民用航空發動機持續轉動適航要求研究

賈 惟 何文博 / JIA Wei HE Wenbo

(中國民航大學，天津 300300)

民用航空發動機持續轉動適航要求研究

賈 惟 何文博 / JIA Wei HE Wenbo

(中國民航大學，天津 300300)

中國民用航空規章CCAR 25-R4《運輸類飛機適航標準》要求航空發動機的持續轉動不會危及飛行安全。圍繞25.903(c)款并對比33.74條和33.92條，從條款的內容、制定背景、修訂原因以及技術內涵四個方面全面分析了適航審定對航空發動機持續轉動的要求。從發動機合格審定和飛機合格審定兩個角度分析了適航符合性驗證的基本內容，為工業方理解適航條款提供參考，為局方開展型號合格審定工作提供支持。

民用航空發動機；持續轉動；適航

0 引言

渦輪發動機空中停車、燃燒室熄火或者不工作時，氣流通過未點燃的發動機并由氣動力、轉子慣性和阻力矩共同作用而帶動發動機轉軸轉動，短時間內穩定在某一轉速的亞穩定旋轉狀態稱為渦輪發動機的風車狀態[1]。導致渦輪發動機進入這種持續轉動狀態的原因有很多，對發動機安全運行的影響程度也有所不同。所以，為了保證發動機進入持續轉動狀態后，飛機仍然能夠繼續安全飛行直至降落，25.903(c)款和33.74條以及33.92條分別從飛機安全性和發動機安全性的角度進行了約束。

我國現行有效的CCAR 25-R4《運輸類飛機適航標準》和CCAR 33-R2《航空發動機適航規定》中關于渦輪發動機持續轉動條款的制定均參照了FAR 25部和FAR 33部相應的條款。為了深入理解發動機持續轉動的適航要求，對條款進行適航性解釋，本文采用文獻研究法，對FAR 25部和FAR 33部中涉及到的持續轉動條款進行梳理，從條款內容、修訂過程以及技術內涵等多個角度對條款和符合性驗證要求進行分析，為運輸類飛機和渦輪發動機的型號合格審定工作提供技術支持。

1 FAR 25.903(c)款

在20世紀40年代末期，FAA(Federal Aviation Administration)的前身CAA(Civil Aeronautics Administration)頒布了CAR 4b，用于運輸類飛機的適航審定。隨著航空科學技術的發展和進步，對CAR 4b進行了多次修訂。與此同時，隨著渦輪發動機在運輸類飛機中的廣泛應用，美國適航當局于1957年頒布了SR 422，并于1959年頒布了SR 422B。1965年，FAA基于CAR 4b和SR 422B制訂了FAR 25部，作為運輸類飛機適航審定的標準[2]。到目前為止，FAR 25部已經更新到第25-142號修正案。

1.1 第25-0號修正案

FAR 25.903條最早來源于CAR的4b.401條款，它對發動機在飛機上的安裝、起動以及控制等提出了一個整體性的要求。其中25.903(c)款對渦輪發動機持續轉動的控制提出了要求[3]。

1.2 第25-23號修正案

25.903(c)款要求：必須有在飛行中單獨停止和再起動任何一臺發動機的措施，對于渦輪發動機的安裝，只有持續轉動會危及飛行的安全時才需要有停止任一發動機轉動的措施；在防火墻的發動機一側，可能暴露于火中的停轉和再起動系統的每個部件至少是耐火的。

從條款的內容和要求可以看出，最初的25.903(c)款涉及到了兩個重要問題：一個是停止轉動和再起動的問題，另一個是耐火的問題。針對發動機停止轉動和再起動的問題，要求必須具有在飛行中單獨停止任意一臺發動機轉動的措施和再起動的措施，對于渦輪發動機的安裝，如果其持續轉動不會危及飛行安全，則不需要符合這個要求。

FAA認為，對于活塞式發動機，無論是停止任意一臺發動機的轉動還是再起動，都是沒有任何異議的。對于渦輪發動機來說，如果其持續轉動會危及飛機的安全，則必須具有停止任意一臺發動機轉動的措施。但是對于渦輪發動機的再起動問題，FAA的調查結果表明，從未發現任何安裝渦輪發動機的運輸類飛機沒有再起動措施的情況。因為，渦輪發動機的再起動能力在操作訓練中是必需的，并且這種能力對于預防發動機意外停車也是極其重要的。

基于上述分析，FAA在第25-23號修正案中修改了25.903(c)款的內容，對發動機停止轉動和發動機再起動進行了區別性的要求。對于發動機的停轉，FAA要求必須有在飛行中單獨停止任意一臺發動機轉動的措施，但對于渦輪發動機的安裝，只有其繼續轉動會危及飛機的安全時才需要有停止任意一臺發動機轉動的措施。對于發動機的再起動，FAA要求必須提供空中再起動任意一臺發動機的措施[4]。

1.3 第25- 40號和第25-94號修正案

25.903(c)款中的另外一個重要問題就是耐火問題。由于發動機內部起火后再起動發動機并繼續進行使用的情況是非常罕見的，因此FAA認為要求再起動系統部件耐火所帶來的收益很小，沒有必要對再起動系統的部件提出耐火的要求。FAA考慮到這個實際情況，在第25- 40號修正案中對再起動系統的耐火要求進行了修訂，將原來要求“在防火墻中的發動機一側，可能暴露于火中的停轉和再起動系統的每個部件必須至少是耐火的”修改為“在防火墻的發動機一側，可能暴露于火中的停轉系統的每個部件必須至少是耐火的”，也就是刪除了對再起動系統的耐火要求[5]。

在第25-94號修正案中，對25.903(c)款中的文字錯誤進行了修訂，并沒有對條款的內容進行實質性地更改[6]。

與此同時，發動機空中再起動能力是飛機安全運行所必須的。因此，為了進一步明確對發動機再起動能力的要求，第25-40號修正案將原來的25.903(c)款中對涉及發動機再起動系統的要求進行了擴展，并新增為專門的一個條款，即25.903(e)款。該條款要求制定再起動能力必須滿足的高度和空速條件，并且進一步要求發動機必須具有在此包線內再起動的能力。此外，該條款還對發動機再起動的點火條件也進行了明確的要求。

2 FAR 33.74條

FAR 33.74條從發動機安全性的角度對發動機的持續轉動提出了要求。

2.1 第33-17號修正案

上世紀90年代初期，為了提高美國和歐洲適航標準的一致性，美國和歐洲的適航當局以及工業方對FAR 33部和JAR-E中的相關條款進行統一，其中就涉及到風車狀態的持續轉動和轉子鎖定裝置。當時FAR 25部中的25.903(c)款中提到了這個問題。對于渦輪發動機的安裝，只有在持續轉動會危及飛行安全的情況下才需要停止發動機的持續轉動，而當時的JAR-E中提出了一個無滑油條件下風車狀態的安全目標。

為了與25.903(c)款中發動機持續轉動的控制要求和安全目標保持一致，航空規章咨詢協會動力裝置協調工作組建議在FAR 33部中增加33.74條，對風車狀態提出明確的要求，確保發動機空中停車后的風車狀態不會對飛機產生危害性的影響。因為發動機制造商必須滿足33.74條的要求，而33.74條的安全性要求與25.903(c)款相同，所以發動機制造商可以直接為飛機制造商提供相關的信息，這樣就可以減少飛機制造商25.903(c)款符合性驗證的工作，也可以降低飛機制造商的成本。在這樣一個背景下提出了FAR 33.74條[7]。

在針對NPRM 95-3的討論中，有評論者建議將“windmilling”修改為“continued rotation”，保證與25部中條款的一致性，同時“continued rotation”一詞也包含了機械和氣動力學的影響。也有評論者認為，33.74條中的文字表述欠準確，比如“engine”應修改為“any of the engine main rotating systems”，“likely to occur”應修改為“and in the flight conditions expected to occur”。還有評論者認為應該將“typical installation”刪掉，因為這是針對所有安裝制定的要求。FAA接受了上述修改意見。

在進一步討論中，有評論者指出應該刪除“for any reason”這一表述或者對這一表述解釋清楚。因為如果安裝了轉子鎖定裝置，這個條款就要求在轉子鎖定裝置失效的情況下還要滿足條款的要求。FAA表示，該條款的初衷并沒有考慮轉子鎖定裝置的失效，因此FAA保留了“for any reason”這一表述，同時對“for any reason”這一表述進行了補充和解釋，仍然包含了使發動機停車的所有因素。

有評論者指出，應該刪除“hazard to the aircraft”這一表述，用更明確的標準來代替。FAA接受了這一建議，通過引用33.75條使安全標準更加明確。這個標準能夠在發動機這一級別進行評估，不需要安裝在飛機上再進行評估。

還有一位評論者提出，應該確定轉子不平衡的持續轉動狀態下，飛機/發動機接口處的負載并提交給發動機型號合格審定，但是FAA不同意這個觀點。FAA認為，這個建議超出了該條款的制定范圍，因為該條款僅僅涉及發動機持續轉動特性，并不涉及各種發動機負載情況下飛機的結構要求，而且該建議并沒有給出任何評價飛機/發動機接口處負載的標準，這個標準只有在考慮整個飛機的時候才能進行評估。

FAA綜合各方面的意見和建議，在第33-17號修正案中正式頒布了33.74條[8]。

2.2 第33-24號修正案

在2006年，由于對33.75條中的危害性發動機后果進行了比較大的修改，因此33.74條中對33.75條的引用也需要同步進行修訂。GE公司提出，應該在33.74條中引入對于危害性后果可接受的概率范圍，與33.75條保持一致，但是FAA并不同意上述觀點。FAA認為，對33.74條的修訂僅限于對33.75條中危害性發動機后果的引用，也就是33.75(g)(2)(i)目到33.75(g)(2)(vi)目。因此，在第33-24號修正案中，對涉及到的33.75條引用的內容以及33.74條中的文字進行了修訂[9]。

3 FAR 33.92條

FAR 33.92條針對發動機轉子鎖定裝置的試驗提出了要求。

3.1 第33-6號修正案

對發動機轉動控制的要求體現在FAR 25部中，這樣就將要求適用的對象限制為運輸類飛機。FAA認為，基本的風車規定應該適用于為所有飛機裝配的發動機。NPRM 71-12中指出，轉子或者滿足在沒有滑油的情況下進入風車狀態的要求，或者具備停止轉子風車轉動的措施，同時還提出要開展風車試驗[10]。

有評論者表示，對于單發飛機來說33.92條并不是必要的，3個小時的時間可能并不符合實際情況。當發動機在飛行軌跡的一個關鍵點上發生失效，應根據推薦的飛行技術確定時間和轉速。當然也有評論員對于沒有滑油條件下3個小時的備降時間持懷疑態度。FAA認為，在審定期間不可能清楚了解每一臺發動機最終的使用情況，因此需要建立一個通用的標準來表明在發動機在可能遇到的常見的、典型的飛行軌跡下具備一定的安全性。3個小時的時間確實能夠代表一個預期的飛行軌跡所需要的時間，保持無滑油的風車狀態3個小時也是可能的。

也有評論者提出，在軸承凍結的情況下要求發動機風車轉速降低或者發動機停止轉動，FAA對此表示了認可。還有評論者指出，并沒有足夠的經驗表明有必要開展這些試驗，如果符合這個條款則意味著發動機審定的時候就需要開展飛行試驗。FAA認為使用經驗表明有必要開展這些試驗，同時也指出飛行試驗并不是必須的。FAA在第33-6號修正案中，正式提出了33.92條“風車試驗”[11]。

3.2 第33-10號修正案

在33.92條頒布后發現，上述條款應用到亞音速飛機的渦輪發動機合格審定時，給發動機制造商增加了不必要的負擔。經過了多年的使用后，沒有事故報告指出發動機在沒有滑油的情況下的風車狀態會導致飛機災害性的后果。因此，有評論者建議刪除33.92(a)款中對亞音速發動機的要求。但是，也有評論者對此產生質疑，他們建議保留現有的條款，這樣可以對發動機風車狀態下使用故障的缺失進行解釋，但是FAA并不同意。大多數正在服役的發動機的審定基礎在33.92條頒布之前已經確定，但是多年的服役過程中沒有出現風車狀態導致危害性事故的報告。因此對于亞音速發動機來說，已經不需要進行風車狀態的試驗了。但對于超音速發動機來說，仍然需要進行風車狀態的實驗，因為超音速發動機風車狀態的轉速比亞音速發動機要高出很多，所以需要在33.92(a)款中對超音速發動機進行要求。

在討論過程中，也有評論者要求申請人提供證據表明發動機在沒有滑油的風車狀態下不會對飛機造成危害。FAA同意這個觀點，同時也為了與33.23條和33.77條保持一致，對33.92(a)(2)項和33.92(a)(3)項進行了修改，進一步明確了bursting的具體含義以及對33.23條中極限載荷的引用。在第33-10號修正案中對33.92條進行了修訂[12]。

3.3 第33-17號修正案

33.92條經過第一次修訂后，要求對安裝在超音速飛機上的發動機進行風車試驗的同時，還需要對渦輪發動機轉子停轉和鎖定設備進行持久性試驗。在NPRM 95-3中，有評論者建議刪除33.92(a)款中的試驗要求，同時澄清關于轉子停轉和鎖定設備持久試驗的要求，并且使之適用于所有安裝此設備的渦輪發動機[7]。

刪除33.92(a)款的建議是基于世界上僅有的超音速商務運輸機的服役經驗。英法兩國的協和號超音速客機自從1974年以來，經歷了一些在超音速飛行條件下發動機空中停車的事件。在這些事件中，由于氣動阻力的影響以及推力的損失，飛行速度很快降低到亞音速的水平。因此，開展超音速發動機的風車試驗是沒有必要的。

由于刪除了33.92(a)款，因此將33.92(b)(1)項變為新的33.92(a)款，同時在33.92條中要按照發動機使用說明的規定操作停止和鎖定轉子的裝置。為了進一步明確耐久性的含義，要求轉子在承受該狀態下持續飛行可能引起的最大扭矩的情況下，每一次鎖定后必須在這些狀態下保持靜止5分鐘。即使這樣，條款中也沒有對如何開展這些試驗提供足夠的信息，只是通過增加5分鐘的時間來確定系統的耐久性。根據上述建議，在第33-17號修正案中對33.92條進行了修訂，同時將條款名稱改為“轉子鎖定試驗”[8]。

4 符合性驗證要求概述

4.1 發動機轉動控制符合性要求

1)如果不能完全停止渦輪發動機的轉動，那么應該表明，無論是風車狀態還是可控的持續轉動狀態，或者是渦輪發動機停車，不會導致：

(1)動力裝置(包括發動機和附件)結構損傷對發動機或者飛機結構產生不利影響；

(2)可燃液體進入火區或者點火源；

(3)對飛機氣動和結構完整性產生不利影響的振動模式。

2)在所有飛行條件下，除非持續轉動將導致1)中的任何一種狀況出現，用來控制渦輪發動機轉動的螺旋槳、制動器或者其他方法并不需要使發動機完全停止轉動。

3)如果通過發動機進氣系統進氣門、轉軸或其他類型的制動器來控制發動機的轉動，除非有補償的特征保證發動機失效或者臨界的運行條件不會出現，發動機轉動控制系統的單一故障或者失效不應該引起進氣門關閉或者制動器失靈。

使用經驗已經表明，渦輪發動機的持續轉動不會對飛機產生危害性影響，所以近些年設計的渦輪發動機并沒有采用停轉裝置來滿足這個條款的要求。但是，隨著寬弦風扇葉片的應用，不平衡量的增大導致不平衡載荷的增加，需要關注發動機不平衡振動與飛機的相互作用，評估發動機不平衡振動對機體結構的影響。

4.2 持續轉動符合性要求

1)持續轉動可能是由于風車或者由于機械作用引起的，可以通過試驗或者分析的方法表明對33.74條款的符合性，并考慮典型的飛機安裝條件對發動機的影響。

2)空中停車以后，對于發動機的工作條件及其最大工作時間的分析，應該考慮所有預期使用該發動機的飛機，如旋翼機、亞音速飛機以及超音速飛機等。

3) 需要考慮但不限于以下條件：

(1)發動機滑油完全流失；

(2)由于葉片脫落和葉片脫落導致的轉子損傷引起的不平衡振動。

應當結合上述條件以及發動機單發停車后的飛行包線考慮持續轉動的時間。

4)建立經過驗證的發動機模型，在整個飛行包線范圍內，通過分析、試驗或者兩者相結合的方法，確定發動機葉片脫落和葉片脫落對轉子造成損傷之后，轉子的不平衡量和發動機持續轉動的速度，以及施加在發動機/飛機截面上的情況，并在發動機安裝文件中提供相關的信息。

4.3 轉子鎖定裝置符合性要求

1)如果不能滿足持續轉動的要求，申請人可以選擇在發動機型號設計中增加轉子鎖定裝置。當發動機在空中不工作時，使用該裝置可以停止并防止發動機轉子繼續旋轉。該裝置是發動機型號設計的組成部分之一，應該與發動機上的其他部件一樣，滿足相同的試驗標準。此外，當發動機處在最大旋轉扭矩的工作條件時，轉子鎖定裝置應該滿足33.92條款規定的工作規范和耐久性試驗規范。最大旋轉扭矩的評估應該考慮發動機轉子有損傷和無損傷這兩種情況。

2)有轉子鎖定裝置的發動機停車后，由于轉子鎖定裝置失效而持續轉動，這樣不滿足33.74條款的要求。所以，應該按照33.75條款的要求，評估轉子鎖定裝置所有可能的失效模式，應該考慮飛行中轉子鎖定裝置非指令性或者無意起動的情況。

3)因為轉子鎖定裝置的預期使用頻率很低，所以該裝置應該設計成在發動機正常的工作條件下，其性能的退化不會超出其使用限制，也就是仍然能夠保證發動機停車后啟動時完成其預定的功能。

4)為了重新起動發動機，轉子鎖定裝置應該設計成能夠使機組解鎖發動機轉子。如果重新起動失敗，機組應該能夠重新鎖定發動機轉子。

5)應該考慮進氣溫度和發動機外表面溫度對轉子鎖定裝置的影響。

5 結論

本文全面闡述了25.903(c)款、33.74條和33.92條的制定背景、修訂歷史和技術要求，詳細分析了條款對應的每一個修正案和修訂原因，初步提出了三個條款對應的符合性驗證要求。

如果持續轉動會危及飛行安全，25.903(c)款要求必須具備停止任意一臺發動機轉動的措施，與此同時，停轉系統的每一個部件必須是耐火的。因此，25.903(c)款是從動力裝置的角度提出對發動機持續轉動的安全性要求，其安全性目標與33.74條是一致的。所以，發動機制造商可以直接為飛機制造商提供相關信息以減少飛機制造商關于25.903(c)款的符合性驗證工作。

33.74條款要求渦輪發動機的持續轉動不會導致非包容的高能碎片、客艙產生有毒氣體、不可控推力和火情、安裝系統失效或螺旋槳脫開，也就是說，33.74條從持續轉動對渦輪發動機失效影響的角度進行了約束。如果發動機型號設計包括轉子鎖定裝置，除了需要滿足發動機上的其他部件需要滿足的試驗標準之外，還應該滿足33.92條的提出的工作和耐久性要求。

[1] 王占學, 王永杰, 喬渭陽, 等. 渦輪發動機低轉速部件特性擴展和風車狀態性能模擬[J]. 推進技術, 2006, 27(2): 146-150.

[2] 白杰. 運輸類飛機適航要求解讀第4卷：動力裝置[M].北京: 航空工業出版社, 2013.

[3] Federal Aviation Administration. Final Rule Recodification and new Part 25 [Z]. U.S.Department of Transportation, November 4, 1964.

[4] Federal Aviation Administration. Final Rule Transport Category Airplane Type Certification Standards [Z]. U.S.Department of Transportation, April 1, 1970.

[5] Federal Aviation Administration. Final Rule Airworthiness Review Program, Amendment No.4: Powerplant Amendments [Z]. U.S.Department of Transportation, March 10, 1977.

[6] Federal Aviation Administration. Final Rule Transport Category Airplanes: Technical Amendments and Other Miscellaneous Corrections [Z].U.S.Department of Transportation, February 20, 1998.

[7] Federal Aviation Administration. Notice of Proposed Rulemaking Airworthiness Standards: Windmilling and Rotor Locking Tests, and Vibration and Vibration Tests [Z]. U.S.Department of Transportation, February 22, 1995.

[8] Federal Aviation Administration. Final Rule Airworthiness Standards: Windmilling and Rotor Locking Tests, and Vibration and Vibration Tests [Z]. U.S.Department of Transportation, May 29, 1996.

[9] Federal Aviation Administration. Final Rule Airworthiness Standards: Safety Analysis [Z]. U.S.Department of Transportation, August 27, 2007.

[10] Federal Aviation Administration. Notice of Proposed Rulemaking Aircraft and Aircraft Engines: Proposed Certification Procedures and Type Certification Standards [Z]. U.S.Department of Transportation, April 26, 1971.

[11] Federal Aviation Administration. Final Rule Aircraft and Aircraft Engines: Proposed Certification Procedures and Type Certification Standards [Z]. U.S.Department of Transportation, September 20, 1974.

[12] Federal Aviation Administration. Final Rule Aircraft Engine Regulatory Review Program: Aircraft Engine and Related Powerplant Installation Amendments [Z]. U.S.Department of Transportation, December 16, 1983.

Research on Airworthiness Requirements for Civil Aero Engine Continued Rotation

(Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

CCAR Part 25 presents a requirement for aero engine continued rotation which states that the continued rotation of aeroengine could not jeopardize the safety of the airplane. Based on the requirement of 25.903(c) and compared with 33.74 and 33.92, airworthiness requirements to aero engine continued rotation were analyzed from contents, background, amendments and technology. Method of compliance demonstration for continued rotation is analyzed from engine certification and airplane certification. The result shows the paper can provide a reference for industry to understand the regulation, and support for the type certification of CAAC.

civil aero engine; continued rotation; airworthiness

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.021

V23

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