民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子包容性適航要求及符合性方法研究

杜春林，邢軍，趙振強(qiáng)，何歆，戚震輝，江濤，葛巖，張超，李玉龍

1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072

2.中國(guó)民用航空適航審定中心，北京 100102

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片由于長(zhǎng)期在高溫、高轉(zhuǎn)速、高載荷的環(huán)境下工作，容易發(fā)生疲勞斷裂，斷裂部分會(huì)在巨大的離心力作用下被甩出，若發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣不能包容該碎片，則飛出的高速高能碎片有可能會(huì)破壞飛機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)部件，造成機(jī)艙失壓、系統(tǒng)部件失效或設(shè)備失靈等多種風(fēng)險(xiǎn)，極有可能導(dǎo)致飛機(jī)出現(xiàn)災(zāi)難性事故，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子包容性問(wèn)題是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮和解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。

轉(zhuǎn)子包容性主要是指發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣要具有足夠的強(qiáng)度，以防止斷裂或脫落的葉片穿透機(jī)匣。民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)必須滿足相關(guān)適航規(guī)章并獲得適航當(dāng)局的批準(zhǔn)才能投入使用，國(guó)內(nèi)外適航標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子包容性都有明確要求。國(guó)外從20 世紀(jì)80 年代開始展開對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片包容性的研究，包容性的分析和試驗(yàn)方法已經(jīng)比較成熟。我國(guó)由于開展相關(guān)研究時(shí)間較短，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)和適航取證經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)于包容性相關(guān)適航條款的理解不夠充分，對(duì)于如何表明發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的符合性的路徑和方法不清晰，缺少相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

本文主要解析國(guó)內(nèi)外主流適航規(guī)章對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子包容性的要求，并闡述向適航當(dāng)局表明發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)滿足轉(zhuǎn)子包容性相關(guān)適航條款的方法。

1 包容性適航條款及其發(fā)展歷史

1.1 中國(guó)適航規(guī)章對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)包容性的要求

我國(guó)現(xiàn)行有效的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)章為2012年1月1 日施行的《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-33-R2），其中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子包容性共有三處要求。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造必須使發(fā)動(dòng)機(jī)在翻修周期之間不安全狀態(tài)的發(fā)展減至最小。壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子機(jī)匣的設(shè)計(jì)必須對(duì)因轉(zhuǎn)子葉片失效而引起的破壞具有包容性。必須確定由于轉(zhuǎn)子葉片失效，穿透壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子機(jī)匣后的轉(zhuǎn)子葉片碎片的能量水平和軌跡（對(duì)應(yīng)CCAR-33.19 耐用性條款的（a）項(xiàng)）。

（2）除了本要求（3）規(guī)定外，除非在下列每一事故后發(fā)動(dòng)機(jī)損壞的結(jié)果導(dǎo)致了自動(dòng)停車，否則必須通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證：發(fā)動(dòng)機(jī)能包容損壞件至少運(yùn)轉(zhuǎn)15s不著火，并且其安裝節(jié)也不失效（對(duì)應(yīng)CCAR-33.94 葉片包容性和轉(zhuǎn)子不平衡試驗(yàn)條款的（a）項(xiàng)）：在以最大允許轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)期間，最危險(xiǎn)的壓氣機(jī)或風(fēng)扇的一個(gè)葉片失效。該葉片失效必須出現(xiàn)在盤上最外層的固定榫槽處；或?qū)τ谡w葉盤轉(zhuǎn)子，葉片必須至少缺損80%。在以最大允許轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)期間，最危險(xiǎn)的渦輪葉片失效。該葉片失效必須出現(xiàn)在盤上最外部的固定榫槽處；或?qū)τ谡w葉盤轉(zhuǎn)子，該葉片必須至少缺損80%。必須根據(jù)渦輪葉片的重量（質(zhì)量）和其鄰近的渦輪機(jī)匣在與最大允許轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)相關(guān)的溫度和壓力下的強(qiáng)度確定該最危險(xiǎn)的渦輪葉片。

（3）基于根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)、部件試驗(yàn)或使用經(jīng)驗(yàn)的分析如果符合下列條件，可以代替要求（2）規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)之一（對(duì)應(yīng)CCAR-33.94葉片包容性和轉(zhuǎn)子不平衡試驗(yàn)的（b）項(xiàng)）：某一試驗(yàn)（上述規(guī)定的兩個(gè)試驗(yàn)之一）產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子不平衡量為最小；證明分析等同于上述某一試驗(yàn)[1]。

1.2 適航條款的實(shí)質(zhì)含義

發(fā)動(dòng)機(jī)包容性1.1節(jié)中要求（1）的實(shí)質(zhì)含義為：發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)具有包容失效轉(zhuǎn)子葉片的能力，防止失效葉片從旋轉(zhuǎn)平面飛出發(fā)動(dòng)機(jī)而對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成損傷；發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片碎片可以從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口和出口飛出，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方需要確定葉片失效后碎片的能量水平和軌跡并提供給飛機(jī)設(shè)計(jì)方。1.1節(jié)中要求（2）的實(shí)質(zhì)含義為：要求采用發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證1.1節(jié)中的要求（1），即發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)具有包容失效轉(zhuǎn)子葉片的能力，同時(shí)要求發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行整機(jī)包容性試驗(yàn)時(shí)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不著火，并且其安裝結(jié)構(gòu)可以承受因轉(zhuǎn)子葉片脫離導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡載荷。1.1節(jié)中要求（3）的實(shí)質(zhì)含義為：確定各類型發(fā)動(dòng)機(jī)需要開展葉片包容試驗(yàn)的次數(shù)。

1.3 美國(guó)適航規(guī)章發(fā)動(dòng)機(jī)包容性相關(guān)條款的發(fā)展歷史

美國(guó)適航規(guī)章對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)包容性的要求是：現(xiàn)行有效的美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的適航規(guī)章（FAR Part 33）中對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)包容性的要求，與《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-33-R2）要求完全一致[2]。

美國(guó)適航規(guī)章對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)包容性相關(guān)條款的要求并不是一成不變的，而是隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)水平的提升和人類對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的認(rèn)識(shí)而逐漸發(fā)展的。以下簡(jiǎn)述相關(guān)條款的發(fā)展歷史。

（1）耐用性條款（FAR 33.19）發(fā)展歷程

FAA 在1965 年2 月1 日生效的FAR 33 第0 修正案中，即提出了33.19條耐用性的要求，當(dāng)時(shí)只要求壓氣機(jī)和渦輪機(jī)匣能夠包容轉(zhuǎn)子葉片失效帶來(lái)的危害。

1980 年，F(xiàn)AA 在NPRM 80-21 中提出對(duì)于安裝渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，在設(shè)計(jì)中必須考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子失效或燒穿發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣事件對(duì)飛機(jī)的影響，盡可能減小上述事件對(duì)飛機(jī)的危害[3]。因此，F(xiàn)AA 擬對(duì)33.19 條新增一個(gè)要求，即要求發(fā)動(dòng)機(jī)制造商確定可能飛出發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的高能轉(zhuǎn)子葉片碎片的影響。修正提案對(duì)原有33.19條的規(guī)定進(jìn)行了更新，要求發(fā)動(dòng)機(jī)申請(qǐng)人確定飛出發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的轉(zhuǎn)子葉片碎片的能量水平和軌跡。這些數(shù)據(jù)將幫助使用該發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)方進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)及審定，從而提高安全性水平。

FAA 在1984 年3 月26 日 生 效的FAR 33 第10 修 正 案中，增加了確定由轉(zhuǎn)子葉片失效導(dǎo)致的穿透機(jī)匣的葉片碎片的軌跡和能量的要求[4]。在2008 年12 月23 日生效的FAR 33第28修正案中，該條款中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)包容性的要求未發(fā)生任何變化[5]。

（2）葉片包容性和轉(zhuǎn)子不平衡試驗(yàn)條款（FAR 33.94）發(fā)展歷程

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片包容性試驗(yàn)的要求最早在1974 年生效的FAR 33 第6 修正案中33.77 條外物吸入條款中出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)將失效脫落的葉片作為發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的外來(lái)物考慮，要求發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)整機(jī)試驗(yàn)的方法驗(yàn)證其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，一片最重的壓氣機(jī)或渦輪葉片從最外側(cè)流道線或整個(gè)斷裂，或整體葉盤中從最少80%的整體葉片處斷裂，15s后將試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)停車，其碎片吸入發(fā)動(dòng)機(jī)后不會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)著火或擊穿或產(chǎn)生過(guò)大的安裝節(jié)載荷或不能停車[6]。1980 年，F(xiàn)AA 在NPRM 80-21 中提出了刪除原33.77 條外物吸入中對(duì)于吸入失效轉(zhuǎn)子葉片的試驗(yàn)要求，并新增33.94條葉片包容性和轉(zhuǎn)子不平衡試驗(yàn)要求的修訂建議。FAA 提出的新增33.94條的內(nèi)容即本文1.1 節(jié)中的要求（2）和（3）。FAA 還認(rèn)為符合b 款要求的基于臺(tái)架試驗(yàn)、零部件試驗(yàn)或使用經(jīng)驗(yàn)的分析只能用來(lái)代替新增規(guī)章a 款要求中兩項(xiàng)試驗(yàn)的其中一項(xiàng)。為了表明符合33.94條的要求，至少應(yīng)完成一項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣能夠包容葉片失效所導(dǎo)致的損傷，并且發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在失效葉片所導(dǎo)致的不平衡條件下維持其結(jié)構(gòu)的完整性。該條款在當(dāng)時(shí)引起了業(yè)界很大的爭(zhēng)論。部分發(fā)動(dòng)機(jī)制造商認(rèn)為NPRM 80-21中所要求的葉片失效后發(fā)動(dòng)機(jī)15s持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)于嚴(yán)苛，并建議只要沒有發(fā)生轉(zhuǎn)子爆裂、著火或產(chǎn)生過(guò)高的安裝結(jié)構(gòu)載荷，發(fā)動(dòng)機(jī)在15s內(nèi)停車是可以接受的。FAA同意某些發(fā)動(dòng)機(jī)葉片失效后不能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)15s的觀點(diǎn)，因此采納了該建議，在最終發(fā)布規(guī)章時(shí)，修訂了a 款要求，允許失效損傷在15s 內(nèi)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車。部分發(fā)動(dòng)機(jī)制造商建議對(duì)33.94 條a 款第2 項(xiàng)進(jìn)行更改，要求發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)在最關(guān)鍵的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣溫度條件下完成，而不是如NPRM 80-21 中所提出的最關(guān)鍵渦輪葉片條件下完成。FAA 認(rèn)為在確定最關(guān)鍵渦輪葉片的分析中，應(yīng)當(dāng)包含發(fā)動(dòng)機(jī)在最大允許轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)機(jī)匣溫度及相應(yīng)的材料特性，因此對(duì)于關(guān)鍵機(jī)匣溫度的額外聲明并不必要，故未采納該建議[3]。

根據(jù)以上征求意見結(jié)果，F(xiàn)AA在1984年生效的FAR 33第10 修正案中，增加了33.94 葉片包容性和轉(zhuǎn)子不平衡試驗(yàn)的要求，即是本文1.1節(jié)的要求（2）和（3）[4]。

由以上分析可見，適航規(guī)章條款的變化是隨著人類對(duì)于航空安全認(rèn)識(shí)水平的不斷提升而產(chǎn)生的，并且由航空制造業(yè)、適航監(jiān)管當(dāng)局充分討論，共同協(xié)商一致才能產(chǎn)生。適航規(guī)章條款的不斷修訂，保證了民航飛行保持在公眾可以接受的安全性水平。

1.4 復(fù)合材料葉片的包容性適航要求

近年來(lái)，隨著對(duì)復(fù)合材料研究的逐漸深入，高比強(qiáng)度、高比剛度、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等諸多優(yōu)異特性使得復(fù)合材料在許多重要的工程結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用[7]。在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇葉片和包容機(jī)匣已經(jīng)在部分型號(hào)中得到使用[8]。然而，適航規(guī)章中對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)包容性的要求僅覆蓋采用傳統(tǒng)金屬材料的風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)，不適用于復(fù)合材料風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)。因此，F(xiàn)AA 針對(duì)GE90、GEnx、LEAP等采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)風(fēng)扇葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，制定了關(guān)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇葉片的專用條件。

最早使用復(fù)合材料航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的型號(hào)是美國(guó)通用電氣的GE90，F(xiàn)AA 針對(duì)其制定的專用條件為SC33-ANE-08，其中關(guān)于結(jié)構(gòu)包容性的具體要求如下：

（1） 允許采用流道環(huán)線平臺(tái)作為釋放葉片的失效位置開展風(fēng)扇葉片脫落的整機(jī)試驗(yàn)表明對(duì)第33.94條的符合性。

（2） 風(fēng)扇輪盤和葉片的保持系統(tǒng)必須能夠承受兩倍最大運(yùn)行載荷；通過(guò)試驗(yàn)和分析或其他可接受的方法，表明葉片流道環(huán)線以下部分的設(shè)計(jì)具有多重傳力路徑和/或阻止裂紋的特征，從而能夠防止分層或裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致葉片失效。

（3） 在整個(gè)服役周期內(nèi)任何原因?qū)е碌娘L(fēng)扇葉片保持系統(tǒng)的失效都必須證明是極不可能的。

（4） 在靜載和低循環(huán)疲勞限制的分析和試驗(yàn)中必須考慮使用中的退化、材料和加工的分散度以及環(huán)境的影響[9]。

通過(guò)對(duì)上述要求的理解，該專用條件的實(shí)質(zhì)要求是：（1）復(fù)合材料風(fēng)扇葉片流道線以上的部分通過(guò)整機(jī)包容試驗(yàn)驗(yàn)證包容性；（2）復(fù)合材料風(fēng)扇葉片流道線以下的部分要能夠承受兩倍最大的運(yùn)行載荷；（3）復(fù)合材料風(fēng)扇葉片流道線以下部分的制造缺陷不能由于承受運(yùn)行載荷而擴(kuò)展；（4）風(fēng)扇葉片的輪盤應(yīng)視為關(guān)鍵件管理，其壽命期內(nèi)的失效概率小于10-9次/飛行小時(shí)；（5）復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的靜載和疲勞分析試驗(yàn)中材料的性能要考慮制造缺陷、環(huán)境影響和使用退化。

對(duì)于GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)風(fēng)扇葉片的專用條件為SC33-006-SC（針對(duì)GEnx-1B 發(fā)動(dòng)機(jī)）和SC33-007-SC（針對(duì)GEnx-2B發(fā)動(dòng)機(jī)），其中關(guān)于結(jié)構(gòu)包容性的要求基本繼承了GE90 發(fā)動(dòng)機(jī)的專用條件，沒有增加新的要求[10-11]。對(duì)于LEAP 發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)風(fēng)扇葉片的專用條件為SC33-015-SC（針對(duì)LEAP-1A 和LEAP-1C 發(fā)動(dòng)機(jī)）和SC33-017-SC（針對(duì)LEAP-1B發(fā)動(dòng)機(jī)），其中對(duì)于結(jié)構(gòu)包容性的要求和GE90、GEnx 發(fā)動(dòng)機(jī)的專用條件中對(duì)結(jié)構(gòu)包容性的要求一致，只是更明確說(shuō)明了風(fēng)扇葉片保持系統(tǒng)包括葉片流道線以下的部分、葉片保持部件、風(fēng)扇盤和風(fēng)扇葉片附件等[12-13]。

該類專用條件基于一個(gè)重要的安全假設(shè)，即復(fù)合材料中的制造缺陷（如裂紋、分層等）不會(huì)像金屬材料中的缺陷一樣進(jìn)行擴(kuò)展，因此復(fù)合材料葉片只可能是由于外物沖擊而不可能因?yàn)樽陨砣毕輰?dǎo)致葉片斷裂，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)包容問(wèn)題。因此，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)只需進(jìn)行復(fù)合材料葉片流道線以上部分（可能被外物撞擊的部分）脫落的整機(jī)包容性試驗(yàn)來(lái)表明符合性。因此，F(xiàn)AA認(rèn)為該類專用條件只適用于完全由纖維和樹脂制備的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片（如用于GE90、GEnx和LEAP型發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片），對(duì)于采用金屬內(nèi)芯外部纏繞復(fù)合材料的葉片不適用（如PW1100系列的金屬芯復(fù)合材料葉片），因?yàn)槠淙毕菘赡軙?huì)在金屬內(nèi)芯中擴(kuò)展，從而導(dǎo)致整個(gè)葉片從根部斷裂脫落。

這類專用條件與適航規(guī)章中發(fā)動(dòng)機(jī)包容性的三條要求相比，1.1 節(jié)中的要求（1）和（3）沒有發(fā)生變化，只是針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和金屬材料力學(xué)性能的差異，對(duì)適航規(guī)章中發(fā)動(dòng)機(jī)包容性的要求（2）進(jìn)行了完善。除適航規(guī)章中對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)包容性的三條要求外，專用條件還增加了兩項(xiàng)要求：（a）參考螺旋槳的適航規(guī)章增加了兩倍運(yùn)行載荷的要求；（b）增加了安全性分析的要求。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)包容性適航條款符合性驗(yàn)證思路

根據(jù)適航規(guī)章對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)包容能力的要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子包容性的符合性驗(yàn)證工作，詳細(xì)流程如圖1所示，具體包含以下幾個(gè)方面。

（1） 分析

發(fā)動(dòng)機(jī)制造商應(yīng)采用經(jīng)驗(yàn)證的分析，確定發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣在全壽命期內(nèi)對(duì)各級(jí)轉(zhuǎn)子葉片失效碎片的包容能力，并說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)可以包容除最關(guān)鍵轉(zhuǎn)子級(jí)失效葉片外其他各級(jí)葉片。在分析的過(guò)程中，需要考慮質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、溫度、應(yīng)力、厚度、角度、幾何形狀等因素，以確認(rèn)葉片飛出能量及機(jī)匣能量吸收能力。通過(guò)分析計(jì)算，確定最關(guān)鍵的轉(zhuǎn)子葉片級(jí)，最關(guān)鍵轉(zhuǎn)子葉片級(jí)的分析應(yīng)包含葉片的包容裕度與失效后所導(dǎo)致的整機(jī)不平衡量?jī)蓚€(gè)方面。發(fā)動(dòng)機(jī)類型如可以進(jìn)行一次整機(jī)葉片包容試驗(yàn)，采用分析替代一次整機(jī)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行不平衡量及其整機(jī)響應(yīng)的等效分析，其結(jié)果應(yīng)能夠與試驗(yàn)一致，分析所用的方法應(yīng)基于臺(tái)架試驗(yàn)、零部件試驗(yàn)或使用經(jīng)驗(yàn)。

如果包容裕度分析涉及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，由于其與金屬材料存在較大的區(qū)別，根據(jù)FAA 咨詢通告《飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)》（AC 20-107B），發(fā)動(dòng)機(jī)制造商應(yīng)采用積木式的思路確定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞形式、失效機(jī)理、在高速?zèng)_擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、計(jì)算與評(píng)價(jià)方法等。對(duì)于初級(jí)結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行大量試樣級(jí)試驗(yàn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法得到其材料數(shù)據(jù)。詳細(xì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗(yàn)要通過(guò)部件試驗(yàn)或子部件試驗(yàn)來(lái)開展，其數(shù)量要少于試樣級(jí)試驗(yàn)，并且在進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性分析時(shí)要考慮全壽命周期內(nèi)由于環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)損傷和其他因素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能退化[14]。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)采用復(fù)合材料的風(fēng)扇葉片，還需要對(duì)風(fēng)扇葉片進(jìn)行安全性分析，確定其失效概率。

（2） 零部件/臺(tái)架試驗(yàn)

申請(qǐng)人可以采用零部件/臺(tái)架試驗(yàn)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣對(duì)除最關(guān)鍵轉(zhuǎn)子級(jí)失效葉片之外其他各級(jí)葉片的包容能力。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)采用復(fù)合材料的風(fēng)扇葉片，需要對(duì)風(fēng)扇輪盤和葉片的保持系統(tǒng)進(jìn)行兩倍使用載荷試驗(yàn)，該試驗(yàn)一般采用臺(tái)架試驗(yàn)的形式進(jìn)行。

（3） 整機(jī)試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)制造商應(yīng)對(duì)最關(guān)鍵轉(zhuǎn)子級(jí)開展整機(jī)包容性試驗(yàn)，在最大允許轉(zhuǎn)速工作條件下，釋放一個(gè)失效葉片，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠包容失效葉片的損傷不著火，也不會(huì)產(chǎn)生超過(guò)安裝節(jié)承受能力的不平衡載荷。整機(jī)包容試驗(yàn)應(yīng)分別針對(duì)壓氣機(jī)/風(fēng)扇單元和渦輪單元中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)子級(jí)進(jìn)行整機(jī)包容性和轉(zhuǎn)子不平衡試驗(yàn)。經(jīng)局方批準(zhǔn)的情況下，可選擇采用分析替代上述兩項(xiàng)試驗(yàn)中轉(zhuǎn)子不平衡量較小的一個(gè)，表明對(duì)條款的符合性。

（4） 設(shè)計(jì)說(shuō)明

整機(jī)包容性試驗(yàn)驗(yàn)證后，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商應(yīng)通過(guò)分析和設(shè)計(jì)說(shuō)明，記錄從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣方向和排氣方向飛出的碎片能量水平及其軌跡。

3 某型發(fā)動(dòng)機(jī)包容性適航審定實(shí)例

下面將通過(guò)對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)包容性適航審定的實(shí)例來(lái)具體說(shuō)明如何表明發(fā)動(dòng)機(jī)滿足適航規(guī)章中對(duì)于包容性的要求。該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)為兩軸渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇葉片和風(fēng)扇機(jī)匣采用三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式。依據(jù)第2部分所介紹的思路，從復(fù)合材料材料性能驗(yàn)證、各級(jí)轉(zhuǎn)子包容裕度分析、確定不平衡載荷、安全性分析、風(fēng)扇超轉(zhuǎn)試驗(yàn)、整機(jī)包容試驗(yàn)和確定碎片能量和軌跡7 個(gè)方面展開介紹。

3.1 復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證

根據(jù)《飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)》（FAA AC 20-107B），發(fā)動(dòng)機(jī)制造商采用積木式（也稱金字塔式）的方法進(jìn)行復(fù)合材料基本力學(xué)性能、子部件抗沖擊性能、全尺寸部件包容能力、整機(jī)包容性及振動(dòng)持久的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證，方法思路如圖2所示。在最基礎(chǔ)的材料級(jí)，開展了纖維和樹脂等基體材料性能的測(cè)試和選擇。為了獲得基體材料的力學(xué)性能，每種基體材料都對(duì)5 個(gè)批次以上數(shù)量的材料開展測(cè)試，以獲得材料的力學(xué)性能區(qū)間范圍，避免制造容差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。除了基體材料，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商還通過(guò)試塊試驗(yàn)（cοupοn test）來(lái)驗(yàn)證復(fù)合材料的制造工藝過(guò)程和使用環(huán)境對(duì)于材料性能的影響。采用對(duì)風(fēng)扇葉片和機(jī)匣的工藝失效模式分析（PFMEA）的方法確定關(guān)鍵工藝參數(shù)。通過(guò)采用不同工藝過(guò)程和工藝參數(shù)來(lái)調(diào)整復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而獲得符合設(shè)計(jì)要求的試驗(yàn)件。然后，這些工藝過(guò)程和參數(shù)將被凍結(jié)，后續(xù)在驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)件的制造過(guò)程中進(jìn)行固化并且持續(xù)更新。在該級(jí)別內(nèi)，還需要確定預(yù)期的運(yùn)行環(huán)境對(duì)材料性能的影響。溫度、濕度和工作流體對(duì)材料力學(xué)性能的影響需要考慮，在試塊試驗(yàn)中開展驗(yàn)證?；谠囼?yàn)結(jié)果，確定環(huán)境導(dǎo)致的材料性能退化系數(shù)。在開展子部件試驗(yàn)和部件試驗(yàn)的過(guò)程中，開展驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)要考慮性能退化系數(shù)的影響。在材料級(jí)，申請(qǐng)人共進(jìn)行了5000次以上的試驗(yàn)。

圖2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料葉片性能積木式驗(yàn)證方法Fig.2 Schematic diagram οf building-blοck tests fοr cοmpοsite fan blades

完成材料級(jí)試驗(yàn)后，要根據(jù)材料級(jí)試驗(yàn)獲得的材料性能和環(huán)境影響來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等進(jìn)行分析計(jì)算，從而為后面的子部件和全部件試驗(yàn)提供依據(jù)。

通過(guò)分析計(jì)算，獲得結(jié)構(gòu)能夠承受預(yù)期的運(yùn)行載荷并且符合適航規(guī)章要求的正向結(jié)論后，申請(qǐng)人開展了子部件試驗(yàn)，即對(duì)非全尺寸的試驗(yàn)件開展相關(guān)試驗(yàn)，以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確。由于全尺寸的部件試驗(yàn)從經(jīng)濟(jì)上耗資較大，申請(qǐng)人一般不可能開展大量的全尺寸部件試驗(yàn)，因此一般在全尺寸部件試驗(yàn)開始前進(jìn)行子部件試驗(yàn)，驗(yàn)證分析計(jì)算結(jié)果，預(yù)估全尺寸部件試驗(yàn)結(jié)果，從而為下一級(jí)的全尺寸部件試驗(yàn)提供依據(jù)。在子部件試驗(yàn)中，需要考慮損傷威脅和制造缺陷對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。損傷威脅是指該結(jié)構(gòu)部件在運(yùn)行使用過(guò)程中，可能會(huì)遇到的影響其性能的損傷，這種損傷是可能發(fā)生的，并且不會(huì)導(dǎo)致部件更換，即這種損傷產(chǎn)生后，部件可以正常使用。申請(qǐng)人對(duì)于該型發(fā)動(dòng)機(jī)定義的損傷威脅只有尖銳物碰傷一種。制造缺陷是指該部件在加工制造過(guò)程中，不可避免產(chǎn)生的與設(shè)計(jì)資料的不符合，這種不符合不影響產(chǎn)品的最終交付使用。申請(qǐng)人對(duì)于該型發(fā)動(dòng)機(jī)定義的制造缺陷有兩種：與設(shè)計(jì)規(guī)范之間的偏差和葉片前緣層間脫開。這些影響因素都需要在子部件試驗(yàn)這一層級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于包容性，申請(qǐng)人開展了金屬子彈對(duì)復(fù)合材料板的高速?zèng)_擊試驗(yàn)。申請(qǐng)人一共開展了200次子部件試驗(yàn)（此試驗(yàn)數(shù)目涵蓋該型發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定的所有試驗(yàn)項(xiàng)目，不只針對(duì)轉(zhuǎn)子包容性）。

完成子部件試驗(yàn)后，申請(qǐng)人開展了全尺寸部件試驗(yàn)。全尺寸部件試驗(yàn)應(yīng)完全按照發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)該部件的載荷或使用條件開展試驗(yàn)。在全尺寸部件試驗(yàn)中，也應(yīng)考慮損傷威脅和制造缺陷的影響。環(huán)境因素對(duì)材料性能的影響也要考慮在內(nèi)。申請(qǐng)人通過(guò)開展全尺寸部件試驗(yàn)，獲得該部件對(duì)于適航規(guī)章符合性的直觀結(jié)果。對(duì)于風(fēng)扇葉片包容性，申請(qǐng)人通過(guò)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)將風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在最大可允許轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，使其中一個(gè)葉片在流道線處斷裂，驗(yàn)證包容機(jī)匣是否能實(shí)現(xiàn)包容。對(duì)于風(fēng)扇葉片的保持系統(tǒng)和風(fēng)扇盤能承受兩倍離心載荷的要求，申請(qǐng)人通過(guò)對(duì)風(fēng)扇級(jí)轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。在本案例中，共完成了100次全尺寸部件試驗(yàn)。

真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)是為了表明滿足適航規(guī)章相關(guān)條款而進(jìn)行的符合性驗(yàn)證試驗(yàn)，在開展發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)也需要考慮損傷威脅和制造缺陷的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)是否通過(guò)，將直接說(shuō)明該型號(hào)設(shè)計(jì)能否滿足適航規(guī)章相關(guān)條款。申請(qǐng)人為表明該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)滿足包容性相關(guān)條款，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片脫落包容性試驗(yàn)和振動(dòng)持久試驗(yàn)。

3.2 分析各級(jí)轉(zhuǎn)子包容裕度

申請(qǐng)人應(yīng)確定各級(jí)轉(zhuǎn)子的包容裕度，其中應(yīng)分別針對(duì)高低壓軸進(jìn)行包容裕度計(jì)算。包容裕度的表征可以采用不同的形式，如能量法或厚度法。對(duì)于能量法，包容裕度=（機(jī)匣的包容能量/脫落葉片動(dòng)能）-1；對(duì)于厚度法，包容裕度=（機(jī)匣的等效厚度/脫落葉片所需的包容厚度）-1。不管采用哪種方法表征包容裕度，包容裕度越小都越危險(xiǎn)，當(dāng)包容裕度為0時(shí)表示葉片剛剛擊穿包容機(jī)匣，此時(shí)即為非包容的臨界點(diǎn)，因此各級(jí)轉(zhuǎn)子的包容裕度都應(yīng)大于0。申請(qǐng)人應(yīng)計(jì)算各級(jí)轉(zhuǎn)子的包容裕度，找出包容裕度最小的那一級(jí)轉(zhuǎn)子。

確定包容裕度一般采用經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的計(jì)算方法（以有限元仿真為主），在進(jìn)行包容裕度計(jì)算時(shí)，需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速限制、包容機(jī)匣長(zhǎng)度、制造離散性、材料性能的離散性、溫度對(duì)材料性能的影響等因素，一般應(yīng)采用相對(duì)保守的計(jì)算參數(shù)，分析在最不利情況下的包容裕度數(shù)值。通過(guò)對(duì)各級(jí)轉(zhuǎn)子包容裕度的計(jì)算結(jié)果，確定各級(jí)轉(zhuǎn)子的包容裕度都大于0，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子為包容裕度最小的轉(zhuǎn)子級(jí)，其他級(jí)轉(zhuǎn)子的包容裕度結(jié)果都好于風(fēng)扇級(jí)。因此就包容性來(lái)說(shuō)，風(fēng)扇級(jí)是關(guān)鍵級(jí)。

3.3 確定各級(jí)轉(zhuǎn)子葉片脫落后的不平衡載荷

葉片飛出后會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡載荷，需要分析哪一級(jí)葉片飛出后所導(dǎo)致的不平衡載荷最大。發(fā)動(dòng)機(jī)制造方通過(guò)分析的方法確定了各級(jí)葉片飛出后導(dǎo)致的不平衡載荷的大小。需要注意的是，雖然適航規(guī)章只要求對(duì)于風(fēng)扇級(jí)，一個(gè)葉片從流道線斷裂飛出；對(duì)于其他轉(zhuǎn)子級(jí)，一個(gè)葉片從根部斷裂飛出。但是，葉片在脫落后，由于受離心載荷和徑向速度影響，會(huì)撞擊到本級(jí)轉(zhuǎn)子的其他葉片，導(dǎo)致不止一個(gè)葉片發(fā)生斷裂。因此，在確定葉片脫落后的不平衡載荷時(shí)，需要分析本級(jí)轉(zhuǎn)子一個(gè)葉片斷裂導(dǎo)致的最大可能的不平衡載荷，應(yīng)大于本級(jí)轉(zhuǎn)子一個(gè)葉片缺失的不平衡載荷。根據(jù)各級(jí)轉(zhuǎn)子葉片脫落所導(dǎo)致的不平衡載荷，找到不平衡載荷最大的轉(zhuǎn)子級(jí)，該級(jí)轉(zhuǎn)子就是不平衡載荷的關(guān)鍵級(jí)。通過(guò)計(jì)算分析，本型發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡載荷的關(guān)鍵級(jí)為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子級(jí)，其最大可能的不平衡量為1.5 個(gè)風(fēng)扇葉片缺失所導(dǎo)致的不平衡載荷，發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝節(jié)可以承受該不平衡載荷且不失效。

3.4 安全性分析

根據(jù)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片專用條件，需要表明復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的保持系統(tǒng)（風(fēng)扇輪盤）的失效概率小于1E-9次/飛行小時(shí)。發(fā)動(dòng)機(jī)制造方采用故障樹分析（FTA）方法進(jìn)行分析，將風(fēng)扇葉片保持系統(tǒng)的失效劃分為徑向保持系統(tǒng)的失效和軸向保持系統(tǒng)的失效，并進(jìn)一步地將其分解為各項(xiàng)底事件，從而確定各事件的發(fā)生率。FTA主要基于研發(fā)和審定過(guò)程當(dāng)中的整機(jī)試驗(yàn)、葉片零部件試驗(yàn)、材料特性數(shù)據(jù)、加工過(guò)程控制以及以往發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)經(jīng)驗(yàn)。FTA分析表明了葉片保持系統(tǒng)在使用中的失效率為極不可能（1E-9次/飛行小時(shí)），滿足安全性要求。

3.5 風(fēng)扇超轉(zhuǎn)試驗(yàn)

申請(qǐng)人通過(guò)對(duì)風(fēng)扇級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)行超轉(zhuǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證風(fēng)扇葉片保持系統(tǒng)可以承受兩倍離心載荷的要求。該試驗(yàn)為部件級(jí)臺(tái)架試驗(yàn)，風(fēng)扇級(jí)轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作中可能遇到的最大離心載荷的兩倍載荷對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)時(shí)間為60min。該試驗(yàn)需要考慮試驗(yàn)溫度、材料分散度、制造分散度和環(huán)境因素的影響，如正常服役溫度和試驗(yàn)溫度環(huán)境可能有差異，這種溫度差異可能造成材料性能的改變，需要在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中進(jìn)行考慮。風(fēng)扇葉片的保持系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)確保結(jié)構(gòu)完整性，不能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞。

3.6 包容性試驗(yàn)

通過(guò)包容裕度分析和不平衡載荷分析，包容裕度的關(guān)鍵級(jí)和不平衡載荷的關(guān)鍵級(jí)都是風(fēng)扇級(jí)轉(zhuǎn)子，因此包容性試驗(yàn)只需進(jìn)行一次，即只需驗(yàn)證對(duì)風(fēng)扇級(jí)葉片的包容性。由于該型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片為三維編織全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，根據(jù)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的專用條件，發(fā)動(dòng)機(jī)需要在最大可能轉(zhuǎn)速時(shí)，一個(gè)風(fēng)扇葉片從流道線處斷裂，發(fā)動(dòng)機(jī)能包容該損壞15s不著火或自動(dòng)停車，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)不失效。

通過(guò)對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行包容性試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以包容脫落葉片，發(fā)動(dòng)機(jī)15s不著火且自動(dòng)停車，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)未失效。發(fā)動(dòng)機(jī)包容性試驗(yàn)后實(shí)際只有1.1 個(gè)風(fēng)扇葉片缺失，而風(fēng)車狀態(tài)不平衡載荷的計(jì)算是分析1.5 個(gè)風(fēng)扇葉片缺失產(chǎn)生的不平衡載荷，說(shuō)明計(jì)算分析過(guò)程更為保守。將包容試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)的振動(dòng)水平和振動(dòng)持久試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)水平相比較，發(fā)現(xiàn)包容試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)水平更低，從而驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)能夠承受風(fēng)扇葉片飛出后的不平衡載荷產(chǎn)生的振動(dòng)水平。

3.7 確定進(jìn)出口碎片能量和軌跡

申請(qǐng)人通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片脫落過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，獲得進(jìn)出口飛出碎片的能量以及碎片可能的軌跡覆蓋的范圍。申請(qǐng)人應(yīng)將計(jì)算結(jié)果同包容性試驗(yàn)的結(jié)果相對(duì)比，從而驗(yàn)證該計(jì)算過(guò)程是否準(zhǔn)確。

本節(jié)通過(guò)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的包容性適航驗(yàn)證實(shí)例，闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)包容性適航驗(yàn)證的基本方法和基本流程。需要補(bǔ)充說(shuō)明的是：（1）在適航審查中，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)包容性要求和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基本一致，但單個(gè)轉(zhuǎn)子葉片失效后的能量沒有大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)大，機(jī)匣的包容性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證難度較低。（2）33.19確定的進(jìn)出口碎片能量和軌跡為25.903條的驗(yàn)證提供輸入和假設(shè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從適航規(guī)章對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)包容性的要求出發(fā)，闡述了與包容性相關(guān)的適航條款的發(fā)展歷程，以及復(fù)合材料風(fēng)扇葉片包容性的專用條件，從而確定包容性相關(guān)條款和專用條件的實(shí)質(zhì)要求及符合性方法。并通過(guò)某型發(fā)動(dòng)機(jī)的審查實(shí)例，從材料及結(jié)構(gòu)性能、各級(jí)轉(zhuǎn)子的包容裕度評(píng)估、轉(zhuǎn)子脫落導(dǎo)致的不平衡載荷、葉片保持系統(tǒng)的安全性分析、風(fēng)扇超轉(zhuǎn)試驗(yàn)、整機(jī)包容性驗(yàn)證試驗(yàn)以及確定進(jìn)出口碎片能量和軌跡幾個(gè)方面，逐步并詳細(xì)說(shuō)明了發(fā)動(dòng)機(jī)制造商為滿足包容性相關(guān)的條款和專用條件需要開展的符合性工作。本文研究?jī)?nèi)容可以為發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的包容性設(shè)計(jì)以及適航部門的包容性適航審定提供有效指導(dǎo)。