备受转子失效直接影响后，需使用分组碎片模型确认造成该影响结果的具体转子级及影响的周向角范围。如图13所示，在转子碎片组旋转过程中，可确认仅LPC组、HPC组碎片可影响该设备，判断方法与前文影响范围模型一致。在旋转转子碎片组时，当碎片组开始接触并影响设备时记录此时周向角度为a°，随着旋转，当碎片组开始脱离接触远离设备时记录此时周向角度为b°，则a°~b°即为该设备受转子碎片组影响的周向角度范围。

在结束上述两种转子失效模型的分析后，可深入使用精细化扫掠模型来确定设备受影响的具体转子级、周向角及飞散角。如图14所示，可调整每一级转子的飞散角、周向角来确认是否影响设备及具体的角度范围。

影响范围模型、分组碎片模型、精细化模型因各自的特点不同，工程应用的适应场景不同。在工程设计的不同阶段使用匹配的模型进行设计分析工作，将极大提升设计效率与分析结果的准确程度，同时减少分析成本。

4 结论

本文结合适航规章与工程实际，对非包容性转子失效模型的定义、使用场景进行了概述，并对影响范围模型、分组碎片模型与精细化扫掠模型的构建过程及模型特点进行了深入研究，分析归纳了各模型的设计要点，并从工程应用的角度对各模型进行了说明。

参考文献