輔助動力裝置轉(zhuǎn)子非包容失效風(fēng)險(xiǎn)及持續(xù)適航評估

顧海健 王鵬

摘要：針對某型飛機(jī)運(yùn)營中發(fā)生的輔助動力裝置轉(zhuǎn)子非包容失效，通過威布爾分析得到失效概率模型，采用概率風(fēng)險(xiǎn)分析建立基于蒙特卡洛仿真的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法，為方案優(yōu)選提供決策依據(jù)。預(yù)測模型兼顧轉(zhuǎn)子硬時(shí)限、軟時(shí)限控制，考慮了失效發(fā)生的隨機(jī)性，在持續(xù)適航定量評估方法上有一定創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子非包容；持續(xù)適航；風(fēng)險(xiǎn)分析；蒙特卡洛仿真

Keywords：uncontained rotor；continued airworthiness；risk prediction；Monte Carlo simulation

0 引言

適航法規(guī)要求，運(yùn)輸類飛機(jī)服役階段若發(fā)生影響飛行安全的故障，如動力裝置轉(zhuǎn)子非包容等，飛機(jī)運(yùn)營方和制造廠家必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)報(bào)告監(jiān)管部門，盡快啟動故障原因調(diào)查，確定失效危險(xiǎn)等級，評估安全風(fēng)險(xiǎn)，制定糾正措施及控制計(jì)劃。

為保證飛行安全，民用飛機(jī)在運(yùn)營中應(yīng)盡量避免危險(xiǎn)性故障。發(fā)動機(jī)和輔助動力裝置（APU）在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速下工作，轉(zhuǎn)動部件失效難以避免。轉(zhuǎn)子失效產(chǎn)生的高能碎片如不能包容，可能導(dǎo)致飛機(jī)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的損傷，甚至更嚴(yán)重后果[1-3]。受成本和技術(shù)條件制約，徹底消除轉(zhuǎn)子非包容失效是不切實(shí)際的?？尚械耐緩绞菍⒎前菔У娘L(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的水平，這可以從兩方面著手：一是降低失效危險(xiǎn)等級（影響后果）；二是減小失效發(fā)生概率。

本文以APU轉(zhuǎn)子非包容失效為例，演示一種基于蒙特卡洛仿真，結(jié)合失效概率分析的持續(xù)適航評估方法。

1 持續(xù)適航評估

持續(xù)適航是指涉及所有航空器的，在其使用壽命內(nèi)任何時(shí)間都符合其型號審定的適航要求，并始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)的全部過程。持續(xù)適航評估的目的是保證運(yùn)輸類飛機(jī)在服役期內(nèi)始終保持對設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的符合性。影響運(yùn)行安全的故障是持續(xù)適航關(guān)注的重點(diǎn)。持續(xù)適航要求，動力裝置（發(fā)動機(jī)和APU）發(fā)生影響飛行安全的失效時(shí)，航空公司或制造廠家必須調(diào)查原因，確定失效（不安全狀態(tài)）危險(xiǎn)等級，評估持續(xù)適航風(fēng)險(xiǎn)。

轉(zhuǎn)子非包容失效是發(fā)動機(jī)和APU普遍存在的風(fēng)險(xiǎn)，必須重視。當(dāng)前，國內(nèi)主要針對設(shè)計(jì)階段適航取證要求開展轉(zhuǎn)子非包容失效研究[4-8]，采用的安全評估流程和方法與運(yùn)營階段持續(xù)適航評估的方法和流程相比存在差異[9-10]，但基本原理和準(zhǔn)則是相通的[11-12]。將類似產(chǎn)品積累的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)應(yīng)用到新研發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)中，可減少類似問題的復(fù)現(xiàn)，降低研制風(fēng)險(xiǎn)和成本，縮短研制周期。

持續(xù)適航評估的對象是不安全狀態(tài)即失效導(dǎo)致的危險(xiǎn)狀態(tài)，危險(xiǎn)狀態(tài)如不加以控制糾正，可能產(chǎn)生飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷、人身傷害等嚴(yán)重性后果。對不安全狀態(tài)必須進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評估，為備選糾正措施進(jìn)行方案優(yōu)選排序。定量評估所需數(shù)據(jù)來自機(jī)隊(duì)服役經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)測試和工程分析。定量評估還可用于判斷風(fēng)險(xiǎn)控制計(jì)劃的充分性和有效性，即糾正措施是否降低了風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)評估包含三個(gè)要素：確定危險(xiǎn)等級、估計(jì)發(fā)生概率、評估受影響機(jī)隊(duì)的規(guī)模和使用率。

為指導(dǎo)航空公司和制造廠家系統(tǒng)化、規(guī)范化地開展持續(xù)適航評估，F(xiàn)AA發(fā)布了咨詢通告AC39-8[9]，介紹了持續(xù)適航評估方法，簡稱CAAM，用于定義失效危險(xiǎn)等級、評估風(fēng)險(xiǎn)、制定糾正措施、對備選措施排序、確認(rèn)措施的有效性等。

高艷蕾[10]介紹了基于CAAM的故障風(fēng)險(xiǎn)分析及評估方法，以某渦扇發(fā)動機(jī)第8級壓氣機(jī)盤斷裂失效為對象，演示了風(fēng)險(xiǎn)分析評估的基本流程。典型的持續(xù)適航評估包含六個(gè)主要步驟：

1）確定失效狀態(tài)的危險(xiǎn)等級；

2）評估不采取糾正措施情況下的風(fēng)險(xiǎn)；

3）制定糾正措施及風(fēng)險(xiǎn)控制方案；

4）對不同的風(fēng)險(xiǎn)控制方案排序；

5）實(shí)施糾正措施；

6）監(jiān)控糾正措施的執(zhí)行效果。

不安全狀態(tài)的危險(xiǎn)等級根據(jù)實(shí)際發(fā)生的后果評定，具體為：5級——災(zāi)難性的（多人死亡、飛機(jī)損毀）；4級——重大的（強(qiáng)制著陸、飛機(jī)基本報(bào)廢、人員重傷）；3級——嚴(yán)重的（飛機(jī)顯著損傷）；0、1、2級——影響輕微的、無影響的（飛機(jī)無損傷或損傷輕微）。

值得注意的是，用于持續(xù)適航評估的危險(xiǎn)等級定義[9]與設(shè)計(jì)取證采用的危險(xiǎn)等級定義[13]有差異，持續(xù)適航是根據(jù)實(shí)際發(fā)生的后果而不是可能發(fā)生的最嚴(yán)重后果來評估危險(xiǎn)等級。

根據(jù)AC39-8[9]推薦的CAAM，可通過兩種方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。一種是計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)因子值，評估風(fēng)險(xiǎn)因子是否低于限制值；另一種是評估危險(xiǎn)事件發(fā)生率（失效率）是否低于限制值。風(fēng)險(xiǎn)因子是指預(yù)期未來特定時(shí)間內(nèi)，特定危險(xiǎn)等級失效事件的發(fā)生次數(shù)，通過計(jì)算預(yù)期的失效數(shù)與危險(xiǎn)比例（Hazard Ratio）的乘積得到。預(yù)測失效數(shù)時(shí)應(yīng)考慮機(jī)隊(duì)的剩余服役期（Remaining Service Life）。危險(xiǎn)比例對應(yīng)特定的危險(xiǎn)等級，通過計(jì)算發(fā)生不安全后果的條件概率得到。AC39-8[9]提供了3級和4級危險(xiǎn)事件可接受的風(fēng)險(xiǎn)因子和發(fā)生率限制值，如表1所示。

從表1可知，危險(xiǎn)等級更高的4級風(fēng)險(xiǎn)因子的允許值比3級低一個(gè)數(shù)量級。需要注意的是，設(shè)計(jì)取證和運(yùn)營階段可接受的安全水平不同。例如，設(shè)計(jì)取證階段通常將渦輪盤破裂失效定為危害性的，但是，持續(xù)適航評估卻是根據(jù)失效的實(shí)際后果來定危險(xiǎn)等級的，因此可以是1～5級之間的任意一級。

風(fēng)險(xiǎn)因子根據(jù)糾正措施是否實(shí)施分為三類。

1）未糾正的風(fēng)險(xiǎn)因子：不采取糾正措施，機(jī)隊(duì)服役期內(nèi)預(yù)期將發(fā)生的危險(xiǎn)性失效數(shù)；

2）糾正措施（或控制計(jì)劃）實(shí)施期風(fēng)險(xiǎn)因子：糾正措施實(shí)施期內(nèi)，預(yù)期發(fā)生的危險(xiǎn)性失效數(shù)；

3）糾正措施后風(fēng)險(xiǎn)因子：糾正措施實(shí)施后，機(jī)隊(duì)剩余服役期內(nèi)將發(fā)生的危險(xiǎn)性失效數(shù)。

機(jī)隊(duì)服役期通常假設(shè)為20年（60000飛行小時(shí)）或更短，取決于服役期限。

2 APU轉(zhuǎn)子非包容

APU通常安裝于飛機(jī)尾部，為一臺小型燃?xì)廨啓C(jī)，主要功能是提供飛機(jī)在地面時(shí)的客艙用氣，以及發(fā)動機(jī)起動用氣和環(huán)控、駕駛艙、液壓系統(tǒng)所需的電源。APU包含高速轉(zhuǎn)動部件（壓氣機(jī)和渦輪），轉(zhuǎn)速可達(dá)60000rpm。根據(jù)持續(xù)適航要求，APU發(fā)生轉(zhuǎn)子非包容失效時(shí)必須通報(bào)局方，啟動失效事件調(diào)查，評估安全風(fēng)險(xiǎn)。

某支線客機(jī)機(jī)隊(duì)兩年期間發(fā)生6起APU轉(zhuǎn)子非包容事件，飛脫的渦輪盤彈出飛機(jī)尾部，引起航空公司和局方關(guān)切。APU生產(chǎn)廠家啟動了事件調(diào)查及原因分析，調(diào)查結(jié)論為：因材料和加工制造缺陷，渦輪盤高應(yīng)力部位在低循環(huán)疲勞載荷作用下萌生裂紋，裂紋擴(kuò)展乃至斷裂。大部分產(chǎn)生裂紋的渦輪盤可在APU進(jìn)廠檢修時(shí)，通過熒光滲透劑檢測發(fā)現(xiàn)并更換；少部分有裂紋的渦輪盤不能被發(fā)現(xiàn)，裂紋逐漸擴(kuò)展直至斷裂。斷裂時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的盤失去約束，沿軸向飛出，碎片可能損傷飛機(jī)結(jié)構(gòu)、燃油管路等關(guān)鍵部位，危及飛行安全。需評估危險(xiǎn)等級，預(yù)測安全風(fēng)險(xiǎn)，制定糾正措施。

針對該機(jī)隊(duì)APU非包容事件，按照CAAM流程，經(jīng)過以下六個(gè)步驟開展持續(xù)適航評估。

2.1 確定危險(xiǎn)等級

渦輪盤出現(xiàn)可檢測裂紋或斷裂時(shí)判定為失效。共發(fā)生96次失效，其中6次導(dǎo)致渦輪盤軸向非包容，但未產(chǎn)生飛機(jī)損傷或人身傷害。因此，已發(fā)生的非包容危險(xiǎn)等級定為2級或低于2級。渦輪盤非包容失效與總失效的比例為6/96。

2.2 評估風(fēng)險(xiǎn)

風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)，先假設(shè)不采取糾正措施，預(yù)測將發(fā)生多少次渦輪盤失效、多少次非包容、危險(xiǎn)等級3級以上的發(fā)生概率或次數(shù)。根據(jù)結(jié)果判斷風(fēng)險(xiǎn)是否可接受。

接下來計(jì)算3級風(fēng)險(xiǎn)因子，即20年機(jī)隊(duì)服役期內(nèi)將發(fā)生的渦輪盤非包容失效數(shù)，乘以3級對應(yīng)的危險(xiǎn)比例。非包容失效數(shù)等于渦輪盤失效數(shù)乘以比例系數(shù)6/96。渦輪盤失效數(shù)采用蒙特卡洛仿真計(jì)算。3級危險(xiǎn)比例等于2級或更低級事件導(dǎo)致3級的條件概率。根據(jù)FAA的APU故障統(tǒng)計(jì)報(bào)告CAAM2 Report[15]（見表2），歷史上共有15次APU軸向轉(zhuǎn)子非包容，其中3級及以上危險(xiǎn)等級失效數(shù)為0。為計(jì)算3級危險(xiǎn)比例，保守性假設(shè)下次失效將是3級。因此，危險(xiǎn)比例為1/（1+15）=1/16。

不采取糾正措施情況下，渦輪盤非包容失效對應(yīng)的3級風(fēng)險(xiǎn)因子等于機(jī)隊(duì)服役期內(nèi)渦輪盤失效次數(shù)×（6/96）×（1/16）=1516×（6 / 9 6）×（1/16），計(jì)算結(jié)果5.92>1，風(fēng)險(xiǎn)不可接受，需采取風(fēng)險(xiǎn)控制和糾正措施。

2.3 制定風(fēng)險(xiǎn)控制計(jì)劃

風(fēng)險(xiǎn)控制計(jì)劃包括糾正措施及其實(shí)施計(jì)劃。備選的糾正措施可以是：制造、維修和使用操作程序的改變，包括限時(shí)派遣，部件修理、更換、改裝等。APU渦輪盤失效的原因是低循環(huán)疲勞，因此首先考慮限制安全使用壽命。

提出三個(gè)備選糾正措施。第一個(gè)是短期措施，對渦輪盤采用5000循環(huán)軟時(shí)限和15000循環(huán)硬時(shí)限，限制安全使用壽命。5000循環(huán)軟時(shí)限的依據(jù)是：APU平均返廠間隔為9000循環(huán)，假設(shè)一臺APU已使用5000循環(huán)，進(jìn)廠修理時(shí)如不更換渦輪盤，根據(jù)失效概率模型，再次裝機(jī)后9000循環(huán)內(nèi)盤的失效概率為11%，風(fēng)險(xiǎn)較高。15000循環(huán)硬時(shí)限的依據(jù)是：渦輪盤累積循環(huán)達(dá)15000時(shí)，失效概率劇增，應(yīng)強(qiáng)制更換，以降低非包容風(fēng)險(xiǎn)。圖3所示為新舊渦輪盤失效概率對比，可見，已使用5000循環(huán)后的渦輪盤，失效概率顯著高于新盤。第二個(gè)措施是重新設(shè)計(jì)渦輪盤，將低循環(huán)疲勞壽命提升20%。第三個(gè)措施是在APU中加一個(gè)渦輪盤包容器（Turbine Wheel Catcher）[16-17]，防止斷裂的渦輪盤飛出機(jī)匣。

從技術(shù)角度來看，第一條措施不需更改設(shè)計(jì)，技術(shù)難度低，但軟硬時(shí)限給航空公司帶來高的運(yùn)營維修成本；第二、三條措施涉及技術(shù)更改，可能需要適航符合性驗(yàn)證，預(yù)計(jì)5年時(shí)間，周期長、技術(shù)難度大、廠家成本高，關(guān)鍵要看安全風(fēng)險(xiǎn)能否降低至可接受的水平。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)控制計(jì)劃排序

風(fēng)險(xiǎn)控制計(jì)劃排序涉及備選措施所需資源及風(fēng)險(xiǎn)因子值。資源包括時(shí)間、原材料（零部件及檢測設(shè)備）、人力等。排序?yàn)楣芾頉Q策提供依據(jù)，最終目的是將受影響機(jī)隊(duì)的危險(xiǎn)水平恢復(fù)到不高于產(chǎn)品取證時(shí)的水平。對三條備選措施的排序需參考風(fēng)險(xiǎn)因子值的大小。風(fēng)險(xiǎn)因子計(jì)算的第一步，是預(yù)測不同糾正措施實(shí)施后的渦輪盤失效數(shù)。采用蒙特卡洛法，在Excel中建立仿真模型，預(yù)測APU機(jī)隊(duì)20年服役期內(nèi)渦輪盤的總失效數(shù)。仿真分六步進(jìn)行，流程如圖4所示。

第一步，建立參數(shù)輸入模塊。輸入?yún)?shù)包括：渦輪盤失效概率模型參數(shù)（威布爾形狀參數(shù)4.49、尺度參數(shù)22581），其他失效模式的MCBUR（平均故障間隔循環(huán)、9000循環(huán)），預(yù)期剩余服役壽命（20年），軟時(shí)限（5000），硬時(shí)限（15000），單臺APU每年工作循環(huán)數(shù)（1800循環(huán)/年），機(jī)隊(duì)臺數(shù)（1000）。

第三步，模擬生成一個(gè)指數(shù)分布的其他失效模式發(fā)生時(shí)間。其他失效是指渦輪盤以外的失效模式。指數(shù)分布參數(shù)MCBUR取9000循環(huán)。失效模式發(fā)生時(shí)間為：

其中，rand（0，1）為Excel中的隨機(jī)數(shù)函數(shù)，產(chǎn)生0到1之間的隨機(jī)數(shù)。

第四步，比較渦輪盤失效時(shí)間和其他失效模式時(shí)間，結(jié)合硬時(shí)限15000循環(huán)和軟時(shí)限5000循環(huán)，確定渦輪盤是否失效。

第五步，更新渦輪盤壽命值。

第六步，確定APU壽命是否已達(dá)服役期限（20年）。

重復(fù)第一至第六步直至仿真迭代結(jié)束。迭代次數(shù)一般取1000～10000次。結(jié)果如表3所示。

于是得出以下結(jié)論：如采取方案1，即15000循環(huán)硬時(shí)限加5000循環(huán)軟時(shí)限，預(yù)計(jì)在機(jī)隊(duì)剩余服役期內(nèi)，渦輪盤失效數(shù)501次，3級危險(xiǎn)性事件的風(fēng)險(xiǎn)因子值1.96，對比不采取糾正措施時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)因子值5.92，效果顯著，但風(fēng)險(xiǎn)因子仍大于1。如將第一條和第二條措施結(jié)合，渦輪盤失效數(shù)383次，3級風(fēng)險(xiǎn)因子值1.5，仍大于1。如將第一條和第三條措施結(jié)合，渦輪盤失效數(shù)219次，3級風(fēng)險(xiǎn)因子值0.86，滿足小于1的要求。

2.5 實(shí)施糾正措施

實(shí)施糾正措施的目的是降低渦輪盤發(fā)生非包容失效的風(fēng)險(xiǎn)，滿足持續(xù)適航要求?；谇笆鲲L(fēng)險(xiǎn)評估的結(jié)果，決定糾正措施分兩步進(jìn)行：首先，由APU廠家發(fā)布服務(wù)通告，實(shí)施15000循環(huán)硬時(shí)限和5000循環(huán)軟時(shí)限控制；其次，由APU廠家啟動渦輪盤包容器方案設(shè)計(jì)，5年內(nèi)完成驗(yàn)證和交付。

2.6 監(jiān)控糾正措施進(jìn)展和效果

經(jīng)過APU廠家跟蹤統(tǒng)計(jì)，后續(xù)一年未發(fā)生渦輪非包容，證明糾正措施有效。

圖5所示為持續(xù)適航評估流程的回顧。

3 總結(jié)

本文介紹了持續(xù)適航評估法（CAAM），提供了可用于發(fā)動機(jī)和APU風(fēng)險(xiǎn)評估的方法及步驟。針對不同糾正措施及風(fēng)險(xiǎn)控制方案引起的分析復(fù)雜度劇增的難題，提出了基于蒙特卡洛仿真的算法，可同時(shí)兼顧轉(zhuǎn)子硬時(shí)限和軟時(shí)限控制及設(shè)計(jì)改進(jìn)措施的風(fēng)險(xiǎn)評估需求，在基于仿真的持續(xù)適航評估方面有一定創(chuàng)新性、靈活性和可擴(kuò)展性，用于預(yù)測不同的失效模式、篩選不同的風(fēng)險(xiǎn)控制方案、驗(yàn)證糾正措施的有效性等。

轉(zhuǎn)子非包容失效可能產(chǎn)生危險(xiǎn)性后果，是發(fā)動機(jī)和APU普遍存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，必須予以重視。設(shè)計(jì)階段采用的安全評估方法不同于服役階段，基本原理和準(zhǔn)則卻是相通的。將類似產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)用到新研發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中，可避免類似問題復(fù)現(xiàn)，降低研制風(fēng)險(xiǎn)和成本，縮短研制周期。

本文梳理總結(jié)了FAA推薦的持續(xù)適航評估方法，引用的案例對國內(nèi)民航業(yè)開展發(fā)動機(jī)及APU持續(xù)適航評估有參考價(jià)值，對國產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)及輔助動力裝置的安全設(shè)計(jì)、持續(xù)適航保證體系建設(shè)、提前合理規(guī)劃等有一定啟示。

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作者簡介

顧海健，主管工程師，專業(yè)方向：發(fā)動機(jī)可靠性與安全性。

王鵬，首席專家，專業(yè)方向：發(fā)動機(jī)可靠性與安全性。