王 偉 ，吳延松 ，陳希遠 ，崔 巍

（1.中國民航大學(xué)，天津 300300；2.天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

基于某型飛機的航空發(fā)動機非包容轉(zhuǎn)子碎片風(fēng)險計算

王 偉1，2，吳延松1，2，陳希遠1，2，崔 巍1，2

（1.中國民航大學(xué)，天津 300300；2.天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

航空發(fā)動機非包容轉(zhuǎn)子碎片可能產(chǎn)生嚴重的危害，中國民用航空規(guī)章CCAR25部（運輸類飛機適航標準）要求必須采取設(shè)計預(yù)防措施將飛包容性事件產(chǎn)生的危害減至最小。為了達到飛機適航標準，對某型飛機進行了較為簡易的非包容轉(zhuǎn)子碎片風(fēng)險計算，計算結(jié)果滿足適航要求。研究結(jié)果對于進行航空發(fā)動機葉片包容性設(shè)計和適航取證具有重要參考價值。

非包容轉(zhuǎn)子碎片；風(fēng)險計算；航空發(fā)動機

航空發(fā)動機轉(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，轉(zhuǎn)子就可能發(fā)生斷裂，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子碎片將會在離心力的作用下以巨大的能量甩出。此時若機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擊中飛機上的機艙、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擊中航線上的其他飛機或地面的行人和建筑。雖然航空發(fā)動機非包容事件很少發(fā)生,但一旦發(fā)生將有可能導(dǎo)致嚴重的航空事故，甚至導(dǎo)致機毀人亡的嚴重空難。因此，對于航空安全來說，航空發(fā)動機包容性研究至關(guān)重要[1～2]。

為了保證飛機的安全性，中國民用航空總局指定了相關(guān)的法律法規(guī)，其中運輸類飛機適航標準CCAR25.903(d)（1）對于渦輪發(fā)動機的安裝有下列規(guī)定：必須采取設(shè)計預(yù)防措施，能在一旦發(fā)動機轉(zhuǎn)子損壞或發(fā)動機內(nèi)起火燒穿發(fā)動機機匣時，對飛機的危害減至最小[3]。

因此，為了達到CCAR25部的要求，就必須對非包容轉(zhuǎn)子碎片可能產(chǎn)生的風(fēng)險進行評估計算。本文即以某型飛機為例，進行非包容轉(zhuǎn)子碎片風(fēng)險計算，為航空發(fā)動機適航符合性研究提供依據(jù)。

1 風(fēng)險計算方法

咨詢通告AC20-128A（渦輪發(fā)動機和輔助動力裝置非包容轉(zhuǎn)子失效危害最小化的設(shè)計考慮）發(fā)布于1997年3月25日，是對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)子損壞對飛機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)動機和輔助動力裝置非包容性失效的風(fēng)險評估方法[4]。

作為符合性驗證的一部分，有必要對發(fā)動機非包容性失效所造成的災(zāi)難性失效風(fēng)險開展定量評估。風(fēng)險分析的目標是采取審慎實用的設(shè)計后，根據(jù)飛機自己的特點，計算剩余風(fēng)險。

根據(jù)咨詢通告20-128A所定義的發(fā)動機和輔助動力裝置失效模式，對任何剩余的關(guān)鍵危害，需要準備下列評估內(nèi)容：

（1）單個三分之一輪盤碎片所帶來的飛行平均風(fēng)險。

（2）單個中等尺寸碎片所帶來的飛行平均風(fēng)險。

（3）碎片替代模式的飛行平均風(fēng)險（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）針對雙重或多重系統(tǒng)的多個三分之一輪盤碎片。

（5）單個三分之一輪盤碎片和單個中等尺寸碎片的特定風(fēng)險。

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

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行評估，努力將其災(zāi)難性事故發(fā)生概率定量化。需要考慮以下幾個因素：

一是，發(fā)動機的位置及其旋轉(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)險因素。

分析中需要明確，單次飛行中如果發(fā)生單個轉(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)動機單個轉(zhuǎn)子級的每個風(fēng)險都應(yīng)該進行評估并制成表格。

飛出發(fā)動機機匣的轉(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5°，則整個輻射角為10°。如果關(guān)鍵部件在輻射區(qū)的一個有限區(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)子非包容失效的時間段是起飛階段，此時發(fā)動機處在最大功率狀態(tài)。使用工業(yè)上可接受的關(guān)于在每個飛行階段上發(fā)動機失效發(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 每個飛行階段上發(fā)動機失效發(fā)生概率

上面轉(zhuǎn)子失效在各飛行階段的分布是用于計算災(zāi)難性風(fēng)險，其中災(zāi)難性風(fēng)險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)鍵散射范圍用來計算來自任何隨機轉(zhuǎn)子爆裂的特定事件的發(fā)生概率。這個數(shù)值作為風(fēng)險因子來評估此情況，并用于推導(dǎo)計算每種具體情況下發(fā)生災(zāi)難性事故的概率。

最終計算出的不同碎片的可接受風(fēng)險等級準則，如表2所示。

表2 可接受風(fēng)險等級準則

2 數(shù)值算例

本文以波音某型飛機為例，進行航空發(fā)動機非包容轉(zhuǎn)子碎片的風(fēng)險計算。該飛機采用的是在機身尾部兩側(cè)吊掛兩臺渦扇發(fā)動機的布局。

本文在進行非包容轉(zhuǎn)子碎片的風(fēng)險計算時，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。為了計算方便，本文采用AC20-128A中提到的一個典型例子（風(fēng)險值見表3），即計算飛機在完全失去推力條件下造成災(zāi)難性后果的平均風(fēng)險。

表3 完全失去推力條件下造成災(zāi)難性后果的風(fēng)險值

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

根據(jù)表1和表3，計算飛機完全失去推力狀況，在整個飛行階段導(dǎo)致災(zāi)難性事件的風(fēng)險因子為：

以下針對因完全失去推力所導(dǎo)致出現(xiàn)的災(zāi)難性失效狀態(tài)，整理某飛機發(fā)動機轉(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)引用于國內(nèi)某型飛機的航空發(fā)動機適航審定報告。

表4 某發(fā)動機轉(zhuǎn)子碎片對飛機完全失去推力的影響范圍（°）

左發(fā)動機5°高壓壓氣機碎片導(dǎo)致災(zāi)難性事件的概率為：

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

右發(fā)動機5°高壓壓氣機碎片導(dǎo)致災(zāi)難性事件的概率為：

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

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

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

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

經(jīng)計算得出，發(fā)動機5°非包容轉(zhuǎn)子碎片導(dǎo)致飛機發(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的標準，因此滿足適航條款中的相關(guān)要求。

3 結(jié)束語

本文以某型飛機為例，進行了簡易的航空發(fā)動機非包容轉(zhuǎn)子碎片的風(fēng)險計算，可以為飛機設(shè)計的整個過程制定設(shè)計預(yù)防措施，將發(fā)動機轉(zhuǎn)子失效可能產(chǎn)生的危害減至最小。同時，還可以為航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子適航符合性提供依據(jù)。

[1]陳 光.航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[2]范志強，高德平，覃志賢，等.航空發(fā)動機真實機匣的包容性試驗[J].航空動力學(xué)報，2007，22(1):18-22.

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

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

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