航空涡轮发动机适航审定中的几种超转问题研究

王晓明，吴晶峰，龚立锋，涂 杰

(1. 中国民用航空适航审定中心，北京 100102；2. 中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002)

航空发动机在实际运行的加速过程中，可能会出现燃油器调节失灵、发动机供油量增大，导致发动机出现超转的事件，转子或轴发生故障也可能让发动机发生超转。发动机超转可能会导致发动机转子部件变形，严重时会导致轮盘破裂[1]，发生非包容的碎片飞脱这一“危害性发动机后果”，严重威胁飞机的飞行安全和乘客的生命安全。2010 年澳洲航空公司一架 A380 起飞后，由于涡轮短管漏油导致发动机中压涡轮盘爆裂，非包容性的爆炸造成了飞机五十多项功能失效，几近酿成空难史上人数最多的灾难。2016 年，一架美国航空公司装有 2 台发动机的波音客机在起飞加速滑行时，右侧发动机的高压涡轮第 2 级轮盘突然爆裂，破裂的碎块击穿发动机的燃油总管以及燃油箱，引发大火，将右侧机翼及机身烧毁[2]。正是因为发动机超转的危害性，航空发动机研制和适航规章中对于发动机各类转速限制提出了验证要求[3-5]。

CCAR33[6](China Civil Aviation Regulations, CCAR)、FAR33[7](Federal Aviation Regulations, FAR)和CS-E[8](Certification Specifications -Engines，CS-E)中关于发动机超转的条款涉及CCAR33.27、CCAR33.87、CCAR33.89和CS-E830，包括涡轮及压气机转子超转、发动机红线转速、瞬态超转、工作试验超转以及最大超转的验证。长期以来，上述各条款之间的本质含义缺乏统一对比分析，各概念易于混淆，对发动机工业方和审查方造成了很大的困扰。因此，需要对各条款的实质要求和物理含义开展研究，尤其是各国发动机设计体系差异所导致的适航规章要求的本质差异。

本文首先对适航条款中的超转和转速限制进行了阐述，然后结合国内外型号合格审定和型号认可审查实践，对各超转条款的实质内涵和物理含义进行了研究，并对各转速限制并进行了解析，从适航规章的逻辑链条方面予以了阐述。

1 适航条款中的超转要求

航空发动机适航规章CCAR33部、FAR33部和CS-E条款中，涡轮发动机超转条款包括CCAR/FAR33.27、CCAR/FAR33.87、CCAR/FAR33.89和CS-E830，各规章要求如下。

1.1 CCAR/FAR33.27涡轮、压气机、风扇和涡轮增压器转子

CCAR/FAR33.27要求，涡轮、压气机、风扇和涡轮增压器转子必须具有足够的强度，以便能承受所规定的试验条件。在确定涡轮、压气机和风扇中经受最关键应力的转子部件(除叶片外)后，必须以最大工作温度在下列条件下试验5 min(冷转试验除外)。

(1) 如果在试验台上试验并且转子部件装有叶片或叶片配重块，则以其最大允许转速的120%进行。

(2) 如果试验在发动机上进行，则以其最大允许转速的115%进行。

(3) 如果试验在涡轮增压器上进行，由一特制燃烧室试验台提供炽热燃气驱动，则以其最大允许转速115%进行。

(4) 以120%的某个转速进行，冷转时，转子部件承受的工作应力相当于最高工作温度和最大允许转速导致的应力。

(5) 以105%的最高转速进行，此最高转速是发动机典型安装方式中导致最关键的部件或系统失效时的转速。

(6) 在发动机典型安装方式中，任一部件或系统失效并和飞行前例行检查中或正常飞行使用期间一般不予以检测的部件或系统发生的任一故障相组合时，所导致的最高转速。

试验后，在某种超转情况下的每个转子必须在批准的尺寸限制内，并且不得有裂纹。

1.2 CCAR/FAR33.87持久试验

CCAR/FAR 33.87持久试验(a)(8)要求：“如果转子轴瞬时超转、燃气瞬时超温或发动机瞬时超扭的出现次数有限制，则本条(b)至(g)所规定的加速次数必须在限制超转、超温或超扭的情况下进行。如果出现上述超转、超温或超扭的次数没有限制，则所规定的加速次数中有一半必须在限制超转、超温或超扭的情况下进行。”

此处所说的超转的基准是发动机最大允许的稳态限制转速，最大允许的稳态限制转速需要在 33.87(a)(3)中予以验证。

CCAR33.87(a)(3)要求：“发动机功率或推力、燃气温度、转子轴的转速，以及如果有限制时，包括发动机外表面的温度，必须至少是被试的特定发动机相应规定值的100%。”

1.3 CCAR/FAR33.89工作试验

CCAR/FAR33.89工作试验要求：“工作试验必须包括中国民用航空局认为必要的试验，以验证起动、慢车、加速、超转、点火、螺旋桨(如果规定发动机装螺旋桨工作)功能。”

1.4 CS-E830发动机最大超转

CS-E830发动机最大超转要求，如果寻求批准发动机旋转系统的发动机最大超转，必须在整台发动机上试验。试验结束后，发动机分解后的状态，必须能够正常继续工作。如果能满足CS-E830(b)的条件，该试验可以作为CS-E740持久试车的一部分运行。试验条件如下：

(1) 在寻求批准的发动机最大超转转速下，总共运行15 min。可以分段运行，每段不少于2.5 min。

(2) 涡轮进口燃气温度等于需求批准的工作时间长于20 s期间的最高稳态温度，与30 s或2 min OEI(One Engine Inoperative, OEI)功率无关。但是，对要批准的轴系统，如果最大超转转速不能出现在最高涡轮进口温度下，必须使用在发动机最大超转转速条件下，可能产生的最高温度。

(3) 声明的最高滑油工作温度。

2 发动机超转的实质内涵

从字面上看，CCAR/FAR33.27，CCAR/FAR33.87，CCAR/FAR33.89和CS-E830条款都有“超转”的要求，但是各条款里关于超转的实质要求和物理含义有所区别。

2.1 CCAR33.27实质内涵

CCAR33.27条款的实质内涵为对发动机的涡轮、压气机、风扇和涡轮增压器转子部件的强度要求，以保证发动机在实际使用中能够保持上述转子结构的完整性[9-10]。对转子部件的强度考核可以采用部件试验或者整机试验。上述转子包括涡轮、压气机和风扇转子部件，以及发动机或涡轮增压器中的整体鼓筒转子和离心式压气机，但不包括叶片。

CCAR33.27条款要求与CCAR33.75条安全分析条款相对应，33.75(g)中定义了七项危害性发动机后果，其中包括了非包容的高能碎片。发动机飞出零件的尺寸和速度不同，非包容碎片包含了很大的能级谱。发动机包容性结构被设计成能包容单个叶片飞出，能承受其造成的后果，足以包容额外飞出的转子叶片和静子零件。但是发动机的包容结构不期望包容大量转动件的碎片，例如盘、毂、叶轮、较大的转子封严和其它类似较大转子这些代表潜在高能碎片的零部件。

正因如此，CCAR33.27条对涡轮、压气机、风扇和涡轮增压器转子部件提出了强度要求以及相关的试验条件要求。

2.2 CCAR33.87发动机瞬态超转

2.2.1 CCAR33.87实质内涵

CCAR33.87(a)(8)中对发动机瞬态超转提出了符合性验证要求，要求在持久试验中对声明的瞬态超转状态进行验证，验证次数与所声明的次数限制相关[11-12]。如果数据单中对发动机瞬态超转有次数限制，则持久试验中进行同样次数的超转验证；如果数据单中对发动机瞬态超转无次数限制，则在持久试验谱中所规定的加速次数中有一半必须在限制超转的情况下进行，即需要在持久试验条款中规定的总共310次加速的一半试验中验证超转，即155次超转。

CCAR33.87条款持久试验不是对发动机预期实际使用工况(工作循环)的模拟，而是一个加速严苛的试验，目的在于验证发动机在经批准的功率和使用限制条件下的最低的操作性和持久性。瞬态超转体现的是发动机整机的一种响应，是指转子转速短时间内超过了转速限制值的一种状态。对于起飞状态、连续OEI和30 min OEI状态，瞬态超转的时间应小于或等于30 s；对于2.5 min OEI、2 min OEI和30 s OEI功率状态，瞬态超转的时间应小于10 s。

表1是加拿大普惠公司某涡轴发动机(PT6C-67C)各功率状态下的转子转速，表中瞬态超转模式允许的时间不超过10 s。

表1 PT6C-67C发动机[13]

尽管33.87咨询通告中提出，对应于2.5 min OEI、2 min OEI和30 s OEI功率状态的瞬态超转的时间应小于10 s，但在实际发动机型号中仍存在大于10 s的情形。表2是加拿大普惠公司另一型涡轴发动机(PW207E)各功率状态下的转速，表中可见燃气发生器转速和动力涡轮转速的瞬态超转时间为小于20 s，转速值超过了2.5 min OEI功率状态。

表2 PW207E发动机[14]

上述两型发动机的瞬态超转均按照CCAR33.87(a)(8)条款开展了符合性验证。

2.2.2 瞬态超转物理含义

对于燃气发生器转子，瞬态超转一般发生在加速时，发动机为了能在CCAR33.73要求的时间内发出规定的推力或功率水平，供油规律会在不喘振不超温等情况下尽可能大的将转子加速度设计在能接受的范围内。当推力或功率达到规定水平或转子转速达到红线转速后，由于转子惯性和控制系统反应的滞后，转子转速仍然会超出红线转速到一定范围。转子加速性的设计要求和转子超调量小的设计要求是一对矛盾的要求，因此这是一个设计平衡的过程，对于涡轴类发动机燃气发生器转子而言，通常将转子超调量控制在2%以内即可。

对于动力涡轮而言，瞬态超转一般在加速和减速时均会发生。加速时的超转与燃气发生器超转相似，但与减速时的超转相比，加速时的超转不值一提。当飞行员降低总距杆时，旋翼航空器的旋翼桨叶攻角降低，发动机发出功率比维持旋翼转速所需的功率大的多，动力涡轮转速会瞬间上升，由于动力涡轮是恒转速控制，控制系统会立即降低燃油流量来降低动力涡轮转速，但在这过程中，动力涡轮转速会上升5%左右。由于动力涡轮转速与旋翼和主减速器转速相关性较大，旋翼和主减速器的转动惯量较大，减速比较困难，其超调量比燃气涡轮大。通常情况下，动力涡轮超调量为5%左右。

由于瞬态超转是超出红线转速的情形，从适航法规的角度来看，所有声明的工况均需开展验证，因此需要在持久试验中，对发动机瞬态超转进行符合性验证。

2.3 CS-E830发动机最大超转

2.3.1 CS-E830实质内涵

发动机最大超转的概念出现在欧盟规章CS-E830 “Maximum Engine Over-speed”条款中，是特属于欧盟规章的定义。CS-E830条款要求，如果申请人寻求批准发动机最大超转，必须在整机试验台上开展试验验证，试验在寻求批准的发动机最大超转转速条件下，总共运行15 min。

CS-Definition中给出了“Maximum Power-turbine Over-speed”的定义，最大动力涡轮超转是被允许的自由动力涡轮最大转速，该超转事件由于某种失效偶然出现，时间不超过20 s。出现该超转事件后，发动机无须相关维修措施，但需要对失效原因进行修正[15]。

表3和表4给出了欧盟体系下法国Safran HE公司的两型涡轴发动机(ARRIUS 2B1，ARRIUS 2B2)在各功率状态下的最大超转转速。

表3 ARRIUS 2B1及ARRIUS 2B2发动机N1转速[16]

表4 ARRIUS 2B1及ARRIUS 2B2发动机N2转速[16]

由表3中可见，ARRIUS 2B1与2B2发动机的燃气发生器转子最大超转时间均小于5 s。其中ARRIUS 2B1的N1超转转速超过了2.5 min OEI功率状态；ARRIUS 2B2的N1超转转速超过了起飞功率状态，但没有超过30 s OEI和2 min OEI功率状态。

由表4中可见，这两型发动机声明了动力涡轮转子瞬态超转，时间均小于20 s。

表5和表6给出了Safran HE公司另一型涡轴发动机(ARRIUS 2R)的最大超转转速。

表5 ARRIUS 2R发动机N1转速[17]

表6 ARRIUS 2R发动机N2转速[17]

表5可见，ARRIUS 2R发动机燃气发生器转子转速超转时间提高到了20 s，但该发动机没有OEI状态，超转仅超过了起飞和最大连续功率状态的转速。

尽管ARRIUS 2B1、ARRIUS 2B2发动机与ARRIUS 2R发动机的超转名称有所不同，最大超转可允许的时间也不同，但发动机厂商对二者的定义均为最大超转，均按CS-E830开展符合性验证。

2.3.2 最大超转物理含义

与瞬态超转不同的是，发动机最大超转的物理原因主要是由于发生某种失效或飞行员误操作导致转子转速短时间内超出了声明的红线转速，红线转速在持久试验中已经验证过。而超出红线转速没有经过验证，从适航法规的角度来看，需要对发动机采取维护措施[15]。

2.3.3 瞬态超转与最大超转的差异

最大超转条款易造成混淆之处在于，CS-E830(d)提出，在满足相关试验条件下，该试验可以作为CS-E740持久试验的一部分运行。而CS-E740中并没有CCAR33.87(a)(8)的瞬态超转要求，因此容易造成误解。 CS-E830最大超转试验是否等同于CCAR33.87(a)(8)的瞬态超转试验？答案是否定的，主要原因有两点：1) 发动机产生瞬态超转和最大超转的原因不一样；2) 两者的符合性验证方式存在本质差异。产生原因方面，瞬态超转是发动机正常运行中的超调反映，是设计所能预期的，而最大超转是由于某种失效偶然出现的。符合性验证方法方面，CCAR33.87中的瞬态超转，针对发动机声明超转的次数不同，符合性验证次数也有所不同，但并无具体的时间要求；而CS-E830则针对维持超转状态的时间有具体的考核要求。因此， CS-E830(d)只是说明最大超转试验可结合持久试验开展，并非等效于CCAR33.87(a)(8)要求。

与最大超转类似的还有最大超扭，CCAR33.84和CS-E820均为发动机超扭试验。如果申请人寻求批准发动机最大超扭，必须在整机试验台上开展试验验证，试验在寻求批准的发动机最大超转转速条件下，总共运行15 min。咨询通告AC33.7-1(Advisory Circular, AC)指出，最大超扭的发生原因是某种失效造成的，但这种超过发动机扭矩限制的情形是事先声明并被接受的，该超扭事件发生后需要对失效原因进行修正。而瞬态超扭发生在发动机正常工作过程中，例如起飞阶段，瞬态超扭不需要维修处理。由此可见，瞬态超扭和最大超扭是完全不同的两个概念，二者分别在CCAR33.87(a)(8)和CCAR33.84 /CS-E 820条款下验证。瞬态超转与最大超转的关系，相当于瞬态超扭与最大超扭的关系，即最大超转不等同于瞬态超转。

由于欧盟工业方和美国、加拿大工业方在发动机设计理念上的不同，发动机声明瞬态超转或最大超转的情形也有所不同。对比表2和表3可以发现，PW207E和ARRIUS 2B1的发动机超转限制在数据单表述上基本相似，但PW207E是加拿大普惠公司的发动机，其定义的是瞬态超转，ARRIUS 2B1是法国Safran HE公司发动机，其定义的是最大超转。二者分别按照对应不同的符合性验证方式开展验证，超转发生后的处理措施也不一样。

当CCAR/FAR33部适航规章体系下的发动机既声明了瞬态超转又声明了最大超转时，其最大超转转速超出了CCAR33.7定义的限制值范畴，属于新颖设计，应制定专用条件进行验证，并写入TCDS中。同样，当CS-E规章体系下的发动机既声明了瞬态超转又声明了最大超转时，其瞬态超转转速超出了CS-E40定义的限制值范畴，属于新颖设计，应制定专用条件进行验证。

既声明了瞬态超转又声明了最大超转的发动机案例为中法合作项目Ardiden 3C，见表7。其动力涡轮稳态转速为107%，瞬态超转为113%，最大超转转速限制为117%。

表7 Ardiden 3C发动机[18]

Ardiden 3C发动机瞬态超转转速113%依据CCAR33.87(a)(8)条款要求进行了验证，最大超转转速117%则依据CS-E830的条款要求进行了验证。

2.4 CCAR33.89超转

CCAR33.89要求，工作试验必须包括起动、慢车、加速、超转、点火等项目。

尽管经历了相当长的规章一体化进程，不可否认的是，CCAR33/FAR33部规章与CS-E规章仍然存在一定的差异。这些差异一部分是表述不同但实质要求相同，一部分则是符合性验证实质要求不同。

对于CCAR33.89工作试验中的超转，其含义为针对在CCAR33.87(a)(8)中验证的瞬态超转，需在CCAR33.89中证明全包线范围内发动机瞬态转速不会超出声明值。与CCAR33.87验证瞬态超转不同的是，持久试验的目的是验证发动机在超出最大允许的稳态转速后(即发生瞬态超转)仍能保持操作性和持久性的能力，而CCAR33.89验证的是瞬态超转设定的超调上限是合理的，在实际的工作当中不会出现超过该限制值。

2.5 超转适航性解析

通过上述各规章的内涵研究发现，航空涡轮发动机存在三种转速限制：最大允许的稳态限制转速、瞬态超转转速、最大超转转速。

首先是申请人声明的最大允许稳态限制转速，即红线转速，需要在CCAR33.7(c)(1)中予以声明，在CCAR33.87(a)(3)中予以验证，证明发动机在经批准的功率和该转速限制下具备操作性和持久性。

其次是瞬态超转，时间一般不超过30 s，需要在CCAR33.7(c)(14)中予以声明，在CCAR33.87(a)(8)中予以验证。

CCAR33.89则是证明全包线范围内发动机瞬态转速不会超出声明值，以证明申请人声明的瞬态转速的合理性。

最后是最大超转，是发动机发生了某种失效或失效组合导致转子转速超出了最大转速，在CS-E40(d)中予以声明，在CS-E830中予以验证。

CCAR33.27条中包含了上述三种转速限制：CCAR33.27中的最大允许转速的120%包括了最大允许稳态限制转速和瞬态超转，因为声明的瞬时转速也是允许的转速；105%最高转速对应的是由于失效导致的最高转速，即最大超转；100%最高转速对应的是组合失效时的转速。

3 结论

本文对航空发动机三种转速限制进行了研究，分别为最大允许的稳态限制转速、瞬态超转转速和最大超转转速。对于三种限制转速涉及的CCAR33.27、CCAR33.87、CCAR33.89、CS-E830条款进行了条款解析，结合审定实践，对超转条款的实质要求和物理内涵进行了研究，厘清了上述条款长期以来的概念混淆，识别了欧洲体系和美国体系由于设计理念的不同带来的瞬态超转和最大超转的差异，以及适航规章的实质差异，有利于指导CCAR33.89的条款修订。

本文研究工作可作为国内外航空发动机转速限制类条款适航符合性验证及审查过程中的参考。