基于某型飛機的航空發動機非包容轉子碎片風險計算

王 偉 ，吳延松 ，陳希遠 ，崔 巍

（1.中國民航大學，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動機非包容轉子碎片風險計算

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，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）

航空發動機非包容轉子碎片可能產生嚴重的危害，中國民用航空規章CCAR25部（運輸類飛機適航標準）要求必須采取設計預防措施將飛包容性事件產生的危害減至最小。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子碎片風險計算，計算結果滿足適航要求。研究結果對于進行航空發動機葉片包容性設計和適航取證具有重要參考價值。

非包容轉子碎片；風險計算；航空發動機

航空發動機轉子轉速非常高，轉子受到疲勞或外物撞擊等因素影響時，轉子就可能發生斷裂，產生的轉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、油箱等重要結構或系統，導致二次破壞。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。雖然航空發動機非包容事件很少發生,但一旦發生將有可能導致嚴重的航空事故，甚至導致機毀人亡的嚴重空難。因此，對于航空安全來說，航空發動機包容性研究至關重要[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的法律法規，其中運輸類飛機適航標準CCAR25.903(d)（1）對于渦輪發動機的安裝有下列規定：必須采取設計預防措施，能在一旦發動機轉子損壞或發動機內起火燒穿發動機機匣時，對飛機的危害減至最小[3]。

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

1 風險計算方法

咨詢通告AC20-128A（渦輪發動機和輔助動力裝置非包容轉子失效危害最小化的設計考慮）發布于1997年3月25日，是對1988年3月發布的AC20-128的第一次修訂版本。AC20-128A為如何把非包容性轉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動機和輔助動力裝置非包容性失效的風險評估方法[4]。

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

根據咨詢通告20-128A所定義的發動機和輔助動力裝置失效模式，對任何剩余的關鍵危害，需要準備下列評估內容：

（1）單個三分之一輪盤碎片所帶來的飛行平均風險。

（2）單個中等尺寸碎片所帶來的飛行平均風險。

（3）碎片替代模式的飛行平均風險（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險。

（6）任何可能造成災難性結構損害的單個輪盤碎片的特定風險。

有可能造成災難性事故的那些轉子爆裂情況使用分析的方式進行評估，努力將其災難性事故發生概率定量化。需要考慮以下幾個因素：

一是，發動機的位置及其旋轉方向。

二是，關鍵系統和關鍵結構的位置。

三是，轉子級及其碎片失效模式。

四是，轉子碎片散射路徑。

五是，碎片輻射角的具體范圍。

六是，發生失效的特定飛行階段。

七是，同任何特定功能丟失相關的特定風險因素。

分析中需要明確，單次飛行中如果發生單個轉子爆裂，則其影響到系統的概率為1.0。假設所有轉子級的轉子失效發生概率等于1.0，為了分析的需要，發動機單個轉子級的每個風險都應該進行評估并制成表格。

飛出發動機機匣的轉子碎片在360°范圍內的發生概率是相等的，因此，碎片擊中系統部件的概率P等于平移風險角度Φ的度數除以360，即：

如果假設分析失效模型中前后輻射角為正負5°，則整個輻射角為10°。如果關鍵部件在輻射區的一個有限區域，則關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：

最有可能發生轉子非包容失效的時間段是起飛階段，此時發動機處在最大功率狀態。使用工業上可接受的關于在每個飛行階段上發動機失效發生概率的規定，可以假定如表1所示的發生概率。

表1 每個飛行階段上發動機失效發生概率

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

最終計算出的不同碎片的可接受風險等級準則，如表2所示。

表2 可接受風險等級準則

2 數值算例

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

本文在進行非包容轉子碎片的風險計算時，為了方便分析，根據AC20-128A，采用三分之一輪盤碎片（±5°范圍）代替三分之一轉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（風險值見表3），即計算飛機在完全失去推力條件下造成災難性后果的平均風險。

表3 完全失去推力條件下造成災難性后果的風險值

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子碎片的平均風險，不考慮去風扇碎片、低壓壓氣機和低壓渦輪碎片的影響。

根據表1和表3，計算飛機完全失去推力狀況，在整個飛行階段導致災難性事件的風險因子為：

以下針對因完全失去推力所導致出現的災難性失效狀態，整理某飛機發動機轉子5°碎片影響角度范圍和發生概率，詳見表4。表4的數據引用于國內某型飛機的航空發動機適航審定報告。

表4 某發動機轉子碎片對飛機完全失去推力的影響范圍（°）

左發動機5°高壓壓氣機碎片導致災難性事件的概率為：

左發動機5°高壓渦輪碎片導致災難性事件的概率為：

右發動機5°高壓壓氣機碎片導致災難性事件的概率為：

右發動機5°高壓渦輪碎片導致災難性事件的概率為：

左發動機5°非包容轉子碎片導致飛機發生災難性失效狀態的平均概率為：

右發動機5°非包容轉子碎片導致飛機發生災難性失效狀態的平均概率為：

發動機5°非包容轉子碎片導致飛機發生災難性失效狀態的平均概率為：

經計算得出，發動機5°非包容轉子碎片導致飛機發生災難性失效狀態的平均概率為0.048 988 8，低于AC20-128A中所規定的0.05的標準，因此滿足適航條款中的相關要求。

3 結束語

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

[1]陳 光.航空發動機結構設計分析[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

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

[3]中國民用航空總局.CCAR25-R4中國民用航空規章第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

中國民航大學研究生科技創新基金（編號：YJSCX12-39）

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