經等效安全表明典型適航條款符合性的方法研究

鮑夢瑤，丁水汀，李 果，張建勇

(1.中國民航管理干部學院航空器適航審定系，北京100102；2.國際民航組織航行局運行安全科，蒙特利爾H3C5H7；3.北京航空航天大學飛機/發動機綜合系統安全性北京市重點實驗室，北京100191；4.中國民航天津監管局航空器生產監督處，天津300300)

1 引言

民用航空發動機投入市場運營之前，必須通過適航條款的符合性驗證，以表明滿足適航要求。然而隨著計算仿真和分析技術的發展以及適航規章對新技術要求的空缺或滯后，越來越多的制造商開始采用分析或其他可替代的符合性方法來表明條款符合性，即等效安全(ELOS)[1]。等效安全是指雖不能表明符合條款的字面要求，但存在補償措施并可達到相同的安全水平[2-3]。即允許申請人采用“替代驗證和補償措施”方法對符合性進行表明。該方法可在不影響發動機安全性的前提下降低其取證成本，提高取證效率，有利于發動機廠商爭奪競爭激烈的民用航空發動機國際市場。也因此，等效安全是適航審定中最為重要的審定基礎構成形式之一，在美歐民用航空發動機取證過程中應用極為廣泛[2]。

等效安全表明符合性的關鍵是，其采用的驗證方法及相應補償措施可證明與采用條款指明的符合性方法所期望的驗證結果具有相當的安全水平[2-3]。當前，我國民用航空發動機的發展尚處于起步階段，通過研究“替代驗證和補償措施”向審定方表明符合性的技術方法對我國民用航空發動機的發展具有雙重現實意義：一是為我國航空工業部門在型號合格審定中采用等效安全表明條款符合性提供參考，二是為我國適航審定部門確定審定基礎提供支撐。本文以具有代表性的GEnx系列航空發動機及取證難度較大的FAR-33.27條款“渦輪、壓氣機、風扇和渦輪增壓器轉子”為例，從條款要求出發，詳細剖析該系列發動機適航取證過程中采用等效安全表明條款符合性的技術方法。

2 FAR-33.27條款要求及GEnx系列發動機技術特征

2.1 FAR-33.27條款要求

FAR-33.27條款對民用航空發動機轉子部件結構完整性規定，申請人必須滿足[4]：

(a) 渦輪、壓氣機、風扇和渦輪增壓器轉子必須具有足夠的強度以便能承受本條款(c)款規定的試驗條件。

(b)除FAR-33.28條款要求之外的發動機系統、儀表和其他方法的設計和功能必須給予合理的保證，使影響渦輪、壓氣機、風扇和渦輪增壓器轉子結構完整性的發動機使用限制在使用中不會超出。

(c) 根據分析或其他可接受的方法確定的每個渦輪、壓氣機和風扇中經受最關鍵應力的轉子部件(除葉片外)，其中包括發動機或渦輪增壓器中的整體鼓筒轉子和離心式壓氣機，必須在文獻[4]中的相應條件下試驗5 min。

對于上述要求，條款的核心為(c)款，即應采用分析和超轉試驗的方法進行驗證。同時，在條款對應的AC 33.27-1[5]中，進一步明確給出推薦的符合性方法。其中，分析應從輪盤材料、結構、受載等方面著手，求得輪盤轉子級的破裂轉速與破裂裕度；試驗需從輪盤材料性能測試、輪盤超轉試驗或輪盤破裂試驗著手，驗證其對條款中所述超轉條件和通過準則的符合性，從而表明對該條款的符合性。需指出，轉子件超轉試驗需在轉子超速旋轉試驗臺上進行，并經過分析和仿真制定復雜的驗證流程和方案。由于該試驗成本高、準備周期長、技術難度大、安全性要求高，是航空發動機型號合格審定中的一個重點，也一定程度上決定著型號合格審定和取證工作的成本及效率。

2.2 GEnx系列發動機技術特征

GEnx系列發動機是GE公司在GE90發動機基礎上研制的高涵道比(10.0)、高總壓比(45.0)、低油耗、低污染、低噪聲的新一代民用航空發動機。針對FAR-33.27條款所涉及的渦輪、壓氣機、風扇轉子部件，該系列發動機的技術特點如表1所示[6]。轉子部件大量使用復合材料，還采用了整體葉盤和對轉渦輪等新技術，這對該型發動機在適航審定中表明FAR-33.27條款的結構完整性要求提出了新的挑戰。在實際型號取證中，GE公司大量采用“替代驗證和補償措施”作為向審定方表明條款符合性的技術方法，故可作為等效安全的經典示例。

表1 GEnx系列發動機轉子部件技術特點Table 1 Technical characteristics of rotor parts in GEnx series engines

3 GEnx系列發動機的適航審定

3.1 型號取證歷史

截止到2015年9月統計，GE公司共有7個型號163款不同推力級別的大涵道比渦扇發動機通過了FAA的型號合格審定并取得型號合格證(TC)[7]，共產生了15份型號合格證數據單(TCDS)作為型號合格證的組成文件。其中，GEnx系列航空發動機申請型號合格審定的26個不同推力級別及所對應的型號合格證數據單(編號：E00078NE)見表 2[8]。

3.2 型號合格證數據單分析

TCDS E00078NE的型號合格審定基礎中，按照不同推力級別對應給出了適用的FAR條款及等效安全要求。由于本研究針對FAR-33.27條款的等效安全技術方法，故經概括在GEnx系列中各種不同推力級別與FAR-33.27條款對應的等效安全要求如表3所示。可見，GEnx系列發動機主要針對FAR-33.27條款的(c)款采用等效安全表明符合性，不同推力級別下的同型號發動機對應的等效安全技術方法包含在ELOS No.8040-ELOS-08-NE03[9]、ELOS No.8040-ELOS-12-NE01[10]、ELOS No.AT3129EN-E-P-1[11]、ELOSNo.8040-ELOS-09-NE01[12]和ELOSNo.AT3138EN-E-P-1[13]5份等效安全結論中。

表2 GEnx系列發動機合格審定型號統計及所對應型號合格證數據單Table 2 The statistic of type certificate and corresponding type certificate data sheets for GEnx series engines

4 等效安全結論分析

根據上述等效安全結論，可概括并提煉GE公司采用等效安全的具體技術方法。

4.1 ELOS No.8040-ELOS-08-NE03[9]

本等效安全結論主要針對GEnx-1B70系列發動機。按照FAR-21.21條款(b)(1)款的要求，GE公司向FAA申請批準其采用等效安全的方法來滿足FAR-33.27條款(c)款要求，提出對最為關鍵的應力部件(低壓壓氣機、高壓渦輪及低壓渦輪轉子)可通過一種已在前期經批準的部件測試數據來支持分析工作，即采用分析方法替代測試。對此，GE公司將待審定的GEnx-1B70系列發動機與已取證的GEnx-1B P3型發動機建立關聯性，并通過GEnx-1B P3型發動機前期測試數據表明GEnx-1B70系列發動機在FAR-33.27條款(c)款所要求的超轉條件下，所有旋轉盤、鼓的設計具有充分的轉子破裂轉速裕度及可接受的增長水平。

表3 GEnx系列發動機與FAR-33.27條款相關的等效安全結論Table 3 Equivalent level of safety findings of FAR-33.27 for GEnx series engines

4.1.1 具體技術措施

GE公司首先使用其自主開發的基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法辨識所有受影響的轉子部件中最關鍵的轉子；同時，對盤、鼓、轉子，預測其在最小材料屬性下的超速增長和破裂轉速裕度。具體技術方法如下：

(1) 經相關部件測試數據校準的彈塑性有限元分析。該方法中，彈塑性有限元分析必須通過試驗數據校準，且校準所用數據來源于經FAA批準的部件試驗。該校準的目的是，表明對輪盤的有限元分析在FAR-33.27條款所要求的最大轉速條件下進行。此外，還可利用彈塑性有限元分析建立轉子部件的最大可用限制，該可用限制包括按照FAR-33.27條款(c)款要求的批準尺寸限制，以及伴隨著發動機操作邊界條件的速度補償。

(2) 基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法。該方法的理論依據是，轉子部件的破裂產生于高延塑性材料對最大主應力水平的控制，而其中起主要作用的是周向應力。GE公司通過全范圍部件及子部件測試驗證該方法的準確性，當待審定型號的部件與已取證型號的部件相比被證明具有相似性且設計裕度更大時，GE公司采用該方法。故在GEnx-1B70系列發動機取證中，基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法被用來計算發動機低壓壓氣機轉子部件(鼓式轉子2～5級)，高壓渦輪轉子部件(前部密封、第1級輪盤、中間(級)密封、第2級輪盤及后部密封)，以及低壓渦輪轉子部件(1～7級輪盤)的破裂轉速。

但需指出：型號取證過程中，因材料、幾何、尺寸或其他原因可能導致發動機轉子中最為關鍵的部件具有唯一性，即與之前已批準的部件不具有相似性，則不能使用上述兩種方法，需提供新的測試數據表明符合性。因此，GEnx-1B70系列發動機輪盤上整體3級風扇環和高壓壓氣機則是進行了地坑試驗以保證FAR-33.27條款(c)款的符合性要求。

4.1.2 FAA評估結果

首先，FAA認可有關FAR-33.27條款(c)款的等效安全結論(No.8040-ELOS-08-NE03)對GEnx-1B70的低壓壓氣機轉子、高壓渦輪轉子和低壓渦輪轉子采用基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法表明符合性。其次，待審定發動機的轉子部件增長與GE公司已取證型號的相關部件測試結果具有關聯性。再次，GE公司使用經相關部件測試數據校準的彈塑性有限元分析可以證實增長低于批準限制。根據FAR-33.4條款要求及相關GE已取證型號的測試經驗，被預測的可用限制將被包含在持續適航文件中。

4.2 ELOS No.8040-ELOS-12-NE01[10]

本等效安全結論主要針對GEnx-1B75/P1系列發動機。

4.2.1 具體技術措施

GE公司首先使用基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法辨識受影響的轉子模塊中最關鍵的部件，同時預測其超速增長和破裂轉速。在此基礎上，采用分析的方法表明關鍵部件的能力已超過經認證測試批準的相似部件的能力。根據FAR-33.27條款(c)款的超轉要求，GE公司確認受影響轉子模塊中最關鍵的部件為：

(1)因GEnx-1B75/P1的高壓壓氣機第2級整體葉盤與已取證的GEnx-1B70部件相比無改變，且GEnx-1B70高壓壓氣機轉子模塊第2級整體葉盤已通過設計批準，經評估認可GEnx-1B70的審定對GEnx-1B75/P1具有有效性。

(2)因GEnx-1B75/P1的高壓渦輪轉子與已取證的GEnx-1B70的高壓渦輪轉子具有相似性，故可采用GEnx-1B70的數據來表明GEnx-1B75/P1的符合性。GEnx-1B75/P1的高壓渦輪轉子模塊的第1級和第2級輪盤被認為是關鍵部件，且其超轉特征與已取證的GEnx-1B70的相類似。基于此，對于GEnx-1B75/P1的高壓渦輪第1級輪盤，GE公司使用已取證的GEnx-1B70的認證測試表明符合性；而第2級輪盤，GE公司則使用分析的方法代替超轉測試表明符合性，該方法的有效性已由已取證的GE90-94B的第2級高壓渦輪認證測試數據證明。

(3) 對于重新設計的第4級低壓渦輪轉子部件，通過分析的方法表明條款符合性，該方法的有效性已由已取證的GE90-115B的第3級低壓渦輪認證測試數據證明。

4.2.2 FAA評估結果

FAA批準并認可GE公司采用的補償措施滿足FAR-33.27條款(c)款的等效安全要求。

(1) 遵從相似準則。具體要求是：每一關鍵轉子部件必須與已經測試和批準的轉子部件具有相似的幾何和機械特征；分析方法已被相同材料下的超轉測試和/或破裂測試所證實；待審定的部件與已取證的部件相比，被證實其具有更大的設計裕度(相對于破裂轉速的測試轉速)。

(2)申請人需使用經FAA批準的超轉部件測試數據表明分析方法的有效性。即通過審定確認該分析模型可精確預測轉子破裂、辨識最關鍵的轉子部件；同時，該分析模型還可精確預測轉子部件關鍵部位與轉子轉速相對應的空間尺寸的增長，并可靠預測發動機測試和臺架試驗結果的適用性。

4.3 ELOS No.AT3129EN-E-P-1[11]

本等效安全結論主要針對GEnx-1B78/P2系列發動機。針對FAR-33.27條款(c)款的要求，該低壓壓氣機第2級整體葉盤，由CFM56-5的低壓壓氣機超速測試所驗證；高壓壓氣機第2級整體葉盤，由GEnx-1B78原型機的高壓壓氣機第2級整體葉盤超速測試所驗證；高壓渦輪第2級輪盤，由GE90的高壓壓氣機轉子超速測試所驗證；低壓渦輪第4級輪盤，由GE90-115B的低壓渦輪第3級輪盤超速測試所驗證。

4.4 ELOS No.8040-ELOS-09-NE01[12]

本等效安全結論主要針對GEnx-2B67系列發動機。針對FAR-33.27條款(c)款的要求，GE公司將待審定的GEnx-2B67發動機關鍵轉子部件與已取證的GEnx-2B P3發動機的低壓壓氣機、高壓渦輪和低壓渦輪的測試數據建立關聯性，仍采用基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法和經相關部件測試數據校準的彈塑性有限元分析。

4.5 ELOS No.AT3138EN-E-P-1[13]

本等效安全結論主要針對GEnx-2B67/P系列發動機。針對FAR-33.27條款(c)款的要求，該低壓壓氣機第2級輪盤，由CFM56-5C的低壓壓氣機超速測試所驗證；高壓渦輪第2級輪盤，由GE90的高壓壓氣機轉子超速測試所驗證；低壓渦輪第4級輪盤，由GE90-115B的低壓渦輪第3級輪盤超速測試所驗證。

5 GEnx系列發動機的等效安全技術方法

由上述分析可知，GE公司在GEnx系列發動機型號取證過程中，其表明等效安全的技術方法基本類似，可提煉為經驗證的自主分析方法和前期已取證型號的支持兩類。

5.1 經驗證的自主分析方法

經驗證的自主開發分析方法包括：經相關部件測試數據校準的彈塑性有限元分析和基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法。需指出，該分析方法需得到FAA的批準，批準的依據是通過部件試驗數據校準和部件測試驗證。如：等效安全結論ELOS No.8040-ELOS-08-NE03中的GEnx-1B70系列發動機以及等效安全結論ELOS No.8040-ELOS-09-NE01中的GEnx-2B67系列發動機，在采用自主分析方法表明符合性時，FAA明確要求分析方法應具備以下能力：分析數據應針對特定的轉子部件和操作環境；能夠精確預測轉子破裂轉速，并在轉子部件內精確辨識轉子或部件的最低破壞裕度；能夠適用于新的轉子設計并建立關聯，可精確預測一定旋轉速度條件下轉子特定位置的尺寸增長；可靠預測發動機測試和臺架試驗結果的適用性。

5.2 前期已取證型號的支持

如果待審定型號部件與已取證型號部件具有一致性或相似性，且待審定型號部件與已取證型號部件可以建立關聯，則可利用其他型號的測試結果證明該部件具有等效安全。這種源于前期已取證型號的支持涉及：

(1) 本公司不同型號發動機。由等效安全結論No.8040-ELOS-12-NE01可見，GE公司對GEnx-1B75/P1系列發動機的適航審定，使用GE90高壓壓氣機轉子的超速測試驗證表明GEnx-1B75/P1高壓渦輪第2級輪盤的符合性；使用GE90-115B低壓渦輪第3級輪盤的超速測試驗證表明GEnx-1B75/P1低壓渦輪第4級輪盤的符合性[10]。

(2) 本公司同型號不同推力級發動機。由等效安全結論No.8040-ELOS-12-NE01可見，GE公司對GEnx-1B75/P1發動機的適航審定，使用GEnx-1B70發動機的驗證測試結果表明GEnx-1B75/P1發動機高壓渦輪第1級滿足FAR-33.27條款的要求[10]。

(3) 不同公司不同型號發動機。由等效安全結論No.AT3138EN-E-P-1可見，GE公司對GEnx-2B67/P系列發動機的適航審定，使用CFM56-5C低壓壓氣機的超速測試驗證表明GEnx-2B67/P低壓壓氣機第2級輪盤的符合性[13]。

5.3 替代性技術方法的相似準則要求

上述經驗證的自主分析方法及前期已取證型號的支持，均存在嚴格的相似準則要求和超過參照型號部件能力的要求。具體如下[9，12]：

(1) 轉子相似性原則。關鍵轉子部件必須與之前經測試和經批準的轉子部件具有類似的幾何和機械特征，包括：幾何相似——在對關鍵轉子和測試中具有幾何相似的參照轉子進行比較時，應關注設計特征，因其會對局部及平均應力分布產生影響，且會由于制造過程而改變；機械相似——對關鍵轉子和幾何相似的被參照測試轉子間的比較應集中在材料(包括但不限于強度極限和應力-應變曲線)和制造方法(包括但不限于材料各向同性和大部分殘余應力)。

(2) 關鍵轉子要求。分析中該結論針對轉子破裂和裂紋增長，需得到當前待審定轉子不能比之前已經過驗證且相似的轉子更為關鍵這一結論。這樣的驗證是指轉子試驗以及在該試驗條件下，直接對下列參數的模型預測結果加以比較：許用應力范圍內的極限位置應力水平；可接受的尺寸增長限制下的危險部位的變形；經計算得到的測試條件下破裂轉速和實際測試中轉速的比值。

(3) 持續適航要求。經預測的轉子增長應符合FAR-33.4條款中有關持續適航的適用范圍。

(4) 分析模型驗證。用來建立等效安全評估數據的分析模型應經過校準和審定，其校準和審定依據是FAA批準的超轉部件認證測試數據。

(5) 關鍵轉子評估要求。必須關注從模塊中選出的最關鍵的轉子部件破裂的最低裕度和最大塑性增長。如果最低裕度以及最高許用塑性增長發生在相同轉子模塊的不同部件上，則所有的部件必須被評估，其評估方法是通過等效安全滿足FAR-33.27條款(c)款的要求。

6 結論

針對符合性表明難度較大的FAR-33.27條款，以GE公司獲得型號合格證的GEnx系列航空發動機為典型案例，在剖析其對應型號合格證數據單E00078NE的基礎上，分析等效安全表明技術方法并在此基礎上概括出關鍵技術和準則要求，具體為：

(1) 采用經驗證的自主分析方法來表明等效安全是GEnx系列發動機審定中所采用的主要方法；

(2) 如果待審定型號部件與已取證型號部件具有一致性或相似性，且待審定型號部件與已取證型號部件可以建立關聯，則可使用其他型號的測試結果來證明該部件具有等效安全；

(3) 當采用經前期型號數據驗證的自主分析方法及前期已取證型號的支持時，均存在嚴格的相似準則要求，同時也應具有超過參照型號部件能力的要求。