{首页主词},&

發動機適航要求之發動機限壽件

2016-02-17 11:08:56 作者：本網整理來源：心動商發分享至：

什么是限壽件呢？限壽件是指發動機中“其原發失效（Primary failure，不是由于其他零部件或系統的失效而導致的失效，與二次失效相對）可能導致危害性發動機后果的轉子和主要靜子結構件”，包括盤、軸等部件。正因為這些部件的完整性對飛行安全極其重要，對這些部件必須進行壽命設計、制造控制和部件壽命期內的全面管理，世界各國民航管理部門都在適航條例中做出了壽命控制的相關規定。而這種規定是怎么來的，具體有哪些要求，經歷了什么樣的變化，核心要求又是什么？今天，我們就來給大家分享我們的認識。

什么是機械的結構疲勞，它有多可怕？

人會疲勞，人有壽命；機械結構也會發生疲勞，也會到壽失效；航空發動機這種機密的機械設備當然無法例外，那么結構疲勞是如何定義的呢？

結構疲勞：指材料在應力或應變的反復作用下發生的性能變化叫做疲勞（參考國際標準化組織（ISO）在1964年發表的報告《金屬疲勞試驗的一般原理》）。

旋轉彎曲疲勞斷口及疲勞機理圖

機械結構若受靜力載荷，當載荷較大時，結構一般會發生明顯變形（如頸縮現象），我們能從變形量感知到結構即將破壞，從而可以避免繼續加載使得結構發生斷裂；與靜載荷相比，機械結構在疲勞載荷作用下沒有顯著的變形預警，在累積到某個循環時極有可能突然發生斷裂。（是不是已經被繞暈了？舉個簡單的例子吧：一根鉛絲你一下子掰彎了但不會斷，但是如果你堅持反復掰來掰去，它就會斷的，這就是結構疲勞。）

靜載破壞與疲勞破壞的區別

如果這種機械結構是我們飛行旅途中身處的機艙，隨著飛機的起飛和降落，機艙在內外壓差等載荷的循環作用下會不會可能發生疲勞破壞呢？

沒有明顯的變形、沒有任何的征兆彗星號機艙就突然破裂了？是的，它斷得是如此慘烈和突然。對航空器內的乘客而言，瞬間從微笑著的天堂墜入了烈火地獄。

渦輪發動機自問世以來，無論軍民用，在使用過程中均會因為某些部件的低周疲勞失效導致飛機的3級或4級事件發生。美國汽車工程學會（SAE）最早進行了民用航空器發生非包容（屬于FAR 33.75描述的“危害性發動機后果”之一，也是限壽件失效后最常見的后果）事件的數據統計，1962年-1975年期間，發生多起由于發動機轉子盤和隔圈破裂導致航空器嚴重破損和出現人員傷亡的事故（參考SAE AIR1537）。

限壽件條款是怎么來的？

面對發動機部件、特別是那些關鍵的轉子部件發生疲勞斷裂后會引起機毀人亡的事故實事，為了公眾安全利益以及整個商業運輸行業的健康發展，必須出臺相關法規以提高發動機的安全水平。1971年美國聯邦航空局（FAA）發布了編號為“Notice No. 71-12”的立法通告，意在聯邦航空法規第33部中增加“33.14 啟動-停車循環應力（低周疲勞）”的條款要求，以減少發動機盤和隔圈失效導致的非包容事件。1974年通過第6修正案，將“33.14 啟動-停車循環應力（低周疲勞）”正式納入FAR33部。第6修正案的發布，為發動機制造商盤和隔圈的低周疲勞壽命確定提供了標準的符合性要求，從法規角度控制了盤和隔圈低周疲勞失效的發生率。條文內容的簡要分析如下：

限壽件條款經歷了哪些變化？

隨著工業技術的發展以及各發動機OEM的實踐，FAA在考慮法規不應限制工業技術的情況下，1984年FAA通過第10修正案對該條款進行了修訂。

與第6修正案相比，“33.14 啟動-停車循環應力（低周疲勞）”有以下幾處顯著變化：

第10修正案發布后，航空運輸行業仍會間斷發生因為盤等部件失效而導致的重大事故，如1989年發生的Sioux City空難以及1996在Pensacola發生2人罹難的非包容事件。

蘇城空難可以總結為：CF-6發動機風扇盤所用鈦合金（α+β相）在材料成型過程中產生了hard α相缺陷，通俗講就是指材料里面埋了一些“隱性炸彈”，導致該風扇盤在未達到預期的使用壽命時提前發生疲勞斷裂，破裂的風扇盤打穿發動機機匣、短艙并打斷DC-10飛機關鍵的全部三套液壓控制系統，從而使得飛機失去姿態控制能力，引發空難。

蘇城空難肇事的風扇盤以及盤中發現的hard α相缺陷

兩起空難事件引發了以下三個問題的思考：1、鈦合金作為廣泛使用的航空材料，如何降低類似缺陷出現的可能性，加工缺陷為何未能及時檢測發現并處理？2、風扇盤作為發動機典型的限壽件，采用非常保守的安全壽命法進行壽命設計，為何還不安全？3、風扇盤破裂產生高能非包容碎片，為何一次性破壞了飛機的全部3套關鍵液壓操控系統？

潘城空難肇事的風扇盤以及盤螺栓孔邊疲勞裂紋擴展形貌

事故發生后，基于NTSB的調查結果，FAA以及工業方法從以上三個方面審視了現行方法中關于關鍵部件材料工藝和加工的控制、發動機轉動限壽件的定壽方法以及飛機區域安全性設計等環節的不足之處。對缺陷控制方面，FAA組織工業方分別在2000年和2008年發布了兩個階段的研究報告《TurbineRotor Material Design》，旨在降低材料制造過程引入的缺陷。潘城空難也促使對孔加工方面進行了系統研究，FAA于2006年發布了題為《Guidelinesto Minimize Manufacturing Induced Anomalies in Critical Rotating Parts》的技術報告，上述報告對發動機限壽件材料加工和部件制造具有重要的指導意義；對區域安全控制方面，總結了“雞蛋不能放在同一個籃子”的經驗教訓，通過FAR25.571要求飛機層面在發動機發生高能非包容碎片時能夠完成此次飛行；對限壽件壽命確定方法以及管理程序方面，經過多年的研究、討論和實踐，FAA在2007年通過第22修正案將“FAR33.70發動機限壽件”替代了“FAR33.14 啟動-停車循環應力（低周疲勞）”。第22修正案正式將FAR33部中的低周疲勞的條款與歐洲“CS-E 515發動機關鍵件”條款保持一致。與第10修正案相比，主要區別有：

限壽件條款的根本要求是什么？

梳理完限壽件條款的修訂歷程后再通讀該條款，其要求可以初步總結為：在發動機設計過程中確定發動機限壽件的清單，在傳統安全壽命法的基礎上，考慮并評估缺陷帶來的風險，通過工程計劃設定部件結構的壽命屬性，按制造計劃實現制造、按預期的方式進行使用和維護，從而形成限壽件全壽命周期的設計、評估、制造和維護的閉環管理系統，并且該系統需要獲得適航當局的認可，從而保證限壽件全壽命周期內的結構完整性。

上面的這段話是不是很難懂呢？那看圖吧，以轉子類限壽件為例，概要描述了在進行壽命確定過程中我們要做哪些工作：

轉子類限壽件壽命確定的典型流程（參考AC33.70-1）

我們給發動機限壽件確定壽命的基本流程就是這樣滴（卉薈同學將會在后面系列文章中介紹我們是怎么做的，歡迎到時捧場），逐個“框框”、步步為營確定各限壽件的壽命，少了哪個“框框”都不行，否則就真成了“瞎子算命—瞎算”了。

之前系列文章中陳輝煌同學已經跟大家介紹我們是大發的“私人醫生”，其實發動機工程師們還是大發的“算命先生”。

機械結構和人的確有很多相似之處，結構的壽命和人的壽命都由外因和內因共同決定：結構受的外力、工作所處的環境，好比人所經歷的工作強度、生活環境，是外因；結構材料本身的性能就好比人體各器官的功能，是內因。按這種類比方式描述上面流程圖中的主要要素，也許更容易理解些。“航空器和發動機的需求”以及“飛行剖面的選擇”就如一個人的出生，決定了他將來很可能生活在什么樣的環境、從事多大強度的負荷工作；“發動機性能”就是這個人有多能干、以及將什么樣的方式完成自己的工作；“二次空氣系統”以及“部件的溫度”就好比這個人生活的環境（空氣、水等）；“應力和振動”的量級就是這個人實際的工作強度等級；“材料數據”就是這個人身體各個器官和系統的耐受能力；“損傷容限”描述結構帶損傷繼續工作的能力就好比人帶病還能活下去的能力；“性能測試、二次流測試、溫度和流動狀態測試”就好比對一個人工作環境情況的確認；“臺架循環測試、整機循環測試”就是小白鼠試驗；結構運行中進行的“檢測、維修”就好比治病；“損傷監視”就如同對人的健康監視；“自然的偶發因素”就好比意外，如車禍發生的可能性。

假如現在，一個算命先生站在你的面前，他詳盡知曉了你的出生、你的工作內容、工作強度、生活環境（水、空氣、飲食、睡眠、家庭社會關系的每個細節無所不知），他還精確知曉你的家族病史、你每個器官的耐受能力、衰老能力，他持續監視著表征你健康狀態的每個數據，他熟知所有你可能獲得的醫療護理方式，他甚至把你一生可能遇到的車禍、海嘯、地震意外的可能性都考慮進來了，他還不斷地通過各種生物試驗驗證他的每一個假設、每一個“算命”模型，校驗著每一個經驗數據，那么他告訴你你能活到100歲，你信不信？——不管你信不信，反正我是信了，因為他就是上帝。

要想成為合格的發動機“算命先生”，就必須像創造人類的上帝那般詳盡知曉我們創造的每個部件的設計細節、制造細節和使用情況。

限壽件條款的根本要求是什么？就是要求發動機主制造商成為自己產品的“合格算命先生”，按照正確合理的“算命流程”確定、實現、表明并維持各限壽件的壽命屬性。說到底，就是要我們要建立一套經過驗證的安全壽命確定方法（分析、部件試驗、整機試驗或者經驗累積）、建立考慮缺陷引起部件提前失效的評估流程、識別并控制與部件壽命屬性有顯著關聯的制造過程和工藝/加工參數、形成基于分析/試驗和經驗的部件使用管理文件。以適航要求為牽引，立足現有基礎，不斷完善我們的設計體系、提升我們的制造能力和管理水平，從而系統地保證我們民用客機發動機的安全性。

責任編輯：班英飛

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-801
郵箱：ecorr_org@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414

免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。