民用航空發動機潤滑系統適航審定技術分析

朱日興

(中國民航大學 適航學院，天津 300300)

0 引言

航空發動機潤滑系統的功能包括潤滑、散熱、清潔、滑油儲存、防虹吸、油氣分離、回收滑油、防腐和指示作用，其中最重要的功能是潤滑、熱交換和清潔部件表面。具體而言，在發動機工作過程中，潤滑系統可以提供清潔潤滑油，帶走雜質，減少對偶面的摩擦與磨損，防止表面硬化和腐蝕。潤滑系統通過吸收摩擦所產生的熱量和高溫零件的熱量，冷卻滑油流經區域的高溫零組件。目前常見的渦扇發動機，其潤滑系統主要由滑油箱、油泵、滑油濾、滑油散熱器、油氣分離器、磁堵等部件組成。如CFM56渦扇發動機的潤滑系統由供油、回油、通氣三個分系統組成。潤滑系統的安全影響著發動機整體的安全，同時也影響著全機安全性。航空發動機的潤滑系統中易損壞的部件有油泵、油濾、管路、軸、軸承密封、軸承、噴嘴等，這些部件故障的失效形式有疲勞、斷裂、磨損、剝落、鑄造/焊接/熱處理裂紋、腐蝕等。上述故障輕者以減少油液供應，損害潤滑、散熱、清潔功能，重者導致油液大量流失，直至油液損耗殆盡，使潤滑系統完全喪失潤滑、散熱、清潔功能，甚至導致發動機發生空停的嚴重后果。

對于航空發動機的潤滑系統，《航空發動機適航規定》(CCAR33)中的CCAR33.71條款、《運輸類飛機適航標準》(CCAR25)中的25.1011條款、《運輸類飛機適航標準》中的25.1013條款、工業標準(國軍標、行標)都對其作出了規定。本文主要從以下幾個方面對發動機潤滑系統的適航審定技術開展研究：潤滑系統的適航條款、潤滑系統的功能FMEA以及部件FMEA，并從中提煉潤滑系統適航審查關注要點，為潤滑系統的安全性審查提供技術支持。

1 航空發動機潤滑系統適航條款和標準規范

1.1 CCAR33.71

CCAR33部是規定頒發和更改航空發動機型號合格證用的適航標準，其中的CCAR33.71條款，從部件角度，對發動機的潤滑系統作出了規定。包括滑油濾網或滑油濾、滑油箱、滑油放油裝置和滑油散熱器。該條款規定了潤滑系統正常工作的條件，即預期的飛行姿態以及預期的大氣條件，在這些狀況下，潤滑系統都必須運轉。

符合性驗證方法上，審查代表應注意，滿足第33.71條要求的符合性方法包括設計分析和試驗。對于潤滑系統相關的部件試驗，審查方需判斷申請人是否采用了試驗，以驗證油濾堵塞指示器和旁通活門等功能的可用性、滑油濾等部件的納污能力、不增壓滑油箱的承壓能力等。對于滑油姿態試驗，需判斷采用試驗驗證發動機潤滑系統是否在航空器預期的持續飛行姿態下能正常工作。采用滑油中斷試驗，需驗證發動機潤滑系統在航空器預期的瞬時飛行姿態下是否能正常工作。判斷申請人在采用滑油污染試驗時，是否驗證通過了發動機潤滑系統的功能不會遭受滑油濾的外來物顆粒的損害。通過整機試驗驗證，申請人需向審查方表明發動機潤滑系統在整個大氣條件下能正常工作。同時，審查方還需驗證滑油散熱器對臺架試驗中振動、慣性和滑油壓力載荷的耐受能力。

1.2 CCAR25.1011和CCAR25.1013

CCAR25部是規定頒發和更改運輸類飛機型號合格證用的適航標準，提及CCAR25部是因為可從發動機出發向上追溯到飛機，并將其與CCAR33部作對比。CCAR25.1011條款從滑油系統的功能出發，對滑油系統適航性進行了規定，即25.1011條款滑油系統總則。在表明條款的符合性驗證方法上，針對25.1011建議的符合性方法包括：MC1設計說明、MC2分析/計算、MC5地面試驗、MC6飛行試驗和MC9設備鑒定。CCAR25.1013條款就具體的滑油系統部件——滑油箱進行了適航性規定，即25.1013條款滑油箱。針對25.1013建議的符合性方法包括：MC1、MC5、MC6、MC7機上檢查和MC9。

2 航空發動機潤滑系統功能及部件故障模式及影響分析(failure mode and effect analysis，簡稱FMEA)

2.1 潤滑系統的功能FMEA

以CFM56發動機為例，制作功能FMEA表格。根據中國民用航空規章第33部《航空發動機適航規定》第75條的規定，發動機的危害等級分為以下三類：輕微發動機后果、重要發動機后果和危害性發動機后果。為給出審查關注的重點，如表1所示給出潤滑系統功能FMEA，其功能失效可能導致的重要或危害性發動機后果。其中，對于飛行階段劃分，G、T、F1、F2、F3、F4、L1和M分別代表地面滑行、起飛、爬升、巡航、下降、進場、著陸和維護。

表1 潤滑系統功能FMEA

由表1可知，滑油噴嘴移位、滑油噴嘴碎裂、滑油噴嘴堵塞、滑油噴嘴加工偏小和燃油壓力超限時卸荷等失效模式會造成重要的發動機后果。因此，功能FMEA的審查關注重點是潤滑功能和散熱功能的失效。

2.2 潤滑系統的部件FMEA

潤滑系統零部件的失效形式，其失效類型包括機械磨損、金屬疲勞、斷裂失效、密封件老化、腐蝕、鑄造裂紋、焊接裂紋、熱處理裂紋、軸承故障、油液污染等。以CFM56發動機為例，制作部件FMEA表格。如表2所示為潤滑系統的部件FMEA，其部件失效可能導致的重要或危害性發動機后果。

表2 潤滑系統部件FMEA

FMEA關注的重點主要從重要或危害等級入手。從表2可以得到，故障導致的危害性發動機后果有2個，分別是前通風器的滑蹭破壞、后通風器的滑蹭破壞。故障導致的重要發動機后果有5個，分別是噴嘴堵塞、噴嘴加工尺寸小、噴嘴斷裂、噴嘴移位以及燃油卸壓活門打不開。

3 航空發動機潤滑系統安全性審查方法

審查要點可從潤滑系統設計、潤滑系統部件試驗、滑油姿態試驗、滑油中斷試驗和整機試驗審查5部分展開，圖1為發動機潤滑系統技術審查流程圖。

圖1 發動機潤滑系統技術審查流程圖

3.1 潤滑系統設計分析審查

1)潤滑系統整體設計分析

審查方應首先判斷申請人是否有相應文件對發動潤滑系統的整體設計特征進行了描述。

(1)審查系統級設計分析。i)判斷是否說明潤滑系統整體設計架構；ii)判斷是否給出潤滑系統詳細示意圖。

(2)審查部件級設計分析。i)判斷是否說明潤滑系統主要部件的設計特征；ii)判斷是否說明潤滑系統主要部件的功能。

2)滑油濾網或滑油濾設計分析

為表明對第33.71(b)條的符合性，審查方需判斷申請人是否對潤滑系統滑油濾網油濾的相關設計進行了詳細說明，并結合潤滑系統相關部件試驗和整個試驗的結果，驗證發動機的滑油濾網或滑油濾，是否使得進入潤滑系統的外粒得到有效的過濾，而不至損壞潤滑系統的功能。

(1)審查滑油濾旁路設計。i)判斷是否聲明潤滑系統中具有旁路的滑油濾網或滑油濾，并判斷是否說明其制造、安裝情況、滑油預堵塞指示壓力、滑油濾極限壓降、旁通開啟壓降及旁通活門全流量下的壓降；ii)判斷是否說明滑油濾與其旁路裝置的設計與構造，并通過分析表明當旁路打開時，其構造能否確?；蜑V積聚的污物不易進入旁通油路。

(2) 審查滑油濾過濾度和納污容量要求。i)判斷是否聲明潤滑系統中滑油濾類型及過濾精度；ii)判斷是否說明潤滑系統主滑油濾的納污容量。

(3) 審查預堵塞報警指示器設計。判斷是否說明潤滑系統滑油濾預堵塞報警指示器的連接裝置數計與構造，以及報警指示的工作原理。

(4) 審查維護性要求。判斷是否說明每個濾網或油濾的拆卸及清洗方式，審查代表可以通過現場目擊，確認濾網或油濾便于放泄和清洗。

3.2 潤滑系統部件試驗審查

審查方需判斷申請人是否通過不同潤滑系統部件試驗，驗證包括滑油濾堵塞指示和旁通活門功能，滑油濾等潤滑系統部件的納污能力，不增壓滑油箱的承壓能力等。

1)潤滑系統部件污染試驗

審查方應判斷申請人是否進行了潤滑系統污染試驗，以驗證通過規定的過濾裝置的外來顆粒不會損害發動機潤滑系統的功能。

(1)審查驗證對象。判斷試驗是否包括潤滑系統主要部件。至少應包括滑油、滑油散熱器(包括燃滑油熱交換帯、空氣滑油熱交換器)、旁通活門等。

(2)審查污染物水平。判斷是否給出試驗中的污染物水平，并分析了其合理性。

(3)審查工作狀態及運行時間。判斷是否確定了試驗模擬的發動機工作狀態及相應的時間，并分析了其合理性。

(4)審查判定準則。試驗后應檢查部件的磨損情況，檢查結果應判斷是否在申請人規定的可接受范圍內。

2)潤滑系統部件功能試驗

審查方需判斷申請人是否進行了潤滑系統相關部件的功能試驗，以驗證其能夠實現預期的功能。

(1)審查堵塞指示器功能。驗證滑油濾堵塞指示裝置能按預期提供報警指示。

(2)審查旁通活門功能：i)驗證滑油濾旁通活門能按預期正常打開；ii)驗證滑油濾指示裝置報警到旁通活門打開的事件滿足設計要求。

3.3 滑油姿態試驗審查

滑油姿態試驗審查以試驗條件審查為主，審查代表進行試驗大綱審查時，應關注以下要點。

1)審查發動機運行狀態。(1)判斷是否聲明了發動機的飛行姿態包線(包括俯仰角度和翻角度、對應的運行工況和持續時間)；(2)判斷是否確定了試驗的姿態條件(包括俯仰角度和翻角度)，并確保姿態條件滿足飛行姿態包線中連續飛行姿態的要求；(3)判斷是否確定了試驗中各姿態條件下的發動機運行工況(如適用，包括引氣、功率提取情況)，及其持續時間和間隔時間，并說明它們的選取依據；(4)判斷是否明確給出試驗中各姿態條件下開始和結束計時的標志。

2)審查滑油箱油量。(1)判斷是否聲明了發動機滑油箱油量的最低放行標準；(2)判斷是否確保試驗條件中初始滑油箱油量不大于聲明的最低放行標準。

3)審查滑油牌號。判斷是否明確了試驗中采用的滑油牌號或規格，并確保使用的滑油不影響試驗的嚴苛度。

3.4 滑油中斷試驗審查

滑油中斷試驗審查主要審查試驗條件。審查代表進行試驗大綱審查時，應關注以下要點。

1)審查發動機運行工況：(1)判斷是否聲明了發動機的飛行姿態包線(包括俯仰角度和翻滾角度、對應的運行工況和持續時間)；(2)判斷是否確定了試驗中的發動機運行工況(如適用，包括引氣、功率提取情況)，滑油供油中斷的次數、供油中斷持續時間和間隔時間，并說明了它們的選取依據；(3)判斷是否確保了試驗中滑油供油中斷的最大持續時間，不小于姿態包線中瞬時飛行姿態的最大持續時間；(4)判斷是否明確給出試驗中滑油供油中斷開始和結束計時的標志。

2)審查試驗系統。判斷是否對滑油中斷系統的工作原理進行了說明。

3)審查滑油牌號。判斷是否明確了試驗中采用的滑油牌號或規格，并確保了使用的滑油不影響試驗的嚴苛度。

3.5 整機試驗審查

審查方需審查申請人結合的150 h持久試驗、高空臺試驗、飛行試驗等，以驗證第33.71(a)條發動機潤滑系統在聲明的大氣條件下能正常工作，并且具備第33.71(b)條款要求的潤滑系統的抗污染能力。

1)審查大氣條件。判斷相關的整機試驗工況能否覆蓋申請人聲明的發動機預期使用的大氣條件。

2)審查滑油系統限制值。判斷試驗驗證的潤滑系統參數范圍能否覆蓋申請人聲明的潤滑系統參數限制值(如滑油溫度限制、滑油壓力限制)。

3)審查構型偏離。判斷是否對試驗中構型偏離的影響進行了合理分析及聲明，以確保不會對表明潤滑系統的符合性產生影響。

4)審查滑油牌號。判斷試驗中采用的滑油牌號和規格，是否與手冊中聲明的一致。

5)審查滑油消耗量。判斷滑油消耗量是否滿足手冊規定的要求。

6)在試驗中的監測和試驗后的檢查。(1)試驗過程中應監測滑油溫度，試驗后應檢查滑油散熱器，以證明其能承受在臺架試驗中不會因振動、慣性和滑油壓力載荷的出現而失效；(2)試驗后應對屑末探測器以及潤滑系統部件黁損程度等進行檢查，檢查結果應判斷是否在申請人所規定的可接受范圍內；(3)判斷相關的整機試驗工況能否覆蓋申請人聲明的發動機預期使用的大氣條件。

4 結論

航空發動機潤滑系統的安全性對發動機整體安全運行有著顯著影響。為提高民用航空發動機潤滑系統的適航審定能力，強化適航審定技術，從而為航空發動機潤滑系統適航審定提供技術支持。本文主要工作及結論如下：1)對CCAR33.71、CCAR25.1011和CCAR25.1013等航空發動機潤滑系統的相關適航文件進行分析，從條款技術含義確定可接受的符合性驗證方法，給出審查需要注意的事項；2)研究潤滑系統功能FMEA與部件FMEA，得出潤滑功能和散熱功能失效是功能FMEA的審查關注重點；噴嘴、燃油卸壓活門、前通風器和后通風器失效是部件FMEA的審查關注重點；3)提供了從潤滑系統設計、潤滑系統部件試驗、滑油姿態試驗、滑油中斷試驗和整機試驗審查5部分的審查要點，形成完整的發動機潤滑系統技術審查流程。