Вероятность разрушения роторов авиационных ГТД относительно мала по сравнению с вероятностью других отказов, однако потенциальная возможность связанной с этим катастрофы заставляет специально рассматривать эту проблему. Запас энергии, которым обладает фрагмент разрушившегося ротора (лопатка, фрагмент диска и др.), может оказаться достаточным для того, чтобы пробить корпус двигателя и повредить при этом системы жизнеобеспечения самолета, вызвать пожар, попасть в кабину самолета и т.д. В связи с этим возникает необходимость анализа прочности корпусов в случае удара разрушившейся части ротора. Такой анализ называют расчетом корпуса на непробиваемость.

Рисунок 16 Схема пробивания корпуса по гипотезе среза

Наиболее простая модель пробивания корпусов ГТД (см. Рис. 16), основана на балансе кинетической энергии Ek фрагмента разрушившегося ротора и работы A деформации и последующего разрушения корпуса. Запас прочности по непробиваемости корпуса в рамках этой модели имеет вид:

(22)

Кинетическая энергия определяется через массу М и скорость V фрагмента как

Работа деформации и разрушения A включает в себя работу изгиба и среза. Работа изгиба определяется размерами оборвавшегося фрагмента и жесткостью корпуса. Работа среза - площадью поверхности среза и предельным напряжением сопротивления срезу. Она пропорциональна квадрату толщины корпуса. В зависимости от материала, толщины корпуса и размеров ударяющего в него

фрагмента ротора меняется преимущественный механизм разрушения и соотношение долей работы среза и изгиба. Так, при низкой жесткости корпуса доля деформации изгиба, предшествующего срезу, велика. В расчетах это соотношение учитывается входящими в модель эмпирическими коэффициентами.

Для определения кинетической энергии Ek необходимо обоснованно определить какая часть ротора при его разрушении может отделиться и попасть в корпус. Анализ случаев нелокализованных разрушений, происходивших в эксплуатации и в специальных экспериментах показывает, что корпуса двигателя можно разделить на четыре участка, для которых опасность нелокализованного разрушения и энергия разлетающихся фрагментов существенно различны. Это зона вентиляторной ступени, зона компрессора, зона камеры сгорания, зона турбины. Наибольшей кинетической энергией обладают нелокализованные лопатки вентиляторных ступеней и фрагменты дисков турбин.

В расчетном анализе полагают, что при разрушении вентиляторной ступени бесполочные лопатки отрываются в корневом сечении; лопатки, имеющие полки, отрываются над полкой. При разрушении компрессора происходит вырыв части обода диска. Опыт эксплуатации и эксперименты показали, что в качестве фрагмента обода следует принимать часть диска от шейки до внешнего радиуса. Причем в окружном направлении длина фрагментов должна быть такой, чтобы она включила 3 .5 замковых выступов. К массе фрагмента следует добавить массу 3 .5 лопаток соответственно.

При анализе непробиваемости корпуса турбины рассматривают четыре вида схем: отрыв пера лопатки, отсоединение лопатки, отрыв части обода диска, разрыв диска по радиальным сечениям. Лопатка турбины отрывается по корневому сечению или по первому зубу елочного замка. Если лопатка выполнена заодно с диском, то принимается вариант отрыва по корневому сечению. Если лопатка имеет замок, то в расчетах принимается, что происходит отрыв пера с частью замка по первому зубу или по наиболее нагруженному сечению. При изломе замкового выступа диска или при раскрутке ротора турбины выше рабочей скорости вращения и значительной вытяжке диска может иметь место отделение лопатки вместе с замком.

При вычислении кинетической энергии фрагмента следует иметь в виду, что скорость вращения вентилятора и компрессора, как правило, не превышает максимальную рабочую. Скорость же вращения ротора турбины может превысить максимальную рабочую, например, при нарушении кинематической связи между турбиной и компрессором. В этом случае автомат защиты не всегда предохраняет ротор турбины от заброса скорости вращения, и за доли секунды может происходить разгон диска до разрушения. При этом происходит значительная вытяжка полотна диска. Лопатки в связи с вытяжкой касаются корпуса и отламываются на длине от 30 до 100% от внешнего радиуса профильной части. Оставшейся длины обломков лопаток оказывается достаточно, чтобы разгон диска продолжался до его разрушения, поскольку ротор турбины освобожден от компрессорной нагрузки.