PW1100G發(fā)動機(jī)LPT3葉片斷裂風(fēng)險(xiǎn)評估與強(qiáng)制糾正措施決策分析

王 燁 ，孫纓軍 ，陳志雄 ，蔡 景

（1.民航上海航空器適航審定中心，上海200335；2.上海工程技術(shù)大學(xué)航空運(yùn)輸學(xué)院，上海201620；3.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京210106）

0 引言

渦輪葉片是航空發(fā)動機(jī)非常關(guān)鍵的熱端零件之一，其工作狀況直接影響發(fā)動機(jī)可靠性、安全性和燃油消耗率等。截至2019 年11 月，全球裝有PW1100G發(fā)動機(jī)的A320neo 機(jī)隊(duì)中，共發(fā)生42 起因更新材料后第3 級低壓渦輪葉片（LPT3 葉片）斷裂導(dǎo)致的空中停車、返航或中斷起飛等事件。其中中國機(jī)隊(duì)南航7起，1 起空停；川航 1 起空停；國航 1 起返航[1-3]。事件頻發(fā)后，PW 和空客公司分別作為發(fā)動機(jī)和飛機(jī)的制造商發(fā)布糾正措施，主審國局方也制定強(qiáng)制糾正措施（見第3 章），但LPT3 葉片斷裂故障仍時(shí)有發(fā)生，這為上海適航審定中心對機(jī)隊(duì)的安全監(jiān)控提出挑戰(zhàn)。對于引進(jìn)機(jī)型的機(jī)隊(duì)安全監(jiān)控，中國作為登記國局方，通常做法是直接使用主審國局方發(fā)布的強(qiáng)制糾正措施，若不安全狀態(tài)仍未解決，則運(yùn)行國局方在監(jiān)控和評估機(jī)隊(duì)安全時(shí)面臨許多困難。首先，缺少引進(jìn)機(jī)型的安全性數(shù)據(jù)和全球機(jī)隊(duì)運(yùn)行大數(shù)據(jù)[4]，在機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)評估方面需要創(chuàng)造新方法對已有數(shù)據(jù)充分挖掘利用，一般的風(fēng)險(xiǎn)評估方法無法滿足需要[5]；其次，缺乏對設(shè)計(jì)特征細(xì)節(jié)掌握[6]，在分析根原因[7-8]和糾正措施[9]時(shí)，需要獲得制造商、局方和航空公司支持；還有如何進(jìn)行具體的風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)合根原因、糾正措施選項(xiàng)的分析，形成適合中國機(jī)隊(duì)的措施方案，沒有案例可供借鑒。

國內(nèi)外學(xué)者近年對風(fēng)險(xiǎn)評估開展了大量研究。孫纓軍等[10]詳細(xì)闡述持續(xù)適航過程及方法，為航空產(chǎn)品實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)評估提供重要方法；Bao 等[11]開展控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估，為發(fā)動機(jī)安全運(yùn)行提供有力支持；Mill?water 等[12]綜述機(jī)體結(jié)構(gòu)數(shù)字孿生所需的概率風(fēng)險(xiǎn)評估流程；Yang等[13]提出基于概率密度演化的數(shù)值積分方法，用于提高評估發(fā)動機(jī)渦輪盤風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)確性和效率；Violette 等[14]采用結(jié)構(gòu)化的運(yùn)輸飛機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評估方法（Transport Airplane Risk Assessment Methodology，TARAM），確定分析中涉及的各參數(shù)，用于計(jì)算未糾正機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)；Everdij 等[15]采用TARAM 實(shí)現(xiàn)磨損類故障評估判定。這些方法需要大量的機(jī)隊(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)都被外國公司牢牢控制，國內(nèi)所得數(shù)據(jù)非常有限，國際上適航當(dāng)局通常采用所有機(jī)隊(duì)的平均風(fēng)險(xiǎn)，不能針對不同機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)有效評估。

本文旨在基于有限的飛行小時(shí)數(shù)據(jù)并根據(jù)不同機(jī)隊(duì)的飛行小時(shí)和發(fā)生的事件識別機(jī)隊(duì)的風(fēng)險(xiǎn)及符合性時(shí)間計(jì)算，分析確定LPT3葉片斷裂根原因，并提出候選糾正措施，為不同機(jī)隊(duì)的風(fēng)險(xiǎn)水平?jīng)Q策提供指導(dǎo)。這次A320飛機(jī)LPT3斷裂事件的處理方法，旨在探索一種有效的對機(jī)隊(duì)安全監(jiān)控的思路和方法。

1 中國機(jī)隊(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)的評估

運(yùn)輸飛機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評估方法是一種基于事件數(shù)據(jù)開展概率風(fēng)險(xiǎn)評估的方法，用于判定運(yùn)輸類飛機(jī)持續(xù)運(yùn)行中的不安全狀態(tài)、評估后續(xù)緩解風(fēng)險(xiǎn)措施及其符合性時(shí)間期限，并為頒發(fā)適航指令的決策提供重要依據(jù)。

單機(jī)風(fēng)險(xiǎn)是1 架飛機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)水平，用每飛行小時(shí)乘員遭受致命損傷的概率表示；而機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)評估本質(zhì)上是對整個(gè)機(jī)隊(duì)單機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的累計(jì)。

機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響因素（如圖1所示）包括：（1）在研究中的不安全狀況可能發(fā)生的次數(shù)（如該不安全狀況的統(tǒng)計(jì)期望）；（2）由于該狀況導(dǎo)致的嚴(yán)重后果的條件概率（該不安全狀況會導(dǎo)致已知嚴(yán)重度的后果的概率）；（3）后果的嚴(yán)重度，即如果在規(guī)定的時(shí)間里沒有采取糾正措施時(shí)的權(quán)重結(jié)果或預(yù)期的死亡人員的數(shù)目[16-17]。

圖1 機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響因素[16-17]

當(dāng)單機(jī)或機(jī)隊(duì)出現(xiàn)不安全狀態(tài)后，評估其實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)。若風(fēng)險(xiǎn)較高，需在較短期限內(nèi)采取糾正措施；若風(fēng)險(xiǎn)較低，允許在相對較長期限內(nèi)采取糾正措施。這一時(shí)間期限是機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)符合性限定的時(shí)間期限。英國民航局統(tǒng)計(jì)表明，每個(gè)機(jī)型災(zāi)難性事件的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)容許值一般為整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)每飛行小時(shí)1×10-7的1/4，即每飛行小時(shí)0.25×10-7（基本設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)為整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)的3/4，即每飛行小時(shí) 0.75×10-7）[18]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，對每個(gè)機(jī)型的單架飛機(jī)來說，在整個(gè)壽命期內(nèi)，這種事件不超過10 次[10]，則每個(gè)事件的風(fēng)險(xiǎn)容許量模型如圖2所示。

圖2 災(zāi)難性失效的風(fēng)險(xiǎn)容許量模型[10，18]

那么，假設(shè)飛機(jī)設(shè)計(jì)壽命為60000 飛行小時(shí)，每次失效發(fā)生時(shí)，其產(chǎn)生災(zāi)難性事件的風(fēng)險(xiǎn)為：△R=0.25×10-7×（1/10）×60000=1.5×10-4。

中國的南航、川航、國航、青島航和海航等5 家公司引進(jìn)了配裝PW1100G發(fā)動機(jī)的A320neo 飛機(jī)，截至 2019 年 11 月 ，機(jī)隊(duì)的發(fā)動機(jī)小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖3 所示。

圖3 中國機(jī)隊(duì)發(fā)動機(jī)飛行小時(shí)數(shù)

為準(zhǔn)確了解和管理各機(jī)隊(duì)的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)，目前有一些全球受影響機(jī)隊(duì)的區(qū)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因南航機(jī)隊(duì)的發(fā)動機(jī)小時(shí)數(shù)和事件數(shù)較多，在分析時(shí)將中國機(jī)隊(duì)分為南航機(jī)隊(duì)和其他機(jī)隊(duì)，采用基于時(shí)間段和比例的方法計(jì)算了受影響機(jī)隊(duì)的總風(fēng)險(xiǎn)、南航受影響機(jī)隊(duì)的風(fēng)險(xiǎn)和其他受影響機(jī)隊(duì)的風(fēng)險(xiǎn)，并確定了各受影響機(jī)隊(duì)的措施符合性時(shí)間期限，為下一步緩解風(fēng)險(xiǎn)并制定適合中國機(jī)隊(duì)的糾正措施提供了基于時(shí)間要求的框架。

（1）受影響機(jī)隊(duì)總風(fēng)險(xiǎn)。

式中：RI為機(jī)隊(duì)單發(fā)空停失效的風(fēng)險(xiǎn)；n為事件次數(shù)；E為發(fā)動機(jī)飛行小時(shí)。

從式中可見，最近1個(gè)月區(qū)間整個(gè)配裝PW1100G發(fā)動機(jī)的A320neo機(jī)隊(duì)發(fā)生的事件次數(shù)為10，全球機(jī)隊(duì)年發(fā)動機(jī)小時(shí)數(shù)為2.387×106，裝有更新材料后LPT3的發(fā)動機(jī)比例為72%。

總的符合性時(shí)間期限按照災(zāi)難性失效的風(fēng)險(xiǎn)容許量模型為

式中：△R為每次災(zāi)難性事件發(fā)生的容許風(fēng)險(xiǎn)；RD為此次LPT3葉片斷裂造成雙發(fā)停車的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）南航受影響機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，按機(jī)隊(duì)運(yùn)行事件和事件比例評估南航機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)和事件期限分別為

式中：RCSAI為南航機(jī)隊(duì)單發(fā)空停失效的風(fēng)險(xiǎn)；nCSA為南航事件次數(shù)；nC為中國機(jī)隊(duì)事件總次數(shù)；EC為中國機(jī)隊(duì)發(fā)動機(jī)飛行總小時(shí)數(shù)；ECSA為南航機(jī)隊(duì)發(fā)動機(jī)飛行小時(shí)數(shù)。

則南航機(jī)隊(duì)雙發(fā)停車的概率為

式中：RCSAD為南航機(jī)隊(duì)雙發(fā)空停失效的風(fēng)險(xiǎn)；TCSAP為南航機(jī)隊(duì)符合性時(shí)間期限。

（3）其他受影響機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)。

式中：ROI為其他機(jī)隊(duì)單發(fā)空停失效的風(fēng)險(xiǎn)；ROD為其他機(jī)隊(duì)雙發(fā)空停失效的風(fēng)險(xiǎn)；nO為其他機(jī)隊(duì)事件次數(shù)；EO為其他機(jī)隊(duì)發(fā)動機(jī)飛行小時(shí)；TO為其他機(jī)隊(duì)符合性時(shí)間期限。

機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)水平如圖4 所示。從圖中可見，由于PW1100G 發(fā)動機(jī)LPT3 葉片損傷導(dǎo)致2 臺發(fā)動機(jī)停車帶來的整個(gè)機(jī)隊(duì)的災(zāi)難性風(fēng)險(xiǎn)為4.87×10-9，超過了可接受的安全風(fēng)險(xiǎn)水平，南航機(jī)隊(duì)由于發(fā)生的斷裂次數(shù)較多，其機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)更是達(dá)到了1.64×10-8，應(yīng)分析根原因并參考相應(yīng)的符合性時(shí)間期限制定糾正措施，緩解機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)水平

2 根原因分析

根據(jù)PW 公司的調(diào)查分析和去南航的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，PW1100G 發(fā)動機(jī)的渦輪中間機(jī)匣活塞封嚴(yán)（piston seal）磨損斷裂，脫落的材料撞擊下游的LPT3葉片，如圖5 所示。由于更新了TiAl材料（質(zhì)量很輕但抗拉和抗沖擊強(qiáng)度不夠）的LPT3 葉片在離心載荷下抗撞擊能力不足，受到撞擊時(shí)會斷裂[19-21]。

圖5 封嚴(yán)環(huán)磨損斷裂造成LPT3葉片受損

而機(jī)匣變形[22]是引起活塞封嚴(yán)磨損的主要原因之一。在爬升推力未減小的情況下，統(tǒng)計(jì)分析表明飛機(jī)爬升時(shí)發(fā)動機(jī)處于92.7%高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速附近，在此轉(zhuǎn)速下，振動會導(dǎo)致渦輪中間機(jī)匣彎曲，造成活塞封嚴(yán)磨損加劇，從而使活塞封嚴(yán)部分材料斷裂脫落風(fēng)險(xiǎn)增加，撞擊下游的LPT1、LPT2或者LPT3葉片。

此外，通過對發(fā)生LPT3 葉片斷裂發(fā)動機(jī)的小時(shí)數(shù)進(jìn)行分析對比發(fā)現(xiàn)，15 起事件的發(fā)動機(jī)自新使用時(shí)間（Time Since New，TSN）在2500 飛行小時(shí)以內(nèi)，其中空停5 起；推斷此故障根原因的影響因素與飛行小時(shí)數(shù)非正相關(guān)，主要還是由于機(jī)匣變形引起的活塞封嚴(yán)磨損。在起飛階段未減推力、N2=92.7%時(shí)導(dǎo)致某些機(jī)匣部件發(fā)生共振，造成渦輪中間機(jī)匣變形。已有跡象表明，起飛階段未減推力運(yùn)行以及LPT3 葉片材料抗撞擊能力不足是此次LPT3 葉片斷裂的主要原因。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，起飛階段未減推力的情況一般僅分布在亞洲機(jī)隊(duì)，且影響程度和不同機(jī)隊(duì)的起飛操作習(xí)慣相關(guān)，因此在制定措施時(shí)不按構(gòu)型區(qū)分方式，而是計(jì)算不同機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)并由此采取不同機(jī)隊(duì)的針對性措施。

3 基于機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)制糾正措施決策

各國局方基于所轄地區(qū)機(jī)隊(duì)受影響的情況及對風(fēng)險(xiǎn)和根原因的認(rèn)識，均擬制定相關(guān)的糾正措施，用以緩解全球在役機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)。

美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）作為PW1100G 發(fā)動機(jī)主審當(dāng)局，計(jì)劃頒布針對發(fā)動機(jī)的強(qiáng)制糾正措施，要求在規(guī)定的時(shí)間期限內(nèi)更換LPT3 葉片[20]。此外，還計(jì)劃對所有未改裝LPT3葉片的發(fā)動機(jī)在下次進(jìn)廠時(shí)更換改裝。

歐洲航空安全局（EASA）作為A320neo 的主審當(dāng)局，針對配裝PW1100G 的A320 飛機(jī)頒布AD 2019-0304R1，要求未去偶的飛機(jī)在3 個(gè)月內(nèi)去偶，已經(jīng)去偶（更換不受影響發(fā)動機(jī)）或雙發(fā)不受問題影響的飛機(jī)必須至少保持去偶[21]。

FAA作為發(fā)動機(jī)主審當(dāng)局，需解決發(fā)動機(jī)的安全問題，其計(jì)劃的強(qiáng)制糾正措施通過更換不同材料的LPT3解決葉片的斷裂問題，但由于備件有限，措施的符合性時(shí)間較長，并未考慮和評估機(jī)隊(duì)安全問題，廠家服務(wù)通告（Service Bulletin，SB）發(fā)布后，LPT3葉片斷裂仍時(shí)有發(fā)生。而EASA 作為飛機(jī)主審當(dāng)局，著眼于全球機(jī)隊(duì)，僅從緩解風(fēng)險(xiǎn)的角度給出了措施，并未針對解決根原因給出強(qiáng)制措施，且歐美機(jī)隊(duì)和亞洲機(jī)隊(duì)受未減推力的影響不同，出現(xiàn)斷裂故障的頻率也不同，即安全風(fēng)險(xiǎn)也不同。因此，如果簡單等待和跟隨FAA和EASA的措施，可能會降低對中國機(jī)隊(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)水平的要求（中國未減推力爬升風(fēng)險(xiǎn)高于歐美均值）。

基于深入航空公司的根原因[10]的調(diào)查和認(rèn)識，從技術(shù)上分析能夠緩解飛機(jī)雙發(fā)停車風(fēng)險(xiǎn)的候選措施有以下幾種：

（1）減推力爬升改裝（更改發(fā)動機(jī)運(yùn)行的操作規(guī)程）。通過減小N2達(dá)到92.7%的概率，從而減小因機(jī)匣變形導(dǎo)致封嚴(yán)環(huán)加劇磨損的影響。

（2）發(fā)動機(jī)去偶安裝。去偶安裝并不能減小發(fā)動機(jī)的空中停車概率，但在同一架飛機(jī)上混裝不受此問題影響的發(fā)動機(jī)，可以有效降低飛機(jī)雙發(fā)停車的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）發(fā)動機(jī)孔探檢查。在初始設(shè)計(jì)中，活塞封嚴(yán)磨損很小，一般在發(fā)動機(jī)大修時(shí)檢查或更換。LPT3葉片斷裂事件發(fā)生后，調(diào)查發(fā)現(xiàn)是由于渦輪中間機(jī)匣導(dǎo)致封嚴(yán)磨損較大，其碎片造成LPT3 葉片斷裂。因此，在發(fā)動機(jī)大修前可以通過孔探檢查封嚴(yán)材料的磨損量，發(fā)動機(jī)提前更換，降低LPT3葉片被撞擊斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）LPT3 葉片改裝。將鋁基鈦合金LPT3 葉片改裝為鎳合金葉片，增強(qiáng)抗撞擊能力，減少斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，改裝后發(fā)動機(jī)不再受斷裂問題影響。

（5）活塞封嚴(yán)改裝。給活塞封嚴(yán)鍍層，提高耐磨性，改裝后運(yùn)行沒有出現(xiàn)脫落情況。

根據(jù)對中國機(jī)隊(duì)的風(fēng)險(xiǎn)評估和上述候選措施的分析，為精準(zhǔn)解決機(jī)隊(duì)的安全問題，并最大程度保證機(jī)隊(duì)正常運(yùn)行，分別對南航機(jī)隊(duì)和其他機(jī)隊(duì)考慮適合的糾正措施和時(shí)間期限，做到對癥下藥，措施適宜。措施（1）簡單易行，能從根原因上減少封嚴(yán)的磨損；措施（2）實(shí)際是1 種限制運(yùn)行措施，能夠有效緩解雙發(fā)停車風(fēng)險(xiǎn)，與措施（1）互為補(bǔ)充，共同降低風(fēng)險(xiǎn)；措施（3）通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)PW 公司給出的孔探間隔和磨損量標(biāo)準(zhǔn)有些矛盾，納入局方強(qiáng)制糾正措施可能會產(chǎn)生爭議；上海適航審定中心已決定頒發(fā)相應(yīng)的中國適航指令（Chinese Airworthiness Directive，CAD），將措施（4）作為1 種緩解風(fēng)險(xiǎn)的手段；措施（5）的技術(shù)還不成熟。因此，針對南航機(jī)隊(duì)，為了減小機(jī)匣變形導(dǎo)致封嚴(yán)環(huán)加劇磨損的概率，減緩封嚴(yán)環(huán)斷裂風(fēng)險(xiǎn)，要求按時(shí)間期限完成減推力爬升改裝；為降低在LPT3 葉片改裝期間發(fā)生雙發(fā)停車，要求南航機(jī)隊(duì)在完成減推力爬升改裝后實(shí)行發(fā)動機(jī)去偶運(yùn)行。

針對其他機(jī)隊(duì)，主要采用減推力爬升改裝和發(fā)動機(jī)去偶運(yùn)行的措施，由于風(fēng)險(xiǎn)不同，對于減推力爬升改裝和發(fā)動機(jī)去偶安裝的時(shí)間期限要求有所不同，以契合航空公司實(shí)際情況，最大程度的保障機(jī)隊(duì)安全順暢運(yùn)行。

4 結(jié)束語

本文針對引進(jìn)機(jī)型的機(jī)隊(duì)安全問題，建立了1 套基于區(qū)間和比例的定量風(fēng)險(xiǎn)評估方法，并給出了1 個(gè)包括風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算、根原因分析和基于機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)制糾正措施決策分析的組合技術(shù)應(yīng)用案例。這種定量的分析不同機(jī)隊(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)并根據(jù)機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)制定糾正措施的思路和方法是一種創(chuàng)新的嘗試，不同于國外局方只計(jì)算整個(gè)機(jī)型機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)，一般采用構(gòu)型區(qū)分措施的方法。本套思路和方法給出的風(fēng)險(xiǎn)分析和措施決策是在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，提供了比較精準(zhǔn)的機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間、比例定量評估方法和針對性的改正改進(jìn)措施，適用于處置一些比較復(fù)雜的機(jī)隊(duì)安全問題，既確保了安全，又能保障不同機(jī)隊(duì)經(jīng)濟(jì)、順暢地運(yùn)行。

單邊適航指令發(fā)布后，LPT3 葉片斷裂風(fēng)險(xiǎn)得到了有效控制。這也是中國首次在單邊適航指令制定中采用機(jī)隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)評估與根原因分析、糾正措施決策結(jié)合的典型案例，為未來引進(jìn)機(jī)型乃至國產(chǎn)民機(jī)機(jī)隊(duì)的持續(xù)運(yùn)行安全管理提供了1套可借鑒的方案。