民用飛機含高能轉子的設備適航符合性驗證方法研究

華振

【摘 要】本文介紹了§25部適航條款中對民用飛機含高能轉子的設備的要求，研究了含高能轉子的設備的符合性方法和驗證思路，提出了基于轉子包容性試驗對含高能轉子的設備進行驗證的一種方法，設計了試驗程序和試驗判據，通過在某型民用飛機適航取證的實踐，表明該方法合理有效，能夠支持民用飛機含高能轉子設備的適航符合性驗證。

【關鍵詞】民用飛機；高能轉子；轉子包容性；適航符合性驗證

0 前言

含高能轉子設備的安全性是民用飛機設計的重要考慮，其適航符合性驗證也越來越受到適航當局的重視。

1958年5月，FAA運輸類飛機規章修正案（CAR）4b-8中以§4b.659首次提出了當飛機裝備含高能轉子的設備時，必須采取合適的保護措施，并應演示在其失效時的包容性或不會對飛機持續飛行的安全性產生影響。1962年，在FAA航空運輸指南（CAM）修正案4b-12中以§40.606的覆蓋了所有設備的安裝可靠性要求，代替了4b.659。大量的經驗表明，含高能轉子設備的失效可能釋放的能量可能導致發動機或飛機的結構損壞、著火或者系統部件損傷，因此FAA在1975年以修正案25-41加入了新的章節§25.1461正式作為獨立的適航檢查項目。

1 適航要求

§25.1461對含高能轉子的設備要求是：

（a）含高能轉子的設備必須符合本條（b）或（c），或（d）的規定。

（b）設備中的高能轉子必須能承受因故障、振動、異常速度和異常溫度引起的損傷。此外還要滿足下列要求：

（1）輔助轉子機匣必須能包容住高能轉子葉片破壞所引起的損傷；

（2）設備控制裝置、系統和儀表設備必須合理地保證，在服役中不會超過影響高能轉子完整性的使用限制。

（c）必須通過試驗表明，含高能轉子的設備能包容住高能轉子在最高速度下發生的任何破壞（當正常的速度控制裝置不工作時能達到的最高速度）。

（d）含高能轉子的設備必須安裝在轉子破壞時既不會危及乘員，也不會對繼續安全飛行有不利影響的部位。

2 符合性方法分析

2.1 高能轉子的定義

AC29-2B指出了高能轉子的設備安裝要求。高能轉子是指當失效時具有充分動能對周圍結構、線纜和設備產生破壞的旋轉部件。AC25-22例舉了含高能轉子的設備包含起動機、空氣巡航壓縮機、空氣驅動液壓泵、設備冷卻風扇、再循環風扇、高速電動液壓泵等。

2.2 符合性驗證思路

根據§25.1461（a）的總述，須選擇（b）、（c）、（d）條中的一條進行符合性驗證。§25.1461 （b）條關注損傷容限、包容性和控制裝置；§25.1461 （c）條關注包容性和失效轉速控制；§25.1461 （d）條主要關注設備安裝位置。

若選擇驗證§25.1461 （b）條，可通過設計和試驗分析來演示符合性。失效模式、影響分析及應力計算可與動態試驗聯合進行，以驗證高能轉子可承受環境一切因素造成的損傷、轉子機匣可以承受從轉子軸上分離出的任何破片并且控制設備有能力防止超限發生。

若選擇驗證§25.1461 （c）條，必須通過試驗驗證高能轉子在控制裝置不工作時，其最高可達轉速下任何形式的失效都可被包容。該包容性必須不損害安裝在周圍的、對繼續飛行的安全性產生重要影響的部件、系統和結構。

若選擇驗證§25.1461 （d）條，必須說明高能轉子安裝在合適的區域，使其失效后擊出的碎片不會破壞其他對繼續飛行的安全產生重要影響的部件、系統或結構；同時非包容碎片不會進入座艙和乘客所在的區域。

3 符合性驗證實例

在某型渦扇民用運輸機的適航取證中，選擇條款§25.1461 （c）為目標，使用基于轉子包容性試驗的方法對其發動機空氣渦輪起動機進行含高能轉子的設備進行符合性驗證。以下是該機的實例分析。

3.1 設計描述

某型民用飛機發動機起動系統由空氣渦輪起動機和空氣起動閥組成。空氣渦輪起動機由一個單級渦輪構成，起動機的最大連續轉速為12962rpm，最大峰值轉速為15122rpm。空氣起動閥是一個彈簧壓力負載的電控空氣作動閥，設計在關位，空氣氣動閥打開時可提供來自于空氣管理系統的壓縮空氣使空氣渦輪起動機轉動，通過AGB傳動帶動發動機壓氣機，空氣起動閥關閉時可切斷空氣渦輪起動機的氣源，停止其自由轉動。

空氣渦輪起動機安裝在AGB的前端，發動機5點鐘的位置，空氣氣動閥安裝在起動管上。

3.2 試驗驗證

某民用飛機發動機的空氣渦輪起動機對§25.1461 （c）的符合性通過轉子包容性試驗來驗證，該試驗分為兩類：徑向包容性試驗和軸向包容性試驗。兩類試驗均使用一個鋁制護罩包圍在起動機系統試驗件的周圍，在破裂和包容發生后，通過檢查該鋁制護罩是否受損來驗證起動機對高能轉子碎片的包容能力。

3.2.1 徑向包容性試驗

參考AC20-128A，徑向包容性試驗演示當運行在起動機最大自由轉速時，起動機能夠包容起動管內所有1/3轉盤碎片破裂的能量。主要方法如下：

（1）計算分析得到正常構型起動機渦輪盤1/3碎片的破損能量；

（2）特制試驗渦輪盤，確保其破碎后傳遞到包容環的能量總量比計算分析得到的1/3起動機渦輪盤碎片更大；

（3）試驗渦輪帶狹槽缺陷，演示即使在起動機渦輪被削弱的情況下，依然不會以1/3碎片的形式破裂；

（4）試驗中，試驗渦輪需至少達到與渦輪破裂能量相匹配的15631rpm的轉速。實際試驗中，轉子在15800rpm的轉速下發生了破裂和包容，超過了最低要求。

3.2.2 軸向包容性試驗

軸向包容性試驗演示起動機在最高自由轉速運行時，能夠包容通過模擬渦輪軸承失效而產生的高能轉子破裂碎片，主要方法如下：

（1）試驗中采用受損的軸承和產品構型的渦輪；

（2）試驗中渦輪軸無負載，以使轉子達到最大自由轉速；

（3）當軸承失效時，渦輪盤達到16000rpm的轉速，發生破裂和碎片包容。

在某型民用飛機發動機的起動機高能轉子的徑向和軸向包容性試驗中，所有的高能轉子碎片均以鋁制護罩不受損為證據通過了適航當局的驗證。

4 結論

本文研究了§25.1461“含高能轉子的設備”條款的適航符合性思路，提出了基于轉子包容性試驗的方法對§25.1461條款進行驗證，使用該方法在某型民用運輸機的取證工作中成功地進行了實踐和演示，結果獲得適航當局認可，能夠用于該條款的適航符合性驗證。

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[責任編輯：楊玉潔]