民用飞机含高能转子的设备适航符合性验证方法研究

华振

【摘 要】本文介绍了§25部适航条款中对民用飞机含高能转子的设备的要求，研究了含高能转子的设备的符合性方法和验证思路，提出了基于转子包容性试验对含高能转子的设备进行验证的一种方法，设计了试验程序和试验判据，通过在某型民用飞机适航取证的实践，表明该方法合理有效，能够支持民用飞机含高能转子设备的适航符合性验证。

【关键词】民用飞机；高能转子；转子包容性；适航符合性验证

0 前言

含高能转子设备的安全性是民用飞机设计的重要考虑，其适航符合性验证也越来越受到适航当局的重视。

1958年5月，FAA运输类飞机规章修正案（CAR）4b-8中以§4b.659首次提出了当飞机装备含高能转子的设备时，必须采取合适的保护措施，并应演示在其失效时的包容性或不会对飞机持续飞行的安全性产生影响。1962年，在FAA航空运输指南（CAM）修正案4b-12中以§40.606的覆盖了所有设备的安装可靠性要求，代替了4b.659。大量的经验表明，含高能转子设备的失效可能释放的能量可能导致发动机或飞机的结构损坏、着火或者系统部件损伤，因此FAA在1975年以修正案25-41加入了新的章节§25.1461正式作为独立的适航检查项目。

1 适航要求

§25.1461对含高能转子的设备要求是：

（a）含高能转子的设备必须符合本条（b）或（c），或（d）的规定。

（b）设备中的高能转子必须能承受因故障、振动、异常速度和异常温度引起的损伤。此外还要满足下列要求：

（1）辅助转子机匣必须能包容住高能转子叶片破坏所引起的损伤；

（2）设备控制装置、系统和仪表设备必须合理地保证，在服役中不会超过影响高能转子完整性的使用限制。

（c）必须通过试验表明，含高能转子的设备能包容住高能转子在最高速度下发生的任何破坏（当正常的速度控制装置不工作时能达到的最高速度）。

（d）含高能转子的设备必须安装在转子破坏时既不会危及乘员，也不会对继续安全飞行有不利影响的部位。

2 符合性方法分析

2.1 高能转子的定义

AC29-2B指出了高能转子的设备安装要求。高能转子是指当失效时具有充分动能对周围结构、线缆和设备产生破坏的旋转部件。AC25-22例举了含高能转子的设备包含起动机、空气巡航压缩机、空气驱动液压泵、设备冷却风扇、再循环风扇、高速电动液压泵等。

2.2 符合性验证思路

根据§25.1461（a）的总述，须选择（b）、（c）、（d）条中的一条进行符合性验证。§25.1461 （b）条关注损伤容限、包容性和控制装置；§25.1461 （c）条关注包容性和失效转速控制；§25.1461 （d）条主要关注设备安装位置。

若选择验证§25.1461 （b）条，可通过设计和试验分析来演示符合性。失效模式、影响分析及应力计算可与动态试验联合进行，以验证高能转子可承受环境一切因素造成的损伤、转子机匣可以承受从转子轴上分离出的任何破片并且控制设备有能力防止超限发生。

若选择验证§25.1461 （c）条，必须通过试验验证高能转子在控制装置不工作时，其最高可达转速下任何形式的失效都可被包容。该包容性必须不损害安装在周围的、对继续飞行的安全性产生重要影响的部件、系统和结构。

若选择验证§25.1461 （d）条，必须说明高能转子安装在合适的区域，使其失效后击出的碎片不会破坏其他对继续飞行的安全产生重要影响的部件、系统或结构；同时非包容碎片不会进入座舱和乘客所在的区域。

3 符合性验证实例

在某型涡扇民用运输机的适航取证中，选择条款§25.1461 （c）为目标，使用基于转子包容性试验的方法对其发动机空气涡轮起动机进行含高能转子的设备进行符合性验证。以下是该机的实例分析。

3.1 设计描述

某型民用飞机发动机起动系统由空气涡轮起动机和空气起动阀组成。空气涡轮起动机由一个单级涡轮构成，起动机的最大连续转速为12962rpm，最大峰值转速为15122rpm。空气起动阀是一个弹簧压力负载的电控空气作动阀，设计在关位，空气气动阀打开时可提供来自于空气管理系统的压缩空气使空气涡轮起动机转动，通过AGB传动带动发动机压气机，空气起动阀关闭时可切断空气涡轮起动机的气源，停止其自由转动。

空气涡轮起动机安装在AGB的前端，发动机5点钟的位置，空气气动阀安装在起动管上。

3.2 试验验证

某民用飞机发动机的空气涡轮起动机对§25.1461 （c）的符合性通过转子包容性试验来验证，该试验分为两类：径向包容性试验和轴向包容性试验。两类试验均使用一个铝制护罩包围在起动机系统试验件的周围，在破裂和包容发生后，通过检查该铝制护罩是否受损来验证起动机对高能转子碎片的包容能力。

3.2.1 径向包容性试验

参考AC20-128A，径向包容性试验演示当运行在起动机最大自由转速时，起动机能够包容起动管内所有1/3转盘碎片破裂的能量。主要方法如下：

（1）计算分析得到正常构型起动机涡轮盘1/3碎片的破损能量；

（2）特制试验涡轮盘，确保其破碎后传递到包容环的能量总量比计算分析得到的1/3起动机涡轮盘碎片更大；

（3）试验涡轮带狭槽缺陷，演示即使在起动机涡轮被削弱的情况下，依然不会以1/3碎片的形式破裂；

（4）试验中，试验涡轮需至少达到与涡轮破裂能量相匹配的15631rpm的转速。实际试验中，转子在15800rpm的转速下发生了破裂和包容，超过了最低要求。

3.2.2 轴向包容性试验

轴向包容性试验演示起动机在最高自由转速运行时，能够包容通过模拟涡轮轴承失效而产生的高能转子破裂碎片，主要方法如下：

（1）试验中采用受损的轴承和产品构型的涡轮；

（2）试验中涡轮轴无负载，以使转子达到最大自由转速；

（3）当轴承失效时，涡轮盘达到16000rpm的转速，发生破裂和碎片包容。

在某型民用飞机发动机的起动机高能转子的径向和轴向包容性试验中，所有的高能转子碎片均以铝制护罩不受损为证据通过了适航当局的验证。

4 结论

本文研究了§25.1461“含高能转子的设备”条款的适航符合性思路，提出了基于转子包容性试验的方法对§25.1461条款进行验证，使用该方法在某型民用运输机的取证工作中成功地进行了实践和演示，结果获得适航当局认可，能够用于该条款的适航符合性验证。

【参考文献】

[1]中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准[S].中国民用航空总局，CCAR -25-R3，2001.

[2]Advisory Circular 29-2B. Certification of Transport Category Rotorcraft， July 30， 1997[Z].

[3]Advisory Circular 25-22. Certification of Transport Airplane Mechanical Systems， Mar 14， 2000[Z].

[4]郑作棣.运输类飞机适航标准技术咨询手册[M].航空工业出版社，1995.

[5]Advisory Circular 20-128A，“Design Considerations for Minimizing Hazards Caused by Uncontained Turbine Engine and Auxiliary Power Unit Rotor and Fan Blade Failures，”March 25， 1997[Z].

[责任编辑：杨玉洁]