經(jīng)等效安全表明典型適航條款符合性的方法研究

鮑夢瑤，丁水汀，李 果，張建勇

(1.中國民航管理干部學院航空器適航審定系，北京100102；2.國際民航組織航行局運行安全科，蒙特利爾H3C5H7；3.北京航空航天大學飛機/發(fā)動機綜合系統(tǒng)安全性北京市重點實驗室，北京100191；4.中國民航天津監(jiān)管局航空器生產(chǎn)監(jiān)督處，天津300300)

1 引言

民用航空發(fā)動機投入市場運營之前，必須通過適航條款的符合性驗證，以表明滿足適航要求。然而隨著計算仿真和分析技術(shù)的發(fā)展以及適航規(guī)章對新技術(shù)要求的空缺或滯后，越來越多的制造商開始采用分析或其他可替代的符合性方法來表明條款符合性，即等效安全(ELOS)[1]。等效安全是指雖不能表明符合條款的字面要求，但存在補償措施并可達到相同的安全水平[2-3]。即允許申請人采用“替代驗證和補償措施”方法對符合性進行表明。該方法可在不影響發(fā)動機安全性的前提下降低其取證成本，提高取證效率，有利于發(fā)動機廠商爭奪競爭激烈的民用航空發(fā)動機國際市場。也因此，等效安全是適航審定中最為重要的審定基礎(chǔ)構(gòu)成形式之一，在美歐民用航空發(fā)動機取證過程中應用極為廣泛[2]。

等效安全表明符合性的關(guān)鍵是，其采用的驗證方法及相應補償措施可證明與采用條款指明的符合性方法所期望的驗證結(jié)果具有相當?shù)陌踩絒2-3]。當前，我國民用航空發(fā)動機的發(fā)展尚處于起步階段，通過研究“替代驗證和補償措施”向?qū)彾ǚ奖砻鞣闲缘募夹g(shù)方法對我國民用航空發(fā)動機的發(fā)展具有雙重現(xiàn)實意義：一是為我國航空工業(yè)部門在型號合格審定中采用等效安全表明條款符合性提供參考，二是為我國適航審定部門確定審定基礎(chǔ)提供支撐。本文以具有代表性的GEnx系列航空發(fā)動機及取證難度較大的FAR-33.27條款“渦輪、壓氣機、風扇和渦輪增壓器轉(zhuǎn)子”為例，從條款要求出發(fā)，詳細剖析該系列發(fā)動機適航取證過程中采用等效安全表明條款符合性的技術(shù)方法。

2 FAR-33.27條款要求及GEnx系列發(fā)動機技術(shù)特征

2.1 FAR-33.27條款要求

FAR-33.27條款對民用航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件結(jié)構(gòu)完整性規(guī)定，申請人必須滿足[4]：

(a) 渦輪、壓氣機、風扇和渦輪增壓器轉(zhuǎn)子必須具有足夠的強度以便能承受本條款(c)款規(guī)定的試驗條件。

(b)除FAR-33.28條款要求之外的發(fā)動機系統(tǒng)、儀表和其他方法的設計和功能必須給予合理的保證，使影響渦輪、壓氣機、風扇和渦輪增壓器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完整性的發(fā)動機使用限制在使用中不會超出。

(c) 根據(jù)分析或其他可接受的方法確定的每個渦輪、壓氣機和風扇中經(jīng)受最關(guān)鍵應力的轉(zhuǎn)子部件(除葉片外)，其中包括發(fā)動機或渦輪增壓器中的整體鼓筒轉(zhuǎn)子和離心式壓氣機，必須在文獻[4]中的相應條件下試驗5 min。

對于上述要求，條款的核心為(c)款，即應采用分析和超轉(zhuǎn)試驗的方法進行驗證。同時，在條款對應的AC 33.27-1[5]中，進一步明確給出推薦的符合性方法。其中，分析應從輪盤材料、結(jié)構(gòu)、受載等方面著手，求得輪盤轉(zhuǎn)子級的破裂轉(zhuǎn)速與破裂裕度；試驗需從輪盤材料性能測試、輪盤超轉(zhuǎn)試驗或輪盤破裂試驗著手，驗證其對條款中所述超轉(zhuǎn)條件和通過準則的符合性，從而表明對該條款的符合性。需指出，轉(zhuǎn)子件超轉(zhuǎn)試驗需在轉(zhuǎn)子超速旋轉(zhuǎn)試驗臺上進行，并經(jīng)過分析和仿真制定復雜的驗證流程和方案。由于該試驗成本高、準備周期長、技術(shù)難度大、安全性要求高，是航空發(fā)動機型號合格審定中的一個重點，也一定程度上決定著型號合格審定和取證工作的成本及效率。

2.2 GEnx系列發(fā)動機技術(shù)特征

GEnx系列發(fā)動機是GE公司在GE90發(fā)動機基礎(chǔ)上研制的高涵道比(10.0)、高總壓比(45.0)、低油耗、低污染、低噪聲的新一代民用航空發(fā)動機。針對FAR-33.27條款所涉及的渦輪、壓氣機、風扇轉(zhuǎn)子部件，該系列發(fā)動機的技術(shù)特點如表1所示[6]。轉(zhuǎn)子部件大量使用復合材料，還采用了整體葉盤和對轉(zhuǎn)渦輪等新技術(shù)，這對該型發(fā)動機在適航審定中表明FAR-33.27條款的結(jié)構(gòu)完整性要求提出了新的挑戰(zhàn)。在實際型號取證中，GE公司大量采用“替代驗證和補償措施”作為向?qū)彾ǚ奖砻鳁l款符合性的技術(shù)方法，故可作為等效安全的經(jīng)典示例。

表1 GEnx系列發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件技術(shù)特點Table 1 Technical characteristics of rotor parts in GEnx series engines

3 GEnx系列發(fā)動機的適航審定

3.1 型號取證歷史

截止到2015年9月統(tǒng)計，GE公司共有7個型號163款不同推力級別的大涵道比渦扇發(fā)動機通過了FAA的型號合格審定并取得型號合格證(TC)[7]，共產(chǎn)生了15份型號合格證數(shù)據(jù)單(TCDS)作為型號合格證的組成文件。其中，GEnx系列航空發(fā)動機申請型號合格審定的26個不同推力級別及所對應的型號合格證數(shù)據(jù)單(編號：E00078NE)見表 2[8]。

3.2 型號合格證數(shù)據(jù)單分析

TCDS E00078NE的型號合格審定基礎(chǔ)中，按照不同推力級別對應給出了適用的FAR條款及等效安全要求。由于本研究針對FAR-33.27條款的等效安全技術(shù)方法，故經(jīng)概括在GEnx系列中各種不同推力級別與FAR-33.27條款對應的等效安全要求如表3所示?？梢?，GEnx系列發(fā)動機主要針對FAR-33.27條款的(c)款采用等效安全表明符合性，不同推力級別下的同型號發(fā)動機對應的等效安全技術(shù)方法包含在ELOS No.8040-ELOS-08-NE03[9]、ELOS No.8040-ELOS-12-NE01[10]、ELOS No.AT3129EN-E-P-1[11]、ELOSNo.8040-ELOS-09-NE01[12]和ELOSNo.AT3138EN-E-P-1[13]5份等效安全結(jié)論中。

表2 GEnx系列發(fā)動機合格審定型號統(tǒng)計及所對應型號合格證數(shù)據(jù)單Table 2 The statistic of type certificate and corresponding type certificate data sheets for GEnx series engines

4 等效安全結(jié)論分析

根據(jù)上述等效安全結(jié)論，可概括并提煉GE公司采用等效安全的具體技術(shù)方法。

4.1 ELOS No.8040-ELOS-08-NE03[9]

本等效安全結(jié)論主要針對GEnx-1B70系列發(fā)動機。按照FAR-21.21條款(b)(1)款的要求，GE公司向FAA申請批準其采用等效安全的方法來滿足FAR-33.27條款(c)款要求，提出對最為關(guān)鍵的應力部件(低壓壓氣機、高壓渦輪及低壓渦輪轉(zhuǎn)子)可通過一種已在前期經(jīng)批準的部件測試數(shù)據(jù)來支持分析工作，即采用分析方法替代測試。對此，GE公司將待審定的GEnx-1B70系列發(fā)動機與已取證的GEnx-1B P3型發(fā)動機建立關(guān)聯(lián)性，并通過GEnx-1B P3型發(fā)動機前期測試數(shù)據(jù)表明GEnx-1B70系列發(fā)動機在FAR-33.27條款(c)款所要求的超轉(zhuǎn)條件下，所有旋轉(zhuǎn)盤、鼓的設計具有充分的轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速裕度及可接受的增長水平。

表3 GEnx系列發(fā)動機與FAR-33.27條款相關(guān)的等效安全結(jié)論Table 3 Equivalent level of safety findings of FAR-33.27 for GEnx series engines

4.1.1 具體技術(shù)措施

GE公司首先使用其自主開發(fā)的基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法辨識所有受影響的轉(zhuǎn)子部件中最關(guān)鍵的轉(zhuǎn)子；同時，對盤、鼓、轉(zhuǎn)子，預測其在最小材料屬性下的超速增長和破裂轉(zhuǎn)速裕度。具體技術(shù)方法如下：

(1) 經(jīng)相關(guān)部件測試數(shù)據(jù)校準的彈塑性有限元分析。該方法中，彈塑性有限元分析必須通過試驗數(shù)據(jù)校準，且校準所用數(shù)據(jù)來源于經(jīng)FAA批準的部件試驗。該校準的目的是，表明對輪盤的有限元分析在FAR-33.27條款所要求的最大轉(zhuǎn)速條件下進行。此外，還可利用彈塑性有限元分析建立轉(zhuǎn)子部件的最大可用限制，該可用限制包括按照FAR-33.27條款(c)款要求的批準尺寸限制，以及伴隨著發(fā)動機操作邊界條件的速度補償。

(2) 基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法。該方法的理論依據(jù)是，轉(zhuǎn)子部件的破裂產(chǎn)生于高延塑性材料對最大主應力水平的控制，而其中起主要作用的是周向應力。GE公司通過全范圍部件及子部件測試驗證該方法的準確性，當待審定型號的部件與已取證型號的部件相比被證明具有相似性且設計裕度更大時，GE公司采用該方法。故在GEnx-1B70系列發(fā)動機取證中，基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法被用來計算發(fā)動機低壓壓氣機轉(zhuǎn)子部件(鼓式轉(zhuǎn)子2～5級)，高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件(前部密封、第1級輪盤、中間(級)密封、第2級輪盤及后部密封)，以及低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件(1～7級輪盤)的破裂轉(zhuǎn)速。

但需指出：型號取證過程中，因材料、幾何、尺寸或其他原因可能導致發(fā)動機轉(zhuǎn)子中最為關(guān)鍵的部件具有唯一性，即與之前已批準的部件不具有相似性，則不能使用上述兩種方法，需提供新的測試數(shù)據(jù)表明符合性。因此，GEnx-1B70系列發(fā)動機輪盤上整體3級風扇環(huán)和高壓壓氣機則是進行了地坑試驗以保證FAR-33.27條款(c)款的符合性要求。

4.1.2 FAA評估結(jié)果

首先，F(xiàn)AA認可有關(guān)FAR-33.27條款(c)款的等效安全結(jié)論(No.8040-ELOS-08-NE03)對GEnx-1B70的低壓壓氣機轉(zhuǎn)子、高壓渦輪轉(zhuǎn)子和低壓渦輪轉(zhuǎn)子采用基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法表明符合性。其次，待審定發(fā)動機的轉(zhuǎn)子部件增長與GE公司已取證型號的相關(guān)部件測試結(jié)果具有關(guān)聯(lián)性。再次，GE公司使用經(jīng)相關(guān)部件測試數(shù)據(jù)校準的彈塑性有限元分析可以證實增長低于批準限制。根據(jù)FAR-33.4條款要求及相關(guān)GE已取證型號的測試經(jīng)驗，被預測的可用限制將被包含在持續(xù)適航文件中。

4.2 ELOS No.8040-ELOS-12-NE01[10]

本等效安全結(jié)論主要針對GEnx-1B75/P1系列發(fā)動機。

4.2.1 具體技術(shù)措施

GE公司首先使用基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法辨識受影響的轉(zhuǎn)子模塊中最關(guān)鍵的部件，同時預測其超速增長和破裂轉(zhuǎn)速。在此基礎(chǔ)上，采用分析的方法表明關(guān)鍵部件的能力已超過經(jīng)認證測試批準的相似部件的能力。根據(jù)FAR-33.27條款(c)款的超轉(zhuǎn)要求，GE公司確認受影響轉(zhuǎn)子模塊中最關(guān)鍵的部件為：

(1)因GEnx-1B75/P1的高壓壓氣機第2級整體葉盤與已取證的GEnx-1B70部件相比無改變，且GEnx-1B70高壓壓氣機轉(zhuǎn)子模塊第2級整體葉盤已通過設計批準，經(jīng)評估認可GEnx-1B70的審定對GEnx-1B75/P1具有有效性。

(2)因GEnx-1B75/P1的高壓渦輪轉(zhuǎn)子與已取證的GEnx-1B70的高壓渦輪轉(zhuǎn)子具有相似性，故可采用GEnx-1B70的數(shù)據(jù)來表明GEnx-1B75/P1的符合性。GEnx-1B75/P1的高壓渦輪轉(zhuǎn)子模塊的第1級和第2級輪盤被認為是關(guān)鍵部件，且其超轉(zhuǎn)特征與已取證的GEnx-1B70的相類似。基于此，對于GEnx-1B75/P1的高壓渦輪第1級輪盤，GE公司使用已取證的GEnx-1B70的認證測試表明符合性；而第2級輪盤，GE公司則使用分析的方法代替超轉(zhuǎn)測試表明符合性，該方法的有效性已由已取證的GE90-94B的第2級高壓渦輪認證測試數(shù)據(jù)證明。

(3) 對于重新設計的第4級低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件，通過分析的方法表明條款符合性，該方法的有效性已由已取證的GE90-115B的第3級低壓渦輪認證測試數(shù)據(jù)證明。

4.2.2 FAA評估結(jié)果

FAA批準并認可GE公司采用的補償措施滿足FAR-33.27條款(c)款的等效安全要求。

(1) 遵從相似準則。具體要求是：每一關(guān)鍵轉(zhuǎn)子部件必須與已經(jīng)測試和批準的轉(zhuǎn)子部件具有相似的幾何和機械特征；分析方法已被相同材料下的超轉(zhuǎn)測試和/或破裂測試所證實；待審定的部件與已取證的部件相比，被證實其具有更大的設計裕度(相對于破裂轉(zhuǎn)速的測試轉(zhuǎn)速)。

(2)申請人需使用經(jīng)FAA批準的超轉(zhuǎn)部件測試數(shù)據(jù)表明分析方法的有效性。即通過審定確認該分析模型可精確預測轉(zhuǎn)子破裂、辨識最關(guān)鍵的轉(zhuǎn)子部件；同時，該分析模型還可精確預測轉(zhuǎn)子部件關(guān)鍵部位與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對應的空間尺寸的增長，并可靠預測發(fā)動機測試和臺架試驗結(jié)果的適用性。

4.3 ELOS No.AT3129EN-E-P-1[11]

本等效安全結(jié)論主要針對GEnx-1B78/P2系列發(fā)動機。針對FAR-33.27條款(c)款的要求，該低壓壓氣機第2級整體葉盤，由CFM56-5的低壓壓氣機超速測試所驗證；高壓壓氣機第2級整體葉盤，由GEnx-1B78原型機的高壓壓氣機第2級整體葉盤超速測試所驗證；高壓渦輪第2級輪盤，由GE90的高壓壓氣機轉(zhuǎn)子超速測試所驗證；低壓渦輪第4級輪盤，由GE90-115B的低壓渦輪第3級輪盤超速測試所驗證。

4.4 ELOS No.8040-ELOS-09-NE01[12]

本等效安全結(jié)論主要針對GEnx-2B67系列發(fā)動機。針對FAR-33.27條款(c)款的要求，GE公司將待審定的GEnx-2B67發(fā)動機關(guān)鍵轉(zhuǎn)子部件與已取證的GEnx-2B P3發(fā)動機的低壓壓氣機、高壓渦輪和低壓渦輪的測試數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)性，仍采用基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法和經(jīng)相關(guān)部件測試數(shù)據(jù)校準的彈塑性有限元分析。

4.5 ELOS No.AT3138EN-E-P-1[13]

本等效安全結(jié)論主要針對GEnx-2B67/P系列發(fā)動機。針對FAR-33.27條款(c)款的要求，該低壓壓氣機第2級輪盤，由CFM56-5C的低壓壓氣機超速測試所驗證；高壓渦輪第2級輪盤，由GE90的高壓壓氣機轉(zhuǎn)子超速測試所驗證；低壓渦輪第4級輪盤，由GE90-115B的低壓渦輪第3級輪盤超速測試所驗證。

5 GEnx系列發(fā)動機的等效安全技術(shù)方法

由上述分析可知，GE公司在GEnx系列發(fā)動機型號取證過程中，其表明等效安全的技術(shù)方法基本類似，可提煉為經(jīng)驗證的自主分析方法和前期已取證型號的支持兩類。

5.1 經(jīng)驗證的自主分析方法

經(jīng)驗證的自主開發(fā)分析方法包括：經(jīng)相關(guān)部件測試數(shù)據(jù)校準的彈塑性有限元分析和基于彈性體積應力的輪盤破裂計算方法。需指出，該分析方法需得到FAA的批準，批準的依據(jù)是通過部件試驗數(shù)據(jù)校準和部件測試驗證。如：等效安全結(jié)論ELOS No.8040-ELOS-08-NE03中的GEnx-1B70系列發(fā)動機以及等效安全結(jié)論ELOS No.8040-ELOS-09-NE01中的GEnx-2B67系列發(fā)動機，在采用自主分析方法表明符合性時，F(xiàn)AA明確要求分析方法應具備以下能力：分析數(shù)據(jù)應針對特定的轉(zhuǎn)子部件和操作環(huán)境；能夠精確預測轉(zhuǎn)子破裂轉(zhuǎn)速，并在轉(zhuǎn)子部件內(nèi)精確辨識轉(zhuǎn)子或部件的最低破壞裕度；能夠適用于新的轉(zhuǎn)子設計并建立關(guān)聯(lián)，可精確預測一定旋轉(zhuǎn)速度條件下轉(zhuǎn)子特定位置的尺寸增長；可靠預測發(fā)動機測試和臺架試驗結(jié)果的適用性。

5.2 前期已取證型號的支持

如果待審定型號部件與已取證型號部件具有一致性或相似性，且待審定型號部件與已取證型號部件可以建立關(guān)聯(lián)，則可利用其他型號的測試結(jié)果證明該部件具有等效安全。這種源于前期已取證型號的支持涉及：

(1) 本公司不同型號發(fā)動機。由等效安全結(jié)論No.8040-ELOS-12-NE01可見，GE公司對GEnx-1B75/P1系列發(fā)動機的適航審定，使用GE90高壓壓氣機轉(zhuǎn)子的超速測試驗證表明GEnx-1B75/P1高壓渦輪第2級輪盤的符合性；使用GE90-115B低壓渦輪第3級輪盤的超速測試驗證表明GEnx-1B75/P1低壓渦輪第4級輪盤的符合性[10]。

(2) 本公司同型號不同推力級發(fā)動機。由等效安全結(jié)論No.8040-ELOS-12-NE01可見，GE公司對GEnx-1B75/P1發(fā)動機的適航審定，使用GEnx-1B70發(fā)動機的驗證測試結(jié)果表明GEnx-1B75/P1發(fā)動機高壓渦輪第1級滿足FAR-33.27條款的要求[10]。

(3) 不同公司不同型號發(fā)動機。由等效安全結(jié)論No.AT3138EN-E-P-1可見，GE公司對GEnx-2B67/P系列發(fā)動機的適航審定，使用CFM56-5C低壓壓氣機的超速測試驗證表明GEnx-2B67/P低壓壓氣機第2級輪盤的符合性[13]。

5.3 替代性技術(shù)方法的相似準則要求

上述經(jīng)驗證的自主分析方法及前期已取證型號的支持，均存在嚴格的相似準則要求和超過參照型號部件能力的要求。具體如下[9，12]：

(1) 轉(zhuǎn)子相似性原則。關(guān)鍵轉(zhuǎn)子部件必須與之前經(jīng)測試和經(jīng)批準的轉(zhuǎn)子部件具有類似的幾何和機械特征，包括：幾何相似——在對關(guān)鍵轉(zhuǎn)子和測試中具有幾何相似的參照轉(zhuǎn)子進行比較時，應關(guān)注設計特征，因其會對局部及平均應力分布產(chǎn)生影響，且會由于制造過程而改變；機械相似——對關(guān)鍵轉(zhuǎn)子和幾何相似的被參照測試轉(zhuǎn)子間的比較應集中在材料(包括但不限于強度極限和應力-應變曲線)和制造方法(包括但不限于材料各向同性和大部分殘余應力)。

(2) 關(guān)鍵轉(zhuǎn)子要求。分析中該結(jié)論針對轉(zhuǎn)子破裂和裂紋增長，需得到當前待審定轉(zhuǎn)子不能比之前已經(jīng)過驗證且相似的轉(zhuǎn)子更為關(guān)鍵這一結(jié)論。這樣的驗證是指轉(zhuǎn)子試驗以及在該試驗條件下，直接對下列參數(shù)的模型預測結(jié)果加以比較：許用應力范圍內(nèi)的極限位置應力水平；可接受的尺寸增長限制下的危險部位的變形；經(jīng)計算得到的測試條件下破裂轉(zhuǎn)速和實際測試中轉(zhuǎn)速的比值。

(3) 持續(xù)適航要求。經(jīng)預測的轉(zhuǎn)子增長應符合FAR-33.4條款中有關(guān)持續(xù)適航的適用范圍。

(4) 分析模型驗證。用來建立等效安全評估數(shù)據(jù)的分析模型應經(jīng)過校準和審定，其校準和審定依據(jù)是FAA批準的超轉(zhuǎn)部件認證測試數(shù)據(jù)。

(5) 關(guān)鍵轉(zhuǎn)子評估要求。必須關(guān)注從模塊中選出的最關(guān)鍵的轉(zhuǎn)子部件破裂的最低裕度和最大塑性增長。如果最低裕度以及最高許用塑性增長發(fā)生在相同轉(zhuǎn)子模塊的不同部件上，則所有的部件必須被評估，其評估方法是通過等效安全滿足FAR-33.27條款(c)款的要求。

6 結(jié)論

針對符合性表明難度較大的FAR-33.27條款，以GE公司獲得型號合格證的GEnx系列航空發(fā)動機為典型案例，在剖析其對應型號合格證數(shù)據(jù)單E00078NE的基礎(chǔ)上，分析等效安全表明技術(shù)方法并在此基礎(chǔ)上概括出關(guān)鍵技術(shù)和準則要求，具體為：

(1) 采用經(jīng)驗證的自主分析方法來表明等效安全是GEnx系列發(fā)動機審定中所采用的主要方法；

(2) 如果待審定型號部件與已取證型號部件具有一致性或相似性，且待審定型號部件與已取證型號部件可以建立關(guān)聯(lián)，則可使用其他型號的測試結(jié)果來證明該部件具有等效安全；

(3) 當采用經(jīng)前期型號數(shù)據(jù)驗證的自主分析方法及前期已取證型號的支持時，均存在嚴格的相似準則要求，同時也應具有超過參照型號部件能力的要求。