机匣包容是航空涡轮发动机安全性当中的突出问题。航空涡轮发动机非包容的飞脱叶片会对飞行安全构成威胁,高速运动的叶片及碎片可能击穿相邻的结构、油箱、机身、系统构件等,引起重要结构或系统的损伤、不可控火情、客舱释压、丧失推力等影响飞机安全飞行和着陆的后果,甚至会导致飞机硬着陆、人员严重伤害或死亡、整机失事等灾难性后果。相应的机匣包容要求在现行《航空发动机适航规定》(CCAR-33R2)第33.19条款当中进行规定,第33.94条款则规定了具体的机匣包容试验验证要求。
航空发动机安全性设计对机匣包容要求机匣具有抵抗飞脱叶片冲击而不发生穿透的能力;发动机结构具有抵抗因叶片飞脱而产生的不平衡载荷的能力。满足该要求的符合性方法是完成发动机整机试验,以验证发动机能包容叶片飞脱导致的破坏至少运转15秒不着火,并且其安装节也不失效,或叶片飞脱能够成功诱导发动机自动停车。
航空发动机机匣包容性要求本质上是对发动机整机最严酷失效条件承受能力的验证要求,要点在于分别对风扇、压气机、涡轮部件最关键叶片的飞脱进行试验以验证发动机整机的响应,其核心内容在宏观上分为前后相连的3个步骤:等效试验件抗冲击试验,验证机匣包容能力,机匣包容能力数值仿真校核示例如图所示;台架试验,也称为替代试验,主要目的是验证风扇/压气机和涡轮关键转子叶片分析结果;整机不平衡响应验证试验。
针对航空涡轮发动机转子叶片飞脱问题,所采取措施为降低各类转子叶片可能发生失效并导致飞脱的概率;提升发动机结构对飞脱叶片及碎片的包容能力。同时,采用轻质叶片(例如空心结构叶片、碳纤维复合材料叶片)和高强度包容结构能够有效提高机匣包容能力。