PW1100G發動機LPT3葉片斷裂風險評估與強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.上海工程技術大學航空運輸學院，上海201620；3.南京航空航天大學民航學院，南京210106）

0 引言

渦輪葉片是航空發動機非常關鍵的熱端零件之一，其工作狀況直接影響發動機可靠性、安全性和燃油消耗率等。截至2019 年11 月，全球裝有PW1100G發動機的A320neo 機隊中，共發生42 起因更新材料后第3 級低壓渦輪葉片（LPT3 葉片）斷裂導致的空中停車、返航或中斷起飛等事件。其中中國機隊南航7起，1 起空停；川航 1 起空停；國航 1 起返航[1-3]。事件頻發后，PW 和空客公司分別作為發動機和飛機的制造商發布糾正措施，主審國局方也制定強制糾正措施（見第3 章），但LPT3 葉片斷裂故障仍時有發生，這為上海適航審定中心對機隊的安全監控提出挑戰。對于引進機型的機隊安全監控，中國作為登記國局方，通常做法是直接使用主審國局方發布的強制糾正措施，若不安全狀態仍未解決，則運行國局方在監控和評估機隊安全時面臨許多困難。首先，缺少引進機型的安全性數據和全球機隊運行大數據[4]，在機隊風險評估方面需要創造新方法對已有數據充分挖掘利用，一般的風險評估方法無法滿足需要[5]；其次，缺乏對設計特征細節掌握[6]，在分析根原因[7-8]和糾正措施[9]時，需要獲得制造商、局方和航空公司支持；還有如何進行具體的風險評估結合根原因、糾正措施選項的分析，形成適合中國機隊的措施方案，沒有案例可供借鑒。

國內外學者近年對風險評估開展了大量研究。孫纓軍等[10]詳細闡述持續適航過程及方法，為航空產品實際風險評估提供重要方法；Bao 等[11]開展控制系統風險評估，為發動機安全運行提供有力支持；Mill?water 等[12]綜述機體結構數字孿生所需的概率風險評估流程；Yang等[13]提出基于概率密度演化的數值積分方法，用于提高評估發動機渦輪盤風險準確性和效率；Violette 等[14]采用結構化的運輸飛機風險評估方法（Transport Airplane Risk Assessment Methodology，TARAM），確定分析中涉及的各參數，用于計算未糾正機隊風險；Everdij 等[15]采用TARAM 實現磨損類故障評估判定。這些方法需要大量的機隊運行數據，而這些數據都被外國公司牢牢控制，國內所得數據非常有限，國際上適航當局通常采用所有機隊的平均風險，不能針對不同機隊風險有效評估。

本文旨在基于有限的飛行小時數據并根據不同機隊的飛行小時和發生的事件識別機隊的風險及符合性時間計算，分析確定LPT3葉片斷裂根原因，并提出候選糾正措施，為不同機隊的風險水平決策提供指導。這次A320飛機LPT3斷裂事件的處理方法，旨在探索一種有效的對機隊安全監控的思路和方法。

1 中國機隊安全風險的評估

運輸飛機風險評估方法是一種基于事件數據開展概率風險評估的方法，用于判定運輸類飛機持續運行中的不安全狀態、評估后續緩解風險措施及其符合性時間期限，并為頒發適航指令的決策提供重要依據。

單機風險是1 架飛機的風險水平，用每飛行小時乘員遭受致命損傷的概率表示；而機隊風險評估本質上是對整個機隊單機風險的累計。

機隊風險影響因素（如圖1所示）包括：（1）在研究中的不安全狀況可能發生的次數（如該不安全狀況的統計期望）；（2）由于該狀況導致的嚴重后果的條件概率（該不安全狀況會導致已知嚴重度的后果的概率）；（3）后果的嚴重度，即如果在規定的時間里沒有采取糾正措施時的權重結果或預期的死亡人員的數目[16-17]。

圖1 機隊風險影響因素[16-17]

當單機或機隊出現不安全狀態后，評估其實際風險。若風險較高，需在較短期限內采取糾正措施；若風險較低，允許在相對較長期限內采取糾正措施。這一時間期限是機隊風險符合性限定的時間期限。英國民航局統計表明，每個機型災難性事件的實際風險容許值一般為整個風險目標每飛行小時1×10-7的1/4，即每飛行小時0.25×10-7（基本設計風險為整個風險目標的3/4，即每飛行小時 0.75×10-7）[18]。統計數據表明，對每個機型的單架飛機來說，在整個壽命期內，這種事件不超過10 次[10]，則每個事件的風險容許量模型如圖2所示。

圖2 災難性失效的風險容許量模型[10，18]

那么，假設飛機設計壽命為60000 飛行小時，每次失效發生時，其產生災難性事件的風險為：△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 家公司引進了配裝PW1100G發動機的A320neo 飛機，截至 2019 年 11 月 ，機隊的發動機小時數統計如圖3 所示。

圖3 中國機隊發動機飛行小時數

為準確了解和管理各機隊的實際風險，目前有一些全球受影響機隊的區間統計數據，因南航機隊的發動機小時數和事件數較多，在分析時將中國機隊分為南航機隊和其他機隊，采用基于時間段和比例的方法計算了受影響機隊的總風險、南航受影響機隊的風險和其他受影響機隊的風險，并確定了各受影響機隊的措施符合性時間期限，為下一步緩解風險并制定適合中國機隊的糾正措施提供了基于時間要求的框架。

（1）受影響機隊總風險。

式中：RI為機隊單發空停失效的風險；n為事件次數；E為發動機飛行小時。

從式中可見，最近1個月區間整個配裝PW1100G發動機的A320neo機隊發生的事件次數為10，全球機隊年發動機小時數為2.387×106，裝有更新材料后LPT3的發動機比例為72%。

總的符合性時間期限按照災難性失效的風險容許量模型為

式中：△R為每次災難性事件發生的容許風險；RD為此次LPT3葉片斷裂造成雙發停車的風險。

（2）南航受影響機隊風險。

根據調研數據，按機隊運行事件和事件比例評估南航機隊風險和事件期限分別為

式中：RCSAI為南航機隊單發空停失效的風險；nCSA為南航事件次數；nC為中國機隊事件總次數；EC為中國機隊發動機飛行總小時數；ECSA為南航機隊發動機飛行小時數。

則南航機隊雙發停車的概率為

式中：RCSAD為南航機隊雙發空停失效的風險；TCSAP為南航機隊符合性時間期限。

（3）其他受影響機隊風險。

式中：ROI為其他機隊單發空停失效的風險；ROD為其他機隊雙發空停失效的風險；nO為其他機隊事件次數；EO為其他機隊發動機飛行小時；TO為其他機隊符合性時間期限。

機隊風險水平如圖4 所示。從圖中可見，由于PW1100G 發動機LPT3 葉片損傷導致2 臺發動機停車帶來的整個機隊的災難性風險為4.87×10-9，超過了可接受的安全風險水平，南航機隊由于發生的斷裂次數較多，其機隊風險更是達到了1.64×10-8，應分析根原因并參考相應的符合性時間期限制定糾正措施，緩解機隊風險。

圖4 機隊風險水平

2 根原因分析

根據PW 公司的調查分析和去南航的調研發現，PW1100G 發動機的渦輪中間機匣活塞封嚴（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（質量很輕但抗拉和抗沖擊強度不夠）的LPT3 葉片在離心載荷下抗撞擊能力不足，受到撞擊時會斷裂[19-21]。

圖5 封嚴環磨損斷裂造成LPT3葉片受損

而機匣變形[22]是引起活塞封嚴磨損的主要原因之一。在爬升推力未減小的情況下，統計分析表明飛機爬升時發動機處于92.7%高壓轉子轉速附近，在此轉速下，振動會導致渦輪中間機匣彎曲，造成活塞封嚴磨損加劇，從而使活塞封嚴部分材料斷裂脫落風險增加，撞擊下游的LPT1、LPT2或者LPT3葉片。

此外，通過對發生LPT3 葉片斷裂發動機的小時數進行分析對比發現，15 起事件的發動機自新使用時間（Time Since New，TSN）在2500 飛行小時以內，其中空停5 起；推斷此故障根原因的影響因素與飛行小時數非正相關，主要還是由于機匣變形引起的活塞封嚴磨損。在起飛階段未減推力、N2=92.7%時導致某些機匣部件發生共振，造成渦輪中間機匣變形。已有跡象表明，起飛階段未減推力運行以及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。

通過調查發現，起飛階段未減推力的情況一般僅分布在亞洲機隊，且影響程度和不同機隊的起飛操作習慣相關，因此在制定措施時不按構型區分方式，而是計算不同機隊風險并由此采取不同機隊的針對性措施。

3 基于機隊風險的強制糾正措施決策

各國局方基于所轄地區機隊受影響的情況及對風險和根原因的認識，均擬制定相關的糾正措施，用以緩解全球在役機隊風險。

美國聯邦航空管理局（FAA）作為PW1100G 發動機主審當局，計劃頒布針對發動機的強制糾正措施，要求在規定的時間期限內更換LPT3 葉片[20]。此外，還計劃對所有未改裝LPT3葉片的發動機在下次進廠時更換改裝。

歐洲航空安全局（EASA）作為A320neo 的主審當局，針對配裝PW1100G 的A320 飛機頒布AD 2019-0304R1，要求未去偶的飛機在3 個月內去偶，已經去偶（更換不受影響發動機）或雙發不受問題影響的飛機必須至少保持去偶[21]。

FAA作為發動機主審當局，需解決發動機的安全問題，其計劃的強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，措施的符合性時間較長，并未考慮和評估機隊安全問題，廠家服務通告（Service Bulletin，SB）發布后，LPT3葉片斷裂仍時有發生。而EASA 作為飛機主審當局，著眼于全球機隊，僅從緩解風險的角度給出了措施，并未針對解決根原因給出強制措施，且歐美機隊和亞洲機隊受未減推力的影響不同，出現斷裂故障的頻率也不同，即安全風險也不同。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隊安全風險水平的要求（中國未減推力爬升風險高于歐美均值）。

基于深入航空公司的根原因[10]的調查和認識，從技術上分析能夠緩解飛機雙發停車風險的候選措施有以下幾種：

（1）減推力爬升改裝（更改發動機運行的操作規程）。通過減小N2達到92.7%的概率，從而減小因機匣變形導致封嚴環加劇磨損的影響。

（2）發動機去偶安裝。去偶安裝并不能減小發動機的空中停車概率，但在同一架飛機上混裝不受此問題影響的發動機，可以有效降低飛機雙發停車的風險。

（3）發動機孔探檢查。在初始設計中，活塞封嚴磨損很小，一般在發動機大修時檢查或更換。LPT3葉片斷裂事件發生后，調查發現是由于渦輪中間機匣導致封嚴磨損較大，其碎片造成LPT3 葉片斷裂。因此，在發動機大修前可以通過孔探檢查封嚴材料的磨損量，發動機提前更換，降低LPT3葉片被撞擊斷裂的風險。

（4）LPT3 葉片改裝。將鋁基鈦合金LPT3 葉片改裝為鎳合金葉片，增強抗撞擊能力，減少斷裂的風險，改裝后發動機不再受斷裂問題影響。

（5）活塞封嚴改裝。給活塞封嚴鍍層，提高耐磨性，改裝后運行沒有出現脫落情況。

根據對中國機隊的風險評估和上述候選措施的分析，為精準解決機隊的安全問題，并最大程度保證機隊正常運行，分別對南航機隊和其他機隊考慮適合的糾正措施和時間期限，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的磨損；措施（2）實際是1 種限制運行措施，能夠有效緩解雙發停車風險，與措施（1）互為補充，共同降低風險；措施（3）通過調研，發現PW 公司給出的孔探間隔和磨損量標準有些矛盾，納入局方強制糾正措施可能會產生爭議；上海適航審定中心已決定頒發相應的中國適航指令（Chinese Airworthiness Directive，CAD），將措施（4）作為1 種緩解風險的手段；措施（5）的技術還不成熟。因此，針對南航機隊，為了減小機匣變形導致封嚴環加劇磨損的概率，減緩封嚴環斷裂風險，要求按時間期限完成減推力爬升改裝；為降低在LPT3 葉片改裝期間發生雙發停車，要求南航機隊在完成減推力爬升改裝后實行發動機去偶運行。

針對其他機隊，主要采用減推力爬升改裝和發動機去偶運行的措施，由于風險不同，對于減推力爬升改裝和發動機去偶安裝的時間期限要求有所不同，以契合航空公司實際情況，最大程度的保障機隊安全順暢運行。

4 結束語

本文針對引進機型的機隊安全問題，建立了1 套基于區間和比例的定量風險評估方法，并給出了1 個包括風險計算、根原因分析和基于機隊風險的強制糾正措施決策分析的組合技術應用案例。這種定量的分析不同機隊安全風險并根據機隊風險制定糾正措施的思路和方法是一種創新的嘗試，不同于國外局方只計算整個機型機隊風險，一般采用構型區分措施的方法。本套思路和方法給出的風險分析和措施決策是在傳統方法的基礎上，提供了比較精準的機隊風險區間、比例定量評估方法和針對性的改正改進措施，適用于處置一些比較復雜的機隊安全問題，既確保了安全，又能保障不同機隊經濟、順暢地運行。

單邊適航指令發布后，LPT3 葉片斷裂風險得到了有效控制。這也是中國首次在單邊適航指令制定中采用機隊風險評估與根原因分析、糾正措施決策結合的典型案例，為未來引進機型乃至國產民機機隊的持續運行安全管理提供了1套可借鑒的方案。