基于某型飛機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)非包容轉(zhuǎn)子碎片風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

王 偉 ，吳延松 ，陳希遠(yuǎn) ，崔 巍

（1.中國(guó)民航大學(xué)，天津 300300；2.天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

基于某型飛機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)非包容轉(zhuǎn)子碎片風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

王 偉1，2，吳延松1，2，陳希遠(yuǎn)1，2，崔 巍1，2

（1.中國(guó)民航大學(xué)，天津 300300；2.天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)非包容轉(zhuǎn)子碎片可能產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，中國(guó)民用航空規(guī)章CCAR25部（運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)）要求必須采取設(shè)計(jì)預(yù)防措施將飛包容性事件產(chǎn)生的危害減至最小。為了達(dá)到飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)某型飛機(jī)進(jìn)行了較為簡(jiǎn)易的非包容轉(zhuǎn)子碎片風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果滿足適航要求。研究結(jié)果對(duì)于進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片包容性設(shè)計(jì)和適航取證具有重要參考價(jià)值。

非包容轉(zhuǎn)子碎片；風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速非常高，轉(zhuǎn)子受到疲勞或外物撞擊等因素影響時(shí)，轉(zhuǎn)子就可能發(fā)生斷裂，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子碎片將會(huì)在離心力的作用下以巨大的能量甩出。此時(shí)若機(jī)匣不能包容葉片碎片，即稱為非包容性事件。非包容性碎片可能會(huì)擊中飛機(jī)上的機(jī)艙、油箱等重要結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)，導(dǎo)致二次破壞。此外，未被包容的葉片碎片可能會(huì)擊中航線上的其他飛機(jī)或地面的行人和建筑。雖然航空發(fā)動(dòng)機(jī)非包容事件很少發(fā)生,但一旦發(fā)生將有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的航空事故，甚至導(dǎo)致機(jī)毀人亡的嚴(yán)重空難。因此，對(duì)于航空安全來說，航空發(fā)動(dòng)機(jī)包容性研究至關(guān)重要[1～2]。

為了保證飛機(jī)的安全性，中國(guó)民用航空總局指定了相關(guān)的法律法規(guī)，其中運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR25.903(d)（1）對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝有下列規(guī)定：必須采取設(shè)計(jì)預(yù)防措施，能在一旦發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子損壞或發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)起火燒穿發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣時(shí)，對(duì)飛機(jī)的危害減至最小[3]。

因此，為了達(dá)到CCAR25部的要求，就必須對(duì)非包容轉(zhuǎn)子碎片可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。本文即以某型飛機(jī)為例，進(jìn)行非包容轉(zhuǎn)子碎片風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航符合性研究提供依據(jù)。

1 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法

咨詢通告AC20-128A（渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置非包容轉(zhuǎn)子失效危害最小化的設(shè)計(jì)考慮）發(fā)布于1997年3月25日，是對(duì)1988年3月發(fā)布的AC20-128的第一次修訂版本。AC20-128A為如何把非包容性轉(zhuǎn)子損壞對(duì)飛機(jī)的危害減至最小提供了指南，并給出了基于碎片能量無窮大的發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置非包容性失效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[4]。

作為符合性驗(yàn)證的一部分，有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)非包容性失效所造成的災(zāi)難性失效風(fēng)險(xiǎn)開展定量評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)分析的目標(biāo)是采取審慎實(shí)用的設(shè)計(jì)后，根據(jù)飛機(jī)自己的特點(diǎn)，計(jì)算剩余風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)咨詢通告20-128A所定義的發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置失效模式，對(duì)任何剩余的關(guān)鍵危害，需要準(zhǔn)備下列評(píng)估內(nèi)容：

（1）單個(gè)三分之一輪盤碎片所帶來的飛行平均風(fēng)險(xiǎn)。

（2）單個(gè)中等尺寸碎片所帶來的飛行平均風(fēng)險(xiǎn)。

（3）碎片替代模式的飛行平均風(fēng)險(xiǎn)（如果使用三分之一輪盤碎片和中等尺寸碎片的替代模式）。

（4）針對(duì)雙重或多重系統(tǒng)的多個(gè)三分之一輪盤碎片。

（5）單個(gè)三分之一輪盤碎片和單個(gè)中等尺寸碎片的特定風(fēng)險(xiǎn)。

（6）任何可能造成災(zāi)難性結(jié)構(gòu)損害的單個(gè)輪盤碎片的特定風(fēng)險(xiǎn)。

有可能造成災(zāi)難性事故的那些轉(zhuǎn)子爆裂情況使用分析的方式進(jìn)行評(píng)估，努力將其災(zāi)難性事故發(fā)生概率定量化。需要考慮以下幾個(gè)因素：

一是，發(fā)動(dòng)機(jī)的位置及其旋轉(zhuǎn)方向。

二是，關(guān)鍵系統(tǒng)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的位置。

三是，轉(zhuǎn)子級(jí)及其碎片失效模式。

四是，轉(zhuǎn)子碎片散射路徑。

五是，碎片輻射角的具體范圍。

六是，發(fā)生失效的特定飛行階段。

七是，同任何特定功能丟失相關(guān)的特定風(fēng)險(xiǎn)因素。

分析中需要明確，單次飛行中如果發(fā)生單個(gè)轉(zhuǎn)子爆裂，則其影響到系統(tǒng)的概率為1.0。假設(shè)所有轉(zhuǎn)子級(jí)的轉(zhuǎn)子失效發(fā)生概率等于1.0，為了分析的需要，發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)轉(zhuǎn)子級(jí)的每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)都應(yīng)該進(jìn)行評(píng)估并制成表格。

飛出發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的轉(zhuǎn)子碎片在360°范圍內(nèi)的發(fā)生概率是相等的，因此，碎片擊中系統(tǒng)部件的概率P等于平移風(fēng)險(xiǎn)角度Φ的度數(shù)除以360，即：

如果假設(shè)分析失效模型中前后輻射角為正負(fù)5°，則整個(gè)輻射角為10°。如果關(guān)鍵部件在輻射區(qū)的一個(gè)有限區(qū)域，則關(guān)鍵部件的暴露因子可以作為在輻射角度中所占徑向位置的比值，例如：

最有可能發(fā)生轉(zhuǎn)子非包容失效的時(shí)間段是起飛階段，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處在最大功率狀態(tài)。使用工業(yè)上可接受的關(guān)于在每個(gè)飛行階段上發(fā)動(dòng)機(jī)失效發(fā)生概率的規(guī)定，可以假定如表1所示的發(fā)生概率。

表1 每個(gè)飛行階段上發(fā)動(dòng)機(jī)失效發(fā)生概率

上面轉(zhuǎn)子失效在各飛行階段的分布是用于計(jì)算災(zāi)難性風(fēng)險(xiǎn)，其中災(zāi)難性風(fēng)險(xiǎn)隨著飛行階段變化所變化。

以上概率和因子連同所定義的關(guān)鍵散射范圍用來計(jì)算來自任何隨機(jī)轉(zhuǎn)子爆裂的特定事件的發(fā)生概率。這個(gè)數(shù)值作為風(fēng)險(xiǎn)因子來評(píng)估此情況，并用于推導(dǎo)計(jì)算每種具體情況下發(fā)生災(zāi)難性事故的概率。

最終計(jì)算出的不同碎片的可接受風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)準(zhǔn)則，如表2所示。

表2 可接受風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)準(zhǔn)則

2 數(shù)值算例

本文以波音某型飛機(jī)為例，進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)非包容轉(zhuǎn)子碎片的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。該飛機(jī)采用的是在機(jī)身尾部?jī)蓚?cè)吊掛兩臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的布局。

本文在進(jìn)行非包容轉(zhuǎn)子碎片的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算時(shí)，為了方便分析，根據(jù)AC20-128A，采用三分之一輪盤碎片（±5°范圍）代替三分之一轉(zhuǎn)子碎片和中等尺寸碎片的方法。為了計(jì)算方便，本文采用AC20-128A中提到的一個(gè)典型例子（風(fēng)險(xiǎn)值見表3），即計(jì)算飛機(jī)在完全失去推力條件下造成災(zāi)難性后果的平均風(fēng)險(xiǎn)。

表3 完全失去推力條件下造成災(zāi)難性后果的風(fēng)險(xiǎn)值

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文只計(jì)算高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪中的非包容轉(zhuǎn)子碎片的平均風(fēng)險(xiǎn)，不考慮去風(fēng)扇碎片、低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪碎片的影響。

根據(jù)表1和表3，計(jì)算飛機(jī)完全失去推力狀況，在整個(gè)飛行階段導(dǎo)致災(zāi)難性事件的風(fēng)險(xiǎn)因子為：

以下針對(duì)因完全失去推力所導(dǎo)致出現(xiàn)的災(zāi)難性失效狀態(tài)，整理某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子5°碎片影響角度范圍和發(fā)生概率，詳見表4。表4的數(shù)據(jù)引用于國(guó)內(nèi)某型飛機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定報(bào)告。

表4 某發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子碎片對(duì)飛機(jī)完全失去推力的影響范圍（°）

左發(fā)動(dòng)機(jī)5°高壓壓氣機(jī)碎片導(dǎo)致災(zāi)難性事件的概率為：

左發(fā)動(dòng)機(jī)5°高壓渦輪碎片導(dǎo)致災(zāi)難性事件的概率為：

右發(fā)動(dòng)機(jī)5°高壓壓氣機(jī)碎片導(dǎo)致災(zāi)難性事件的概率為：

右發(fā)動(dòng)機(jī)5°高壓渦輪碎片導(dǎo)致災(zāi)難性事件的概率為：

左發(fā)動(dòng)機(jī)5°非包容轉(zhuǎn)子碎片導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生災(zāi)難性失效狀態(tài)的平均概率為：

右發(fā)動(dòng)機(jī)5°非包容轉(zhuǎn)子碎片導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生災(zāi)難性失效狀態(tài)的平均概率為：

發(fā)動(dòng)機(jī)5°非包容轉(zhuǎn)子碎片導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生災(zāi)難性失效狀態(tài)的平均概率為：

經(jīng)計(jì)算得出，發(fā)動(dòng)機(jī)5°非包容轉(zhuǎn)子碎片導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生災(zāi)難性失效狀態(tài)的平均概率為0.048 988 8，低于AC20-128A中所規(guī)定的0.05的標(biāo)準(zhǔn)，因此滿足適航條款中的相關(guān)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以某型飛機(jī)為例，進(jìn)行了簡(jiǎn)易的航空發(fā)動(dòng)機(jī)非包容轉(zhuǎn)子碎片的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，可以為飛機(jī)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程制定設(shè)計(jì)預(yù)防措施，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子失效可能產(chǎn)生的危害減至最小。同時(shí)，還可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子適航符合性提供依據(jù)。

[1]陳 光.航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[2]范志強(qiáng)，高德平，覃志賢，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)機(jī)匣的包容性試驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2007，22(1):18-22.

[3]中國(guó)民用航空總局.CCAR25-R4中國(guó)民用航空規(guī)章第25部[S].北京:中國(guó)民用航空總局，2011.

[4]U.S.Departmentof Transportation,Federal Aviation Administration.Design Consideration For Minimizing Hazards Caused By Uncontained Turbine Engine And Auxiliary Power Unit Rotor Failure[R].1997.

The Risk Analysis of Uncontained Engine Rotor Fragments of One Aircraft

WANGWei1，2，WU Yan-song1，2，CHENXi-yuan1，2，CUIWei1，2
(1.Civil Aviation University ofChina，Tianjin 300300，China；2.Tianjin Key Laboratory ofCivilAircraftAirworthinessand Maintenance，Tianjin 300300，China)

Serious harm may caused by Uncontained Engine Rotor Fragments,CCAR25(Airworthiness Standards:TransportCategory Airplanes)stipulates thatapplicantmustmake design considerations tominimize hazards caused by uncontained engine rotor failure.This paper calculated simply the risk on a certain aircraft,good agreementswith the airworthiness standard are obtained from the calculation results.This research is valuable in the engine containment design field and airworthiness certification field.

uncontained rotor fragments；risk analysis；aircraft

V232.4；V232.3

B

1672-545X（2014）04-0030-03

2014-01-03

中國(guó)民航大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金（編號(hào)：YJSCX12-39）

王 偉（1977—），男，博士，副教授，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定研究；通訊作者：吳延松（1989—），男，碩士，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定研究。