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[发动机] 航空发动机包容性适航性验证技术简析

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融融网 发表于 2018-8-30 14:20 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1、适航性要求背景

发动机故障引起飞机失事的原因很多,发动机转子非包容性是其中最为严重的故障之一,美国的JT8D-7B、CF6-3D、苏联的D30ky-154、CFM-56系列发动机都出现过非包容性的故障,造成重大损失。

1984年2月23日,联邦航空局(FAA)颁布FAR33部第10次修正案,用以修正和更新适用于航空发动机型号合格审定的技术要求。对涡轮发动机的要求新增加了一条§33.94,叶片包容性和转子不平衡试验。FAR 33.94条的意图是用试验或用部件试验和用已证实的分析方法来验证发动机的叶片包容性。


                               
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2、要求理解2.1  如何确定最危险叶片

关键叶片的分析至少应包括以下事项:

a) 包容结构应处于与最大允许转速工作相关的最不利的温度和应力条件下,有效结构厚度应是型号设计允许的最小厚度。

b) 对每个评定的转子级应使用最大允许转速。

c) 有可能包容结构的最高温度不会导致对叶片穿透和转子不平衡载荷的最小抗力。少数结构材料(值得注意的是碳复合材料)随温度提高,强度确实提高。所以对具体型号设计,如果实际的转子转速和包容结构的温度和应力组合,比上述a)和b)更不利,也应包括在分析中。(但是,因为抛射动能和转子不平衡载荷减小,相信较低的转速/温度组合对发动机结构完整性产生更不利影响是不可能的)。

d) 初始失效叶片的质量应该是型号设计允许的最大值,有可能带冠叶片造成的穿透威胁小于不带冠的较轻叶片(由于后者剪切端面积小,接触压力大)。在这种情况下,应考虑对这两种叶片都进行分析。

e) 如果存在一个叶片断裂引起的二次破坏的影响,则应对此进行评估。例如,如果单个叶片断裂导致该级或其它级叶片部分或全部飞出,则确定严重性时应该考虑飞出的总质量、动能和不平衡载荷。可以用该型号设计的研制经验,或类似型号设计的使用经验,提供对这种影响的认识和理解。

f) 应使用单个叶片断裂的最大动能(平移和转动),不包括二次破坏期间消耗的动能,(即可能穿透的最大动能)。

2.2  标准分析

为了减少叶片未包容事故带来的巨大损失,减少和避免此类事故的发生,国外对此领域的研究极为重视。所有在研、在役的航空发动机,无论是军用还是民用航空发动机都无一例外地需要进行叶片包容性试验,并且有严格的规范要求。如美国航空发动机结构完整性大纲(MIL-HDBK-1783B)、通用设计规范(JSGS-87231A、MIL-E-5007系列和JSSG-2007A等)。国内相关技术标准也对包容性有明确的要求。

               


                               
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通过对比,我们发现:国军标一直没有提“叶片飞出”。实际上可以认为是暗含了叶片飞出的内容。没有明确写出是个缺点。很显然,在包容试验中,如果盘、轴连接,轴承座,安装节等失效,造成危险性发动机影响,肯定不能认为是合格的。应该说,国军标的这个缺点对新机研制是有重大影响的,导致在包容性和叶片飞出后转子不平衡离心力造成的影响方面的工作不足。

二十世纪七十年代以来,国外机匣包容性研究工作全面展开。美国、英国、俄罗斯、德国等航空大国投入了大量的人力、物力和财力进行该领域的研究。NASA、联邦航空局(Federal Aviation Administration)、海军空气推进中心(Naval Air Propulsion Center)以及海军空气推进测试中心(Naval Air Propulsion Test Center)等大型科研机构,依托其空军基地在试验方面的优势,进行了大量的理论、计算与试验研究。通用(GE)、普惠(PW)、罗罗(RR)等发动机公司也开展了相应的研究工作。

根据SAE AIR 1537A和SAE AIR 4003所统计的数据(时间为1962年1月至1975年12月,共417百万发动机小时),在国际航线上,叶片非包容性发生的概率(仅考虑叶片飞出情况)大概为0.66/百万发动机小时,发动机非包容事故占所有飞机灾难性事故的0.33%,严重事故的2.62%。

他们将非包容对飞机的影响分为4类:

2 1类:仅限于对短舱的损伤;

2 2类:轻微飞机损伤,如破损、裂口、缓慢减压、可控着火;

2 3类:严重飞机损伤,但飞机可以继续飞行并安全着陆,包括对重要结构或系统的损伤,不可控着火,快速减压,丧失推力,人员轻微受伤;

2 4类:灾难性飞机损伤,如坠毁、严重人员伤亡等。

外场收集分析了根据碎片类型导致的非包容性失效,具体如表2所示。数据表明:75%的3和4类事故由轮盘失效导致,超过50%的3和4类事故由风扇和压气机轮盘失效导致。

                       


                               
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表3给出了不同飞行阶段中出现非包容失效的统计,数据表明2/3的事故出现在起飞和爬升阶段。


                               
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有关部门统计的导致发动机转子非包容的失效原因及比例情况如下表所示:


                               
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根据上表可知:导致非包容的主要原因有高循环疲劳(HCF)(22.5%)、未知的失效(21.1%)、与静子叶片摩擦(10.2%)、材料缺陷(9.1%)、外部打伤(FOD)(5.5%)、超温(5.5%)、低循环疲劳(5.5%)、加工缺陷(5.0%)。

更多适航资讯,详见融融网-军民融合生态圈。


第二击 发表于 2018-8-31 09:36 | 显示全部楼层
涨知识,谢谢楼主。
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