民用飛機(jī)含高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備適航符合性驗(yàn)證方法研究

華振

【摘 要】本文介紹了§25部適航條款中對(duì)民用飛機(jī)含高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備的要求，研究了含高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備的符合性方法和驗(yàn)證思路，提出了基于轉(zhuǎn)子包容性試驗(yàn)對(duì)含高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證的一種方法，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)程序和試驗(yàn)判據(jù)，通過在某型民用飛機(jī)適航取證的實(shí)踐，表明該方法合理有效，能夠支持民用飛機(jī)含高能轉(zhuǎn)子設(shè)備的適航符合性驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；高能轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子包容性；適航符合性驗(yàn)證

0 前言

含高能轉(zhuǎn)子設(shè)備的安全性是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)的重要考慮，其適航符合性驗(yàn)證也越來越受到適航當(dāng)局的重視。

1958年5月，F(xiàn)AA運(yùn)輸類飛機(jī)規(guī)章修正案（CAR）4b-8中以§4b.659首次提出了當(dāng)飛機(jī)裝備含高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備時(shí)，必須采取合適的保護(hù)措施，并應(yīng)演示在其失效時(shí)的包容性或不會(huì)對(duì)飛機(jī)持續(xù)飛行的安全性產(chǎn)生影響。1962年，在FAA航空運(yùn)輸指南（CAM）修正案4b-12中以§40.606的覆蓋了所有設(shè)備的安裝可靠性要求，代替了4b.659。大量的經(jīng)驗(yàn)表明，含高能轉(zhuǎn)子設(shè)備的失效可能釋放的能量可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)或飛機(jī)的結(jié)構(gòu)損壞、著火或者系統(tǒng)部件損傷，因此FAA在1975年以修正案25-41加入了新的章節(jié)§25.1461正式作為獨(dú)立的適航檢查項(xiàng)目。

1 適航要求

§25.1461對(duì)含高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備要求是：

（a）含高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備必須符合本條（b）或（c），或（d）的規(guī)定。

（b）設(shè)備中的高能轉(zhuǎn)子必須能承受因故障、振動(dòng)、異常速度和異常溫度引起的損傷。此外還要滿足下列要求：

（1）輔助轉(zhuǎn)子機(jī)匣必須能包容住高能轉(zhuǎn)子葉片破壞所引起的損傷；

（2）設(shè)備控制裝置、系統(tǒng)和儀表設(shè)備必須合理地保證，在服役中不會(huì)超過影響高能轉(zhuǎn)子完整性的使用限制。

（c）必須通過試驗(yàn)表明，含高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備能包容住高能轉(zhuǎn)子在最高速度下發(fā)生的任何破壞（當(dāng)正常的速度控制裝置不工作時(shí)能達(dá)到的最高速度）。

（d）含高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備必須安裝在轉(zhuǎn)子破壞時(shí)既不會(huì)危及乘員，也不會(huì)對(duì)繼續(xù)安全飛行有不利影響的部位。

2 符合性方法分析

2.1 高能轉(zhuǎn)子的定義

AC29-2B指出了高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備安裝要求。高能轉(zhuǎn)子是指當(dāng)失效時(shí)具有充分動(dòng)能對(duì)周圍結(jié)構(gòu)、線纜和設(shè)備產(chǎn)生破壞的旋轉(zhuǎn)部件。AC25-22例舉了含高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備包含起動(dòng)機(jī)、空氣巡航壓縮機(jī)、空氣驅(qū)動(dòng)液壓泵、設(shè)備冷卻風(fēng)扇、再循環(huán)風(fēng)扇、高速電動(dòng)液壓泵等。

2.2 符合性驗(yàn)證思路

根據(jù)§25.1461（a）的總述，須選擇（b）、（c）、（d）條中的一條進(jìn)行符合性驗(yàn)證?！?5.1461 （b）條關(guān)注損傷容限、包容性和控制裝置；§25.1461 （c）條關(guān)注包容性和失效轉(zhuǎn)速控制；§25.1461 （d）條主要關(guān)注設(shè)備安裝位置。

若選擇驗(yàn)證§25.1461 （b）條，可通過設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析來演示符合性。失效模式、影響分析及應(yīng)力計(jì)算可與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)聯(lián)合進(jìn)行，以驗(yàn)證高能轉(zhuǎn)子可承受環(huán)境一切因素造成的損傷、轉(zhuǎn)子機(jī)匣可以承受從轉(zhuǎn)子軸上分離出的任何破片并且控制設(shè)備有能力防止超限發(fā)生。

若選擇驗(yàn)證§25.1461 （c）條，必須通過試驗(yàn)驗(yàn)證高能轉(zhuǎn)子在控制裝置不工作時(shí)，其最高可達(dá)轉(zhuǎn)速下任何形式的失效都可被包容。該包容性必須不損害安裝在周圍的、對(duì)繼續(xù)飛行的安全性產(chǎn)生重要影響的部件、系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。

若選擇驗(yàn)證§25.1461 （d）條，必須說明高能轉(zhuǎn)子安裝在合適的區(qū)域，使其失效后擊出的碎片不會(huì)破壞其他對(duì)繼續(xù)飛行的安全產(chǎn)生重要影響的部件、系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)；同時(shí)非包容碎片不會(huì)進(jìn)入座艙和乘客所在的區(qū)域。

3 符合性驗(yàn)證實(shí)例

在某型渦扇民用運(yùn)輸機(jī)的適航取證中，選擇條款§25.1461 （c）為目標(biāo)，使用基于轉(zhuǎn)子包容性試驗(yàn)的方法對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)進(jìn)行含高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備進(jìn)行符合性驗(yàn)證。以下是該機(jī)的實(shí)例分析。

3.1 設(shè)計(jì)描述

某型民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)由空氣渦輪起動(dòng)機(jī)和空氣起動(dòng)閥組成?？諝鉁u輪起動(dòng)機(jī)由一個(gè)單級(jí)渦輪構(gòu)成，起動(dòng)機(jī)的最大連續(xù)轉(zhuǎn)速為12962rpm，最大峰值轉(zhuǎn)速為15122rpm。空氣起動(dòng)閥是一個(gè)彈簧壓力負(fù)載的電控空氣作動(dòng)閥，設(shè)計(jì)在關(guān)位，空氣氣動(dòng)閥打開時(shí)可提供來自于空氣管理系統(tǒng)的壓縮空氣使空氣渦輪起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過AGB傳動(dòng)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)，空氣起動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)可切斷空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的氣源，停止其自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

空氣渦輪起動(dòng)機(jī)安裝在AGB的前端，發(fā)動(dòng)機(jī)5點(diǎn)鐘的位置，空氣氣動(dòng)閥安裝在起動(dòng)管上。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

某民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣渦輪起動(dòng)機(jī)對(duì)§25.1461 （c）的符合性通過轉(zhuǎn)子包容性試驗(yàn)來驗(yàn)證，該試驗(yàn)分為兩類：徑向包容性試驗(yàn)和軸向包容性試驗(yàn)。兩類試驗(yàn)均使用一個(gè)鋁制護(hù)罩包圍在起動(dòng)機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)件的周圍，在破裂和包容發(fā)生后，通過檢查該鋁制護(hù)罩是否受損來驗(yàn)證起動(dòng)機(jī)對(duì)高能轉(zhuǎn)子碎片的包容能力。

3.2.1 徑向包容性試驗(yàn)

參考AC20-128A，徑向包容性試驗(yàn)演示當(dāng)運(yùn)行在起動(dòng)機(jī)最大自由轉(zhuǎn)速時(shí)，起動(dòng)機(jī)能夠包容起動(dòng)管內(nèi)所有1/3轉(zhuǎn)盤碎片破裂的能量。主要方法如下：

（1）計(jì)算分析得到正常構(gòu)型起動(dòng)機(jī)渦輪盤1/3碎片的破損能量；

（2）特制試驗(yàn)渦輪盤，確保其破碎后傳遞到包容環(huán)的能量總量比計(jì)算分析得到的1/3起動(dòng)機(jī)渦輪盤碎片更大；

（3）試驗(yàn)渦輪帶狹槽缺陷，演示即使在起動(dòng)機(jī)渦輪被削弱的情況下，依然不會(huì)以1/3碎片的形式破裂；

（4）試驗(yàn)中，試驗(yàn)渦輪需至少達(dá)到與渦輪破裂能量相匹配的15631rpm的轉(zhuǎn)速。實(shí)際試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)子在15800rpm的轉(zhuǎn)速下發(fā)生了破裂和包容，超過了最低要求。

3.2.2 軸向包容性試驗(yàn)

軸向包容性試驗(yàn)演示起動(dòng)機(jī)在最高自由轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，能夠包容通過模擬渦輪軸承失效而產(chǎn)生的高能轉(zhuǎn)子破裂碎片，主要方法如下：

（1）試驗(yàn)中采用受損的軸承和產(chǎn)品構(gòu)型的渦輪；

（2）試驗(yàn)中渦輪軸無負(fù)載，以使轉(zhuǎn)子達(dá)到最大自由轉(zhuǎn)速；

（3）當(dāng)軸承失效時(shí)，渦輪盤達(dá)到16000rpm的轉(zhuǎn)速，發(fā)生破裂和碎片包容。

在某型民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)機(jī)高能轉(zhuǎn)子的徑向和軸向包容性試驗(yàn)中，所有的高能轉(zhuǎn)子碎片均以鋁制護(hù)罩不受損為證據(jù)通過了適航當(dāng)局的驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文研究了§25.1461“含高能轉(zhuǎn)子的設(shè)備”條款的適航符合性思路，提出了基于轉(zhuǎn)子包容性試驗(yàn)的方法對(duì)§25.1461條款進(jìn)行驗(yàn)證，使用該方法在某型民用運(yùn)輸機(jī)的取證工作中成功地進(jìn)行了實(shí)踐和演示，結(jié)果獲得適航當(dāng)局認(rèn)可，能夠用于該條款的適航符合性驗(yàn)證。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]