航空发动机风车不平衡适航符合性验证

航空发动机风车不平衡适航符合性验证

贾惟;何文博;刘帅

【摘要】CCAR 25部《运输类飞机适航标准》对航空发动机的持续转动提出明确要求，即航空发动机的持续转动不会危及飞行安全。参考美国联邦航空局（FAA）第25-141号修正案，详细分析了FAR 25.362条款对发动机失效载荷的要求及其适用的符合性验证方法。通过对服役数据进行统计学分析研究了风车不平衡符合性验证条件。结果表明，不平衡量等于1.0与1 h备降时间组合、不平衡量等于1.0与最大不超过3 h备降时间组合可以满足安全性的要求，在此基础上从载荷、强度、耐久性、系统完整性以及人为因素5个方面开展符合性验证。采用完整的飞机模

型和发动机模型进行符合性验证是可以接受的。机体结构模型要通过地面振动试验进行校验，发动机模型要通过风扇叶片脱落试验进行校验。%CCAR Part 25 presents a clear requirement for aeroengine continued rotation which states that the continued rotation of aeroengine can not jeopardize the safety of the airplane. Requirements of engine failure loads and relevant methods of compliance were both analyzed in details according to FAR 25.362 which was issued by Federal Aviation Administration in amendment 25-141. A compliance demonstration criterion was obtained through statistical analysis of service data. Results show that imbalance design fraction equals to 1.0 combined with windmilling time equals to 1 hour

and imbalance design fraction equals to 1.0 combined with windmilling time less than 3 hours meet the requirements of safety targets. Based on these two criteria, compliance demonstration should be carried out from five aspects including loads, strength, durability, system integrity and

human factors. A complete integrated airframe and engine analytical model for compliance demonstration are acceptable. Airframe structure model should be validated by ground vibration test and engine structure model should be validated by fan blade off test.

【期刊名称】《航空发动机》

【年(卷),期】2016(042)006

【总页数】7页(P95-101)

【关键词】持续转动;风车不平衡;不平衡量;机体结构模型;发动机结构模型;地面振动试验;风扇叶片脱落试验

【作者】贾惟;何文博;刘帅

【作者单位】中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津300300;中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津300300;中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津300300

【正文语种】中文

【中图分类】V23

航空发动机有2种典型的影响飞行安全的持续不平衡状态：风车不平衡状态和高功率不平衡状态[1]。风车状态是指航空发动机空中停车、燃烧室熄火或者不工作时，气流通过未点燃的发动机并由于空气动力、转子惯性和阻力矩共同作用而带动发动机轴转动，短时间稳定在某一转速的亚稳定旋转状态[2-3]。风车不平衡状态是由发动机轴支承失效、风扇叶片脱落及其附带损伤引起的。风车状态是1个远离设计点、复杂的特殊工况，这种工况可能会持续几个小时直到飞机完成其备降飞

行[4]。

高功率不平衡状态发生在叶片刚刚失效之后、发动机停车或者转速开始下降之前。这种状态通常考虑少于1个完整叶片脱落的情况，可能持续几秒钟或几分钟。在

某些情况下，它降低了机组人员通过读取仪表来确定受损发动机以及发动机受损程度的能力[5-6]。

根据美国的统计，从大涵道比涡扇发动机开始服役到1996年，累计4.26亿个飞

行小时（从起飞滑跑开始至降落到地面的时间）。在这期间发生了152起值得关

注的事件。所谓1起值得关注的事件表示1/4或者更大的风扇叶片脱落引起的不

平衡，或者是转子支承失效的状态。服役经验表明，脱落的风扇叶片小于整个叶片的1/4并不会引起严重振动。在这152起事件中，风扇叶片脱落事件有146起，远高于6起风扇转子支承失效事件。因此本文着重讨论由于风扇叶片脱落引起的

风车不平衡的符合性验证。

CCAR-25R4和CCAR-33R2中均对发动机的持续转动提出了要求[7-8]。本文根

据涡扇发动机的统计数据，采用统计学方法分析满足安全性要求的不平衡量和备降时间的组合，分析了符合性验证的要求，讨论了发动机失效载荷的评估要求和评估方法，详细分析了满足适航要求的飞机结构模型和发动机结构模型的建模要求和验证要求。

首先定义2个基本参数：不平衡量I和风车时间t。I=1.0定义为：在叶片包容性

和转子不平衡试验中[9]，最关键的涡轮、压气机或风扇叶片失效导致的质量不平衡。风车时间定义为：叶片脱落到飞机着陆所经历的时间给出了不平衡事件中的不平衡量I和风车时间的分布分别如图1、2所示。

采用γ分布、Weibull分布和对数正态分布对上述数据进行拟合，拟合结果如图3、4所示。3种分布呈现出一致的变化趋势。从图3中可见，γ分布和对数正态分布与统计数据吻合较好，而且对数正态分布的峰值与统计数据更接近。从图4中可