民機系統發動機轉子爆破特定風險分析方法

司馬駿 / Sima Jun

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

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民機系統發動機轉子爆破特定風險分析方法

司馬駿 / Sima Jun

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

基于美國聯邦航空局咨詢通告給出的發動機非包容轉子爆破特定風險安全性評估指南，提出了一種簡單易用的發動機非包容轉子爆破安全性分析方法。建立了簡化的轉子碎片碰撞角度計算模型，以確定受轉子碎片影響的系統部件；改進了失效部件組合檢查單，提高分析工作效率，并確定轉子碎片對系統的安全性影響。相比于傳統分析方法，簡化了轉子爆破風險安全性分析過程，減少了分析工作量，適用于飛機系統研制初期對轉子爆破風險的危害性進行保守性評估，以指導系統架構優化設計。

安全性分析；民機系統；發動機轉子爆破；特定風險

0 引言

民用飛機系統架構設計與安全性分析是一個重復迭代的過程，特定風險分析是安全性分析工作的一部分[1]。特定風險是指可能導致飛機及其系統功能失效，影響飛機運行安全的外部事件或因素[2]。發動機非包容轉子爆破是民用飛機運營過程中典型的特定風險事件，雖然發生的概念很小，但一旦發生通常會對飛機安全性產生嚴重影響。民用飛機適航取證過程中會關注針對發動機轉子爆破展開的安全性分析與設計，中國運輸類飛機適航標準CCAR 25第903(d)(1)條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]。

美國聯邦航空局FAA于1997年發布了咨詢通告AC 20-128A，為非包容轉子爆破特定風險的安全性分析與設計提供指南，包括降低轉子爆破危害的設計措施、轉子爆破安全性分析方法以及可接受的剩余風險值[4]。AC 20-128A給出的轉子爆破分析方法可靠有效，在民用飛機安全性分析與設計中得到了廣泛應用。

民用飛機系統研制初期，系統架構設計不盡完善，采用AC20-128的建模方法難以對轉子爆破進行準確建模。此外，AC20-128提供的安全性分析過程較為復雜且工作量大。本文基于AC20-128給出的轉子爆破安全性分析指南，給出了一種簡化的發動機非包容轉子爆破風險安全性分析方法，旨在對民用飛機系統研制初期的轉子爆破風險進行初步的保守性評估，指導系統架構優化與改進。該方法首先通過建立簡化的轉子爆破碎片碰撞角度計算模型，來確定受影響的系統部件及其碰撞角度范圍。其次，基于受影響的部件和碰撞角度數據，建立一種簡單直觀的失效部件組合影響檢查單，用于分析不同失效部件組合對系統造成的危害等級。

1 轉子碎片碰撞角度計算模型

分析轉子碎片對飛機系統造成的危害，首先需建立轉子碎片碰撞角度計算模型，以確定轉子沿任一可能路徑飛出時，與碎片發生碰撞的系統部件以及碰撞角度范圍。轉子碎片飛散角如圖1所示。

1.1 轉子碎片掃描路徑建模

當發動機發生轉子爆破時，意味著發動機某些輪盤或葉片斷裂，產生不同尺寸碎片，這些碎片具有不同能量，并沿不同的飛散角飛散出來。碎片飛散角是指從單級轉子旋轉平面中心向前和向后所測量的角度，如圖1所示。此外，碎片可能沿發動機轉軸0°～360°任一角度飛出，碎片碰撞角度為碎片與部件發生碰撞時的飛出角度，定義為φ，如圖2所示。

圖1 轉子碎片飛散角示意圖

為了簡化轉子碎片掃描路徑模型，做以下保守性的建模假設：

(1)轉子爆破時只有一塊碎片飛出，且碎片具有很大能量，可穿透碰撞到的部件，且不會改變軌跡方向；

圖2 轉子碎片碰撞角示意圖

(2)碎片飛出路徑的寬度為碎片飛散角范圍。

基于建模假設條件，建立碎片掃描路徑模型如圖3所示，碎片掃描模型可沿轉子軸0°～360°旋轉，其中掃描寬度為碎片飛散角Δr范圍，Δφ為碎片沿掃描路徑飛出并與目標物體發生碰撞時的角度范圍。

1.2 失效部件碰撞角度計算方法

碎片掃描模型沿轉子軸0°～ 360°旋轉，若某一部件被檢測到在某個角度與碎片發生碰撞，則保守性認為該部件喪失功能，即部件失效。失效部件與碎片碰撞角的具體計算方法為：

(1)碎片模型沿掃描方向運動，當碎片掃描路徑與該部件發生第一次碰撞時記下碰撞角度φ1，φ1定義為碎片與部件的碰撞進入角；

(2)讓碎片模型沿掃描方向反向運動，當碎片飛出路徑與該部件再次發生碰撞時記下碰撞角度φ2，φ2定義為碎片與部件的碰撞退出角；

(3)進一步根據碎片與部件的碰撞進入角、退出角，可計算碰撞角度范圍Δφ=φ2-φ1。

2 失效部件組合檢查單

根據轉子碎片碰撞角度計算模型，可找出所有失效部件及碎片碰撞角度，并確定失效部件檢查單，典型檢查單見表1。實際分析過程中，由于檢查單中的失效部件數量非常多，且不同失效部件的碰撞角會有重合區域(即碎片沿某一角度飛出時，會同時導致多個部件失效)，利用表1檢查單不能直觀判斷在任一碎片飛出路徑上所有的失效部件組合，大大降低了分析失效部件組合影響的工作效率。

表1 典型的失效部件檢查單

為了提高失效部件組合影響的分析工作效率，改進失效部件組合檢查單如表2所示。該檢查單將碰撞角度分為360等分，360個柵格依次代表1°～ 360°，并通過帶顏色的柵格(表2中黑色部分)來描述失效部件的碰撞角。例如，表中部件1的碰撞進入角與退出角分別為2°、5°，則將代表2°～ 5°的柵格填充為黑色。通過改進的檢查單可以很方便的開展失效模式分析工作，例如當碎片飛出角度為2°時，失效模式為部件1喪失；碎片飛出角度為3°時，部件1、部件3喪失；碎片飛出角度4°時，部件1、部件2、部件3喪失。

利用改進的失效部件檢查單，在1°～ 360°角度范圍內以1°角度為步長，逐個分析每個碎片飛出角度對應的失效部件組合，則可獲得轉子碎片可能導致的所有失效組合。

根據確定的所有失效組合，結合系統故障樹分析結果，可確定任一失效組合導致的系統級失效狀態，即對系統的危害。

3 分析方法應用

本節以民用飛機電傳飛行控制系統為例，進一步說明如何使用本文1、2節給出的轉子爆破分析方法開展安全性分析。

(1)檢查飛控系統失效部件

使用轉子碎片掃描路徑模型與碰撞角計算方法，找出所有與碎片發生碰撞的飛控系統部件，如通道1副翼作動器、通道2副翼作動器、通道3擾流板作動器等。

(2)獲得接口系統失效部件

飛控系統的功能運行還依賴于其他接口系統的正常工作，安全性分析中同樣需要考慮接口系統的故障狀態，如液壓系統、電源系統等。根據接口系統開展的轉子爆破安全性分析結果，獲得所有接口系統的失效部件。

(3)建立失效部件組合檢查單

根據(1)、(2)獲得飛控系統與接口系統失效部件，建立失效部件組合檢查單如表3所示。

(4)對飛控系統的危害性影響

為了保證系統安全性與可用性要求，飛控系統通常采用多余度配置，如左右兩塊副翼會采用四個獨立的作動器控制通道進行控制，每個通道使用獨立的液壓源與電壓源。對于每個獨立的控制通道，該通道任一部件失效(如作動器、液壓管路、供電設備等)均會導致該控制通道功能失效。

根據表3給出的檢查單，結合飛控系統故障樹分析結果，可得到檢查單中所有失效部件組合導致的飛控系統級失效事件，并得到轉子爆破對飛控系統的危害性影響等級見表4。

(5)系統架構改進的設計考慮

根據表4給出的轉子爆破對飛控系統的危害性分析結果，重點關注會對系統造成危險級或災難級的失效部件組合，并考慮采取部件防護、隔離等措施，改進系統架構，盡量避免多個余度通道的設備布置在轉子碎片同一飛出路徑上。

4 結論

本文給出了一種民機系統發動機轉子爆破特定風險安全性分析方法，建立了簡化的轉子碎片碰撞角度計算模型，并改進了失效部件組合檢查單。以民用飛機飛控系統為例給出了發動機轉子爆破風險的安全性分析過程，表明該分析方法簡單有效。

文中提出的分析方法旨在應用于民機系統研制初期，對初步定義的系統架構進行保守性評估。在飛機系統架構趨于完善的詳細設計階段，應考慮建立更精確的轉子碎片模型，在初期分析基礎上重點分析轉子碎片危害等級嚴重的失效組合，以保證系統架構設計符合安全性指標要求。

[1]SAE ARP 4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems [S]. America: The Engineering Society For Advancing Mobility Land Sea Air and Space, 2010.

[2]SAE-ARP4761 Guidelines and Methods for the Safety Assessment Process on Airborne Systems and Equipments[S]. America: The Engineering Society For Advancing Mobility Land Sea Air and Space, 1996.

[3]中國民用飛機航空局.CCAR-25-R4中國民用航空規章第25部：運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局，2011.

[4]Advisory Circular. AC20-128A Design Considerations for Minimizing Hazards Caused by Uncontained Turbine Engine and Auxiliary Power Unit Rotor Failure [S]. Boston：Federal Aviation Administration, 1997.

[5]FAR25-Part25-airworthiness standards: transport category airplanes[S].Boston：Federal Aviation Administration,2003.

[6]陳志達. 民航客機發動機轉子非包容性損壞分析[J]. 航空制造技術，2011,13：75- 79.

[7]艾玲英. 發動機轉子爆破碎片碰撞角度計算方法的研究[J]. 科技信息，2011,22：373- 374.

[8]李雪姣，付仁合. 航空發動機非包容性碎片的危害評估方法研究[J]. 裝備制造技術，2011,2：21- 23.

[9]黃慶南，張連祥，劉春華，等. 航空發動機轉子非包容頂層事件安全性分析與思考[J]. 航空發動機，2009，35(2)：6- 9.

Particular Risk Analysis Method of Engine Rotor Burst for Civil Aircraft System

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Based on the safety assessment guidance of uncontained engine rotor burst given in FAA advisory circular, an easy and convenient safety analysis method is proposed for engine rotor burst risk. A simplified fragment collision angle calculation model is established to check the system components affected by rotor fragment. An improved checklist for failure components is established to reduce human analysis workload and verify the rotor fragments’ safety effect on the aircraft system. Analysis process is simplified and workload is reduced compare to traditional rotor burst risk safety analysis method. The method is applicable to preliminary stage of civil aircraft system development, used for system hazards assessment caused by engine rotor burst risk and optimizing the system architecture.

safety analysis; civil aircraft system; engine rotor burst; particular risk

V231.96

A