航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定中的幾種超轉(zhuǎn)問題研究

王曉明，吳晶峰，龔立鋒，涂 杰

(1. 中國民用航空適航審定中心，北京 100102；2. 中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的加速過程中，可能會出現(xiàn)燃油器調(diào)節(jié)失靈、發(fā)動(dòng)機(jī)供油量增大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)超轉(zhuǎn)的事件，轉(zhuǎn)子或軸發(fā)生故障也可能讓發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生超轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)可能會導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件變形，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致輪盤破裂[1]，發(fā)生非包容的碎片飛脫這一“危害性發(fā)動(dòng)機(jī)后果”，嚴(yán)重威脅飛機(jī)的飛行安全和乘客的生命安全。2010 年澳洲航空公司一架 A380 起飛后，由于渦輪短管漏油導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)中壓渦輪盤爆裂，非包容性的爆炸造成了飛機(jī)五十多項(xiàng)功能失效，幾近釀成空難史上人數(shù)最多的災(zāi)難。2016 年，一架美國航空公司裝有 2 臺發(fā)動(dòng)機(jī)的波音客機(jī)在起飛加速滑行時(shí)，右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪第 2 級輪盤突然爆裂，破裂的碎塊擊穿發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油總管以及燃油箱，引發(fā)大火，將右側(cè)機(jī)翼及機(jī)身燒毀[2]。正是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)的危害性，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制和適航規(guī)章中對于發(fā)動(dòng)機(jī)各類轉(zhuǎn)速限制提出了驗(yàn)證要求[3-5]。

CCAR33[6](China Civil Aviation Regulations, CCAR)、FAR33[7](Federal Aviation Regulations, FAR)和CS-E[8](Certification Specifications -Engines，CS-E)中關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)的條款涉及CCAR33.27、CCAR33.87、CCAR33.89和CS-E830，包括渦輪及壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)紅線轉(zhuǎn)速、瞬態(tài)超轉(zhuǎn)、工作試驗(yàn)超轉(zhuǎn)以及最大超轉(zhuǎn)的驗(yàn)證。長期以來，上述各條款之間的本質(zhì)含義缺乏統(tǒng)一對比分析，各概念易于混淆，對發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)方和審查方造成了很大的困擾。因此，需要對各條款的實(shí)質(zhì)要求和物理含義開展研究，尤其是各國發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)體系差異所導(dǎo)致的適航規(guī)章要求的本質(zhì)差異。

本文首先對適航條款中的超轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速限制進(jìn)行了闡述，然后結(jié)合國內(nèi)外型號合格審定和型號認(rèn)可審查實(shí)踐，對各超轉(zhuǎn)條款的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵和物理含義進(jìn)行了研究，并對各轉(zhuǎn)速限制并進(jìn)行了解析，從適航規(guī)章的邏輯鏈條方面予以了闡述。

1 適航條款中的超轉(zhuǎn)要求

航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)章CCAR33部、FAR33部和CS-E條款中，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)條款包括CCAR/FAR33.27、CCAR/FAR33.87、CCAR/FAR33.89和CS-E830，各規(guī)章要求如下。

1.1 CCAR/FAR33.27渦輪、壓氣機(jī)、風(fēng)扇和渦輪增壓器轉(zhuǎn)子

CCAR/FAR33.27要求，渦輪、壓氣機(jī)、風(fēng)扇和渦輪增壓器轉(zhuǎn)子必須具有足夠的強(qiáng)度，以便能承受所規(guī)定的試驗(yàn)條件。在確定渦輪、壓氣機(jī)和風(fēng)扇中經(jīng)受最關(guān)鍵應(yīng)力的轉(zhuǎn)子部件(除葉片外)后，必須以最大工作溫度在下列條件下試驗(yàn)5 min(冷轉(zhuǎn)試驗(yàn)除外)。

(1) 如果在試驗(yàn)臺上試驗(yàn)并且轉(zhuǎn)子部件裝有葉片或葉片配重塊，則以其最大允許轉(zhuǎn)速的120%進(jìn)行。

(2) 如果試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，則以其最大允許轉(zhuǎn)速的115%進(jìn)行。

(3) 如果試驗(yàn)在渦輪增壓器上進(jìn)行，由一特制燃燒室試驗(yàn)臺提供熾熱燃?xì)怛?qū)動(dòng)，則以其最大允許轉(zhuǎn)速115%進(jìn)行。

(4) 以120%的某個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行，冷轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子部件承受的工作應(yīng)力相當(dāng)于最高工作溫度和最大允許轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的應(yīng)力。

(5) 以105%的最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行，此最高轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)典型安裝方式中導(dǎo)致最關(guān)鍵的部件或系統(tǒng)失效時(shí)的轉(zhuǎn)速。

(6) 在發(fā)動(dòng)機(jī)典型安裝方式中，任一部件或系統(tǒng)失效并和飛行前例行檢查中或正常飛行使用期間一般不予以檢測的部件或系統(tǒng)發(fā)生的任一故障相組合時(shí)，所導(dǎo)致的最高轉(zhuǎn)速。

試驗(yàn)后，在某種超轉(zhuǎn)情況下的每個(gè)轉(zhuǎn)子必須在批準(zhǔn)的尺寸限制內(nèi)，并且不得有裂紋。

1.2 CCAR/FAR33.87持久試驗(yàn)

CCAR/FAR 33.87持久試驗(yàn)(a)(8)要求：“如果轉(zhuǎn)子軸瞬時(shí)超轉(zhuǎn)、燃?xì)馑矔r(shí)超溫或發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)超扭的出現(xiàn)次數(shù)有限制，則本條(b)至(g)所規(guī)定的加速次數(shù)必須在限制超轉(zhuǎn)、超溫或超扭的情況下進(jìn)行。如果出現(xiàn)上述超轉(zhuǎn)、超溫或超扭的次數(shù)沒有限制，則所規(guī)定的加速次數(shù)中有一半必須在限制超轉(zhuǎn)、超溫或超扭的情況下進(jìn)行。”

此處所說的超轉(zhuǎn)的基準(zhǔn)是發(fā)動(dòng)機(jī)最大允許的穩(wěn)態(tài)限制轉(zhuǎn)速，最大允許的穩(wěn)態(tài)限制轉(zhuǎn)速需要在 33.87(a)(3)中予以驗(yàn)證。

CCAR33.87(a)(3)要求：“發(fā)動(dòng)機(jī)功率或推力、燃?xì)鉁囟取⑥D(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速，以及如果有限制時(shí)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)外表面的溫度，必須至少是被試的特定發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)規(guī)定值的100%。”

1.3 CCAR/FAR33.89工作試驗(yàn)

CCAR/FAR33.89工作試驗(yàn)要求：“工作試驗(yàn)必須包括中國民用航空局認(rèn)為必要的試驗(yàn)，以驗(yàn)證起動(dòng)、慢車、加速、超轉(zhuǎn)、點(diǎn)火、螺旋槳(如果規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)裝螺旋槳工作)功能。”

1.4 CS-E830發(fā)動(dòng)機(jī)最大超轉(zhuǎn)

CS-E830發(fā)動(dòng)機(jī)最大超轉(zhuǎn)要求，如果尋求批準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)最大超轉(zhuǎn)，必須在整臺發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)動(dòng)機(jī)分解后的狀態(tài)，必須能夠正常繼續(xù)工作。如果能滿足CS-E830(b)的條件，該試驗(yàn)可以作為CS-E740持久試車的一部分運(yùn)行。試驗(yàn)條件如下：

(1) 在尋求批準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)最大超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下，總共運(yùn)行15 min。可以分段運(yùn)行，每段不少于2.5 min。

(2) 渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟鹊扔谛枨笈鷾?zhǔn)的工作時(shí)間長于20 s期間的最高穩(wěn)態(tài)溫度，與30 s或2 min OEI(One Engine Inoperative, OEI)功率無關(guān)。但是，對要批準(zhǔn)的軸系統(tǒng)，如果最大超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不能出現(xiàn)在最高渦輪進(jìn)口溫度下，必須使用在發(fā)動(dòng)機(jī)最大超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速條件下，可能產(chǎn)生的最高溫度。

(3) 聲明的最高滑油工作溫度。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵

從字面上看，CCAR/FAR33.27，CCAR/FAR33.87，CCAR/FAR33.89和CS-E830條款都有“超轉(zhuǎn)”的要求，但是各條款里關(guān)于超轉(zhuǎn)的實(shí)質(zhì)要求和物理含義有所區(qū)別。

2.1 CCAR33.27實(shí)質(zhì)內(nèi)涵

CCAR33.27條款的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵為對發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪、壓氣機(jī)、風(fēng)扇和渦輪增壓器轉(zhuǎn)子部件的強(qiáng)度要求，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用中能夠保持上述轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的完整性[9-10]。對轉(zhuǎn)子部件的強(qiáng)度考核可以采用部件試驗(yàn)或者整機(jī)試驗(yàn)。上述轉(zhuǎn)子包括渦輪、壓氣機(jī)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子部件，以及發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪增壓器中的整體鼓筒轉(zhuǎn)子和離心式壓氣機(jī)，但不包括葉片。

CCAR33.27條款要求與CCAR33.75條安全分析條款相對應(yīng)，33.75(g)中定義了七項(xiàng)危害性發(fā)動(dòng)機(jī)后果，其中包括了非包容的高能碎片。發(fā)動(dòng)機(jī)飛出零件的尺寸和速度不同，非包容碎片包含了很大的能級譜。發(fā)動(dòng)機(jī)包容性結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成能包容單個(gè)葉片飛出，能承受其造成的后果，足以包容額外飛出的轉(zhuǎn)子葉片和靜子零件。但是發(fā)動(dòng)機(jī)的包容結(jié)構(gòu)不期望包容大量轉(zhuǎn)動(dòng)件的碎片，例如盤、轂、葉輪、較大的轉(zhuǎn)子封嚴(yán)和其它類似較大轉(zhuǎn)子這些代表潛在高能碎片的零部件。

正因如此，CCAR33.27條對渦輪、壓氣機(jī)、風(fēng)扇和渦輪增壓器轉(zhuǎn)子部件提出了強(qiáng)度要求以及相關(guān)的試驗(yàn)條件要求。

2.2 CCAR33.87發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)超轉(zhuǎn)

2.2.1 CCAR33.87實(shí)質(zhì)內(nèi)涵

CCAR33.87(a)(8)中對發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)超轉(zhuǎn)提出了符合性驗(yàn)證要求，要求在持久試驗(yàn)中對聲明的瞬態(tài)超轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證次數(shù)與所聲明的次數(shù)限制相關(guān)[11-12]。如果數(shù)據(jù)單中對發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)超轉(zhuǎn)有次數(shù)限制，則持久試驗(yàn)中進(jìn)行同樣次數(shù)的超轉(zhuǎn)驗(yàn)證；如果數(shù)據(jù)單中對發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)超轉(zhuǎn)無次數(shù)限制，則在持久試驗(yàn)譜中所規(guī)定的加速次數(shù)中有一半必須在限制超轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行，即需要在持久試驗(yàn)條款中規(guī)定的總共310次加速的一半試驗(yàn)中驗(yàn)證超轉(zhuǎn)，即155次超轉(zhuǎn)。

CCAR33.87條款持久試驗(yàn)不是對發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)期實(shí)際使用工況(工作循環(huán))的模擬，而是一個(gè)加速嚴(yán)苛的試驗(yàn)，目的在于驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)批準(zhǔn)的功率和使用限制條件下的最低的操作性和持久性。瞬態(tài)超轉(zhuǎn)體現(xiàn)的是發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的一種響應(yīng)，是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速短時(shí)間內(nèi)超過了轉(zhuǎn)速限制值的一種狀態(tài)。對于起飛狀態(tài)、連續(xù)OEI和30 min OEI狀態(tài)，瞬態(tài)超轉(zhuǎn)的時(shí)間應(yīng)小于或等于30 s；對于2.5 min OEI、2 min OEI和30 s OEI功率狀態(tài)，瞬態(tài)超轉(zhuǎn)的時(shí)間應(yīng)小于10 s。

表1是加拿大普惠公司某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)(PT6C-67C)各功率狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，表中瞬態(tài)超轉(zhuǎn)模式允許的時(shí)間不超過10 s。

表1 PT6C-67C發(fā)動(dòng)機(jī)[13]

盡管33.87咨詢通告中提出，對應(yīng)于2.5 min OEI、2 min OEI和30 s OEI功率狀態(tài)的瞬態(tài)超轉(zhuǎn)的時(shí)間應(yīng)小于10 s，但在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)型號中仍存在大于10 s的情形。表2是加拿大普惠公司另一型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)(PW207E)各功率狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，表中可見燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速和動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速的瞬態(tài)超轉(zhuǎn)時(shí)間為小于20 s，轉(zhuǎn)速值超過了2.5 min OEI功率狀態(tài)。

表2 PW207E發(fā)動(dòng)機(jī)[14]

上述兩型發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)超轉(zhuǎn)均按照CCAR33.87(a)(8)條款開展了符合性驗(yàn)證。

2.2.2 瞬態(tài)超轉(zhuǎn)物理含義

對于燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子，瞬態(tài)超轉(zhuǎn)一般發(fā)生在加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)為了能在CCAR33.73要求的時(shí)間內(nèi)發(fā)出規(guī)定的推力或功率水平，供油規(guī)律會在不喘振不超溫等情況下盡可能大的將轉(zhuǎn)子加速度設(shè)計(jì)在能接受的范圍內(nèi)。當(dāng)推力或功率達(dá)到規(guī)定水平或轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到紅線轉(zhuǎn)速后，由于轉(zhuǎn)子慣性和控制系統(tǒng)反應(yīng)的滯后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仍然會超出紅線轉(zhuǎn)速到一定范圍。轉(zhuǎn)子加速性的設(shè)計(jì)要求和轉(zhuǎn)子超調(diào)量小的設(shè)計(jì)要求是一對矛盾的要求，因此這是一個(gè)設(shè)計(jì)平衡的過程，對于渦軸類發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子而言，通常將轉(zhuǎn)子超調(diào)量控制在2%以內(nèi)即可。

對于動(dòng)力渦輪而言，瞬態(tài)超轉(zhuǎn)一般在加速和減速時(shí)均會發(fā)生。加速時(shí)的超轉(zhuǎn)與燃?xì)獍l(fā)生器超轉(zhuǎn)相似，但與減速時(shí)的超轉(zhuǎn)相比，加速時(shí)的超轉(zhuǎn)不值一提。當(dāng)飛行員降低總距桿時(shí)，旋翼航空器的旋翼槳葉攻角降低，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出功率比維持旋翼轉(zhuǎn)速所需的功率大的多，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速會瞬間上升，由于動(dòng)力渦輪是恒轉(zhuǎn)速控制，控制系統(tǒng)會立即降低燃油流量來降低動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速，但在這過程中，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速會上升5%左右。由于動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速與旋翼和主減速器轉(zhuǎn)速相關(guān)性較大，旋翼和主減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，減速比較困難，其超調(diào)量比燃?xì)鉁u輪大。通常情況下，動(dòng)力渦輪超調(diào)量為5%左右。

由于瞬態(tài)超轉(zhuǎn)是超出紅線轉(zhuǎn)速的情形，從適航法規(guī)的角度來看，所有聲明的工況均需開展驗(yàn)證，因此需要在持久試驗(yàn)中，對發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)超轉(zhuǎn)進(jìn)行符合性驗(yàn)證。

2.3 CS-E830發(fā)動(dòng)機(jī)最大超轉(zhuǎn)

2.3.1 CS-E830實(shí)質(zhì)內(nèi)涵

發(fā)動(dòng)機(jī)最大超轉(zhuǎn)的概念出現(xiàn)在歐盟規(guī)章CS-E830 “Maximum Engine Over-speed”條款中，是特屬于歐盟規(guī)章的定義。CS-E830條款要求，如果申請人尋求批準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)最大超轉(zhuǎn)，必須在整機(jī)試驗(yàn)臺上開展試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)在尋求批準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)最大超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速條件下，總共運(yùn)行15 min。

CS-Definition中給出了“Maximum Power-turbine Over-speed”的定義，最大動(dòng)力渦輪超轉(zhuǎn)是被允許的自由動(dòng)力渦輪最大轉(zhuǎn)速，該超轉(zhuǎn)事件由于某種失效偶然出現(xiàn)，時(shí)間不超過20 s。出現(xiàn)該超轉(zhuǎn)事件后，發(fā)動(dòng)機(jī)無須相關(guān)維修措施，但需要對失效原因進(jìn)行修正[15]。

表3和表4給出了歐盟體系下法國Safran HE公司的兩型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)(ARRIUS 2B1，ARRIUS 2B2)在各功率狀態(tài)下的最大超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

表3 ARRIUS 2B1及ARRIUS 2B2發(fā)動(dòng)機(jī)N1轉(zhuǎn)速[16]

表4 ARRIUS 2B1及ARRIUS 2B2發(fā)動(dòng)機(jī)N2轉(zhuǎn)速[16]

由表3中可見，ARRIUS 2B1與2B2發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子最大超轉(zhuǎn)時(shí)間均小于5 s。其中ARRIUS 2B1的N1超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超過了2.5 min OEI功率狀態(tài)；ARRIUS 2B2的N1超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超過了起飛功率狀態(tài)，但沒有超過30 s OEI和2 min OEI功率狀態(tài)。

由表4中可見，這兩型發(fā)動(dòng)機(jī)聲明了動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子瞬態(tài)超轉(zhuǎn)，時(shí)間均小于20 s。

表5和表6給出了Safran HE公司另一型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)(ARRIUS 2R)的最大超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

表5 ARRIUS 2R發(fā)動(dòng)機(jī)N1轉(zhuǎn)速[17]

表6 ARRIUS 2R發(fā)動(dòng)機(jī)N2轉(zhuǎn)速[17]

表5可見，ARRIUS 2R發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超轉(zhuǎn)時(shí)間提高到了20 s，但該發(fā)動(dòng)機(jī)沒有OEI狀態(tài)，超轉(zhuǎn)僅超過了起飛和最大連續(xù)功率狀態(tài)的轉(zhuǎn)速。

盡管ARRIUS 2B1、ARRIUS 2B2發(fā)動(dòng)機(jī)與ARRIUS 2R發(fā)動(dòng)機(jī)的超轉(zhuǎn)名稱有所不同，最大超轉(zhuǎn)可允許的時(shí)間也不同，但發(fā)動(dòng)機(jī)廠商對二者的定義均為最大超轉(zhuǎn)，均按CS-E830開展符合性驗(yàn)證。

2.3.2 最大超轉(zhuǎn)物理含義

與瞬態(tài)超轉(zhuǎn)不同的是，發(fā)動(dòng)機(jī)最大超轉(zhuǎn)的物理原因主要是由于發(fā)生某種失效或飛行員誤操作導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速短時(shí)間內(nèi)超出了聲明的紅線轉(zhuǎn)速，紅線轉(zhuǎn)速在持久試驗(yàn)中已經(jīng)驗(yàn)證過。而超出紅線轉(zhuǎn)速?zèng)]有經(jīng)過驗(yàn)證，從適航法規(guī)的角度來看，需要對發(fā)動(dòng)機(jī)采取維護(hù)措施[15]。

2.3.3 瞬態(tài)超轉(zhuǎn)與最大超轉(zhuǎn)的差異

最大超轉(zhuǎn)條款易造成混淆之處在于，CS-E830(d)提出，在滿足相關(guān)試驗(yàn)條件下，該試驗(yàn)可以作為CS-E740持久試驗(yàn)的一部分運(yùn)行。而CS-E740中并沒有CCAR33.87(a)(8)的瞬態(tài)超轉(zhuǎn)要求，因此容易造成誤解。 CS-E830最大超轉(zhuǎn)試驗(yàn)是否等同于CCAR33.87(a)(8)的瞬態(tài)超轉(zhuǎn)試驗(yàn)？答案是否定的，主要原因有兩點(diǎn)：1) 發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生瞬態(tài)超轉(zhuǎn)和最大超轉(zhuǎn)的原因不一樣；2) 兩者的符合性驗(yàn)證方式存在本質(zhì)差異。產(chǎn)生原因方面，瞬態(tài)超轉(zhuǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行中的超調(diào)反映，是設(shè)計(jì)所能預(yù)期的，而最大超轉(zhuǎn)是由于某種失效偶然出現(xiàn)的。符合性驗(yàn)證方法方面，CCAR33.87中的瞬態(tài)超轉(zhuǎn)，針對發(fā)動(dòng)機(jī)聲明超轉(zhuǎn)的次數(shù)不同，符合性驗(yàn)證次數(shù)也有所不同，但并無具體的時(shí)間要求；而CS-E830則針對維持超轉(zhuǎn)狀態(tài)的時(shí)間有具體的考核要求。因此， CS-E830(d)只是說明最大超轉(zhuǎn)試驗(yàn)可結(jié)合持久試驗(yàn)開展，并非等效于CCAR33.87(a)(8)要求。

與最大超轉(zhuǎn)類似的還有最大超扭，CCAR33.84和CS-E820均為發(fā)動(dòng)機(jī)超扭試驗(yàn)。如果申請人尋求批準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)最大超扭，必須在整機(jī)試驗(yàn)臺上開展試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)在尋求批準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)最大超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速條件下，總共運(yùn)行15 min。咨詢通告AC33.7-1(Advisory Circular, AC)指出，最大超扭的發(fā)生原因是某種失效造成的，但這種超過發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩限制的情形是事先聲明并被接受的，該超扭事件發(fā)生后需要對失效原因進(jìn)行修正。而瞬態(tài)超扭發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作過程中，例如起飛階段，瞬態(tài)超扭不需要維修處理。由此可見，瞬態(tài)超扭和最大超扭是完全不同的兩個(gè)概念，二者分別在CCAR33.87(a)(8)和CCAR33.84 /CS-E 820條款下驗(yàn)證。瞬態(tài)超轉(zhuǎn)與最大超轉(zhuǎn)的關(guān)系，相當(dāng)于瞬態(tài)超扭與最大超扭的關(guān)系，即最大超轉(zhuǎn)不等同于瞬態(tài)超轉(zhuǎn)。

由于歐盟工業(yè)方和美國、加拿大工業(yè)方在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理念上的不同，發(fā)動(dòng)機(jī)聲明瞬態(tài)超轉(zhuǎn)或最大超轉(zhuǎn)的情形也有所不同。對比表2和表3可以發(fā)現(xiàn)，PW207E和ARRIUS 2B1的發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)限制在數(shù)據(jù)單表述上基本相似，但PW207E是加拿大普惠公司的發(fā)動(dòng)機(jī)，其定義的是瞬態(tài)超轉(zhuǎn)，ARRIUS 2B1是法國Safran HE公司發(fā)動(dòng)機(jī)，其定義的是最大超轉(zhuǎn)。二者分別按照對應(yīng)不同的符合性驗(yàn)證方式開展驗(yàn)證，超轉(zhuǎn)發(fā)生后的處理措施也不一樣。

當(dāng)CCAR/FAR33部適航規(guī)章體系下的發(fā)動(dòng)機(jī)既聲明了瞬態(tài)超轉(zhuǎn)又聲明了最大超轉(zhuǎn)時(shí)，其最大超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超出了CCAR33.7定義的限制值范疇，屬于新穎設(shè)計(jì)，應(yīng)制定專用條件進(jìn)行驗(yàn)證，并寫入TCDS中。同樣，當(dāng)CS-E規(guī)章體系下的發(fā)動(dòng)機(jī)既聲明了瞬態(tài)超轉(zhuǎn)又聲明了最大超轉(zhuǎn)時(shí)，其瞬態(tài)超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超出了CS-E40定義的限制值范疇，屬于新穎設(shè)計(jì)，應(yīng)制定專用條件進(jìn)行驗(yàn)證。

既聲明了瞬態(tài)超轉(zhuǎn)又聲明了最大超轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)案例為中法合作項(xiàng)目Ardiden 3C，見表7。其動(dòng)力渦輪穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為107%，瞬態(tài)超轉(zhuǎn)為113%，最大超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速限制為117%。

表7 Ardiden 3C發(fā)動(dòng)機(jī)[18]

Ardiden 3C發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速113%依據(jù)CCAR33.87(a)(8)條款要求進(jìn)行了驗(yàn)證，最大超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速117%則依據(jù)CS-E830的條款要求進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.4 CCAR33.89超轉(zhuǎn)

CCAR33.89要求，工作試驗(yàn)必須包括起動(dòng)、慢車、加速、超轉(zhuǎn)、點(diǎn)火等項(xiàng)目。

盡管經(jīng)歷了相當(dāng)長的規(guī)章一體化進(jìn)程，不可否認(rèn)的是，CCAR33/FAR33部規(guī)章與CS-E規(guī)章仍然存在一定的差異。這些差異一部分是表述不同但實(shí)質(zhì)要求相同，一部分則是符合性驗(yàn)證實(shí)質(zhì)要求不同。

對于CCAR33.89工作試驗(yàn)中的超轉(zhuǎn)，其含義為針對在CCAR33.87(a)(8)中驗(yàn)證的瞬態(tài)超轉(zhuǎn)，需在CCAR33.89中證明全包線范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速不會超出聲明值。與CCAR33.87驗(yàn)證瞬態(tài)超轉(zhuǎn)不同的是，持久試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在超出最大允許的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后(即發(fā)生瞬態(tài)超轉(zhuǎn))仍能保持操作性和持久性的能力，而CCAR33.89驗(yàn)證的是瞬態(tài)超轉(zhuǎn)設(shè)定的超調(diào)上限是合理的，在實(shí)際的工作當(dāng)中不會出現(xiàn)超過該限制值。

2.5 超轉(zhuǎn)適航性解析

通過上述各規(guī)章的內(nèi)涵研究發(fā)現(xiàn)，航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)存在三種轉(zhuǎn)速限制：最大允許的穩(wěn)態(tài)限制轉(zhuǎn)速、瞬態(tài)超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、最大超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

首先是申請人聲明的最大允許穩(wěn)態(tài)限制轉(zhuǎn)速，即紅線轉(zhuǎn)速，需要在CCAR33.7(c)(1)中予以聲明，在CCAR33.87(a)(3)中予以驗(yàn)證，證明發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)批準(zhǔn)的功率和該轉(zhuǎn)速限制下具備操作性和持久性。

其次是瞬態(tài)超轉(zhuǎn)，時(shí)間一般不超過30 s，需要在CCAR33.7(c)(14)中予以聲明，在CCAR33.87(a)(8)中予以驗(yàn)證。

CCAR33.89則是證明全包線范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速不會超出聲明值，以證明申請人聲明的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的合理性。

最后是最大超轉(zhuǎn)，是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生了某種失效或失效組合導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超出了最大轉(zhuǎn)速，在CS-E40(d)中予以聲明，在CS-E830中予以驗(yàn)證。

CCAR33.27條中包含了上述三種轉(zhuǎn)速限制：CCAR33.27中的最大允許轉(zhuǎn)速的120%包括了最大允許穩(wěn)態(tài)限制轉(zhuǎn)速和瞬態(tài)超轉(zhuǎn)，因?yàn)槁暶鞯乃矔r(shí)轉(zhuǎn)速也是允許的轉(zhuǎn)速；105%最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的是由于失效導(dǎo)致的最高轉(zhuǎn)速，即最大超轉(zhuǎn)；100%最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的是組合失效時(shí)的轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)論

本文對航空發(fā)動(dòng)機(jī)三種轉(zhuǎn)速限制進(jìn)行了研究，分別為最大允許的穩(wěn)態(tài)限制轉(zhuǎn)速、瞬態(tài)超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和最大超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。對于三種限制轉(zhuǎn)速涉及的CCAR33.27、CCAR33.87、CCAR33.89、CS-E830條款進(jìn)行了條款解析，結(jié)合審定實(shí)踐，對超轉(zhuǎn)條款的實(shí)質(zhì)要求和物理內(nèi)涵進(jìn)行了研究，厘清了上述條款長期以來的概念混淆，識別了歐洲體系和美國體系由于設(shè)計(jì)理念的不同帶來的瞬態(tài)超轉(zhuǎn)和最大超轉(zhuǎn)的差異，以及適航規(guī)章的實(shí)質(zhì)差異，有利于指導(dǎo)CCAR33.89的條款修訂。

本文研究工作可作為國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制類條款適航符合性驗(yàn)證及審查過程中的參考。