民机发动机非包容性转子爆破适航验证技术研究.docVIP

民机发动机非包容性转子爆破适航验证技术研究 　　摘 要：民用飞机发动机非包容性转子爆破会对飞机机身主结构、机翼油箱、飞机多重系统等产生严重影响，甚至会严重威胁飞机的持续安全飞行。目前，飞机主制造商通常按照AC20-128A的指导对发动机非包容转子爆破进行特定风险分析（PRA），通过安全性设计满足AC中“转子爆破导致的灾难性失效概率小于1/20”的要求。文章归纳了转子爆破特定风险分析的适航审定过程，分析了非包容性转子爆破带来的危险结果，并提出了建议，以帮助提高民用飞机非包容转子爆破的安全性设计和适航验证技术能力。同时，文章为AC20-128A的后续完善提供了一些建议。 　　关键词：大涵道比；非包容性；适航验证 　　引言 　　在1969年至2006年之间，大涵道比涡轮发动机经历了58次非包容性转子爆破事件。随着大涵道比涡轮发动机的引入，转子包容发生的概率已经降低了两个数量级。CCAR25部针对发动机非包容性转子爆破的要求主要是25.903（d）（1）条款“（d）涡轮发动机的安装对于涡轮发动机的安装有下列规定：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；”[1]。虽然33部33.19条要求发动机压气机和涡轮转子机匣的设计必须对因转子叶片失效而引起的破坏具有包容性，而且，33.27条要求（a）发动机转子有承受条款要求的极端试验条件的能力。但是由于发动机装机后的维修原因，服役使用后产生缺陷以及某种设计缺陷，涡轮与压气机转子在服役时仍然会发生失效。 　　1 适航符合性验证及适航审定流程 　　FAA颁布的针对发动机非包容涡轮发动机转子设计考虑的AC20-128中制定了转子爆破导致的灾难性失效概率小于1/20的适航审定要求[2]。 　　针对转子爆破特定风险适航符合性验证思路主要包括安全性分析和剩余安全性分析两块。针对安全性分析：（1）先进行转子碎片定义、转子分组及转子碎片飞散轨迹及影响区域范围划分；（2）然后列出所有受转子爆破碎片影响的系统/设备清单，在全机级的故障树中进行检查，确认是否存在I类失效事件（灾难级失效）；（3）如果否，则可向审查方表明符合性，如果是，将反馈给相关设计部门让其决定是否更改设计架构，如果可以更改，将重复上述步骤1和2，如果无法更改设计，将转入剩余安全性分析阶段。针对剩余安全性分析：（1）进行剩余风险计算，计算非包容转子失效导致的所有I类失效事件的概率；（2）评价剩余风险水平，如果概率小于1/20，则可以向审查方表明符合性，如果概率大于1/20，则必须更改设计架构采取防护措施，重新进行安全性分析和剩余安全性分析，否则无法通过合格审定。 　　2 非包容性转子碎片影响情况 　　下文分析了转子爆破导致的典型危害情况。 　　2.1 机身结构的破坏 　　转子爆破的事件表明发动机短舱结构，特别是反推支撑具有包容或者部分包容转子碎片的能力。飞出的大碎片通常击打到例如发动机安装节和吊挂结构等坚固结构时会产生偏转，而不是直接穿透。也有机身主结构不能阻隔大转子碎片并被其穿透的情况出现，但是这些事件启发我们进一步分析，而不是直接得出大转子不能被偏转或者包容。 　　2.2 着火影响 　　正常情况下，短舱内燃油和滑油泄漏的危险级别很低，因为其被限制在短舱内，可通过独立在远处的可燃热体切断阀切断，而不影响飞机的安全飞行，而且着火可控，严重程度不会进一步增加。 　　2.3 燃油泄漏 　　AC 39-8中明确表明燃油管或者燃油箱小的渗漏，当渗漏截面积大于2平方英寸，出于对燃油储备可能被耗尽的考虑，被定义为III类失效事件[3]。如果大的转子碎片击穿燃油箱，导致燃油消耗急剧，发动机完全丧失推力，将会导致飞机迫降，可以被归为II类失效。 　　2.4 反推意外打开 　　发动机的试验和服役经历表明在发动机轮盘爆破或者整个风扇叶片丧失的时候，发动机很快减速，停止产生可有推力，并停车。FBO试验和服役经历结果表明转子爆破后发动机会在100毫秒内停车。所以转子爆破导致的反推空中意外打开对安全性的影响通常不被认为是灾难性的。 　　3 结束语 　　目前，剩余风险计算发动机非包容性转子碎片导致I类失效概率通过适航审定评估的标准是小于1/20，对于翼吊发动机，非包容性转子碎片往往需要穿过机翼才能打到机身和系统。仅有一次大涵道比涡扇飞机出现大转子碎片打到机身的事件，但是碎片是直接打向机身。大碎片打到机翼时往往被结构偏转。以往认为转子碎片具有无限能量的假设过于保守。 　　在地面或靠近地面运行时，发生转子爆破，大碎片击打地面之后碎裂成小碎片后反弹击打到机翼往往带有很大的能量，足够打穿机翼蒙皮导致燃油泄漏并引起大片燃油着火。AC20-128A没有对这种情况进行考虑。目前针对碎片触