適航導(dǎo)論-民機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

民機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)《適航概論》民機(jī)分類民機(jī)主要包括以下四類：正常類、實(shí)用類、特技類、通勤類飛機(jī)（CCAR-23）運(yùn)輸類飛機(jī)（CCAR-25）正常類旋翼航空器（CCAR-27）運(yùn)輸類旋翼航空器（CCAR-29）民機(jī)分類正常類、實(shí)用類、特技類、通勤類飛機(jī)（CCAR-23）正常類（9座以下，5700kg以下，非特技飛行）實(shí)用類（9座以下，5700kg以下，有限特技飛行）特技類（9座以下，5700kg以下，不加限制，但有例外）通勤類（19座以下，8618kg以下，非特技飛行，螺旋槳驅(qū)動(dòng)，多發(fā)飛機(jī)）動(dòng)力裝置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（風(fēng)冷、液冷）渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（小型）渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)民機(jī)分類運(yùn)輸類飛機(jī)（CCAR-25）大型民航飛機(jī)大型運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力裝置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（早期飛機(jī)，現(xiàn)基本淘汰）渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)（已淘汰）渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)民機(jī)分類正常類旋翼航空器（CCAR-27）起飛重量不大于3180kg座位數(shù)不大于9單發(fā)動(dòng)機(jī)或者多發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力裝置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)民機(jī)分類運(yùn)輸類旋翼航空器（CCAR-29）最大重量無限制座位數(shù)無限制一般為多發(fā)旋翼機(jī)動(dòng)力裝置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（基本淘汰）渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)適航性航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性根據(jù)IATA的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的危險(xiǎn)性失效是導(dǎo)致航空災(zāi)難性事故的最主要因素。78動(dòng)力系統(tǒng)適航性航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性問題為何如此突出？工作環(huán)境惡劣高溫高壓高轉(zhuǎn)速危險(xiǎn)機(jī)理復(fù)雜強(qiáng)整體強(qiáng)瞬變航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的特征航空發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變性航空發(fā)動(dòng)機(jī)過渡過程由一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)變化的過程如：加速，減速，環(huán)境變化，零部件失效等多物理機(jī)制作用的復(fù)雜過程航空發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變性壓力擾動(dòng)傳播時(shí)間約0.003-0.02s航空發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變性空氣系統(tǒng)容腔壓力響應(yīng)時(shí)間約0.02-5s航空發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變性發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間約4-8秒6000140001200010000800016000轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速/rpm0 2 4 6 8 10 12 14時(shí)間/s轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速航空發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變性零部件熱穩(wěn)定時(shí)間需要約20-400秒過渡過程篦齒相對(duì)偏移可達(dá)6mm以上航空發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變性過渡過程軸向力可達(dá)最大穩(wěn)態(tài)值1.5倍以上容積小流量大響應(yīng)快容積大流量小響應(yīng)慢024612141601000002000003000004000005000008 10時(shí)間（s）壓力

(Pa)

前腔壓力后腔壓力前后壓差航空發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變性過渡過程渦輪盤熱應(yīng)力可達(dá)最大穩(wěn)態(tài)值2倍以上航空發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變性航空發(fā)動(dòng)機(jī)各子系統(tǒng)是一個(gè)不可分割的整體3000多個(gè)零件40個(gè)子系統(tǒng)8個(gè)單元體模塊航空發(fā)動(dòng)機(jī)？ No航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性直接影響：通過物理接口或物理接觸直接作用如：葉片與輪盤的榫槽連接間接影響：非物理接觸部件之間影響如:A8面積 & LPC喘振裕度蓖齒間隙

&

轉(zhuǎn)子軸向力時(shí)間累計(jì)：幾何、物理、化學(xué)屬性隨時(shí)間的變化如：封嚴(yán)間隙隨時(shí)間的變化航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性低壓渦輪導(dǎo)向器面積減小1%（保持n2不變）：LTP膨脹比增大HTP膨脹比減小T4*增大T5*增大n1增大P2*增大SM減小P？F？發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)影響（牽一發(fā)，動(dòng)全身）?……低壓渦輪導(dǎo)向器面積減小1%（保持n2不變）：低壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速上升燃燒室出口溫度上升機(jī)匣壓力升高高壓壓氣機(jī)喘振裕度下降高壓渦輪葉片平均溫度升高高壓渦輪盤心溫度升高低壓渦輪葉片平均溫度升高低壓渦輪盤心溫度升高高壓渦輪盤后腔壓力增加高壓渦輪盤后腔壓力增加軸向力增加48rpm15K29kPa1.1百分點(diǎn)11K5.6K5.2K3.3K45kPa9kPa680kg航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性局部加強(qiáng)未必提高安全性超溫至一定程度，葉片必須燒蝕如果葉片不燒蝕，將導(dǎo)致輪盤破裂葉片燒蝕提高葉片耐溫水平超溫事件導(dǎo)致輪盤破裂強(qiáng)度不足局部加厚瞬態(tài)過程熱應(yīng)力增加，降低壽命冷卻不足擴(kuò)大氣膜孔瞬態(tài)過程誘發(fā)燃?xì)馊肭郑觿p傷安全性問題不能“想當(dāng)然”航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)的安全性無法通過有限的試驗(yàn)直接表明危害性發(fā)動(dòng)機(jī)后果的預(yù)期發(fā)生概率不超過定義的極小可能概率(概率范圍是10-7到10-9次／發(fā)動(dòng)機(jī)飛行小時(shí))。重要發(fā)動(dòng)機(jī)后果的預(yù)期發(fā)生概率，不超過定義的微小可能概率(概率范圍是10-5到

10-7次／發(fā)動(dòng)機(jī)飛行小時(shí))。安全性的實(shí)現(xiàn)如果某失效事件失效率>極小可能必須有被動(dòng)安全措施阻止該失效發(fā)展為危害性影響如：

控制系統(tǒng)失效導(dǎo)致超溫如果無法阻止某失效事件演變?yōu)槲：π杂绊懕仨氂兄鲃?dòng)安全措施保證：失效率<極小可能如：渦輪盤破裂航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件壽命限制件非壽命限制件壽命管理流程安全性分析流程可接受的安全性水平發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件壽命限制件非壽命限制件壽命管理流程安全性分析流程壽命估算風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估FHAPSSASSA發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件非限壽件執(zhí)行系統(tǒng)安全性分析流程2015-01-0330發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件限壽件執(zhí)行壽命管理流程僅限于北航《適航概論》課程使用，請(qǐng)勿用于其它用途。 發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件發(fā)動(dòng)機(jī)壽命限制件：發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件指的是其主要失效可能導(dǎo)致危害性發(fā)動(dòng)機(jī)后果的轉(zhuǎn)子和主要靜子結(jié)構(gòu)件包括：盤、輪轂、軸等高壓機(jī)匣非冗余的安裝部件……不包括：葉片導(dǎo)向器管路……發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件危害性發(fā)動(dòng)機(jī)后果：①

非包容的高能碎片；②

客艙用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣中有毒物質(zhì)濃度足以使機(jī)組人員或乘客失去能力；③

與駕駛員命令的推力方向相反的較大的推力；④

不可控火情；⑤

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)失效，導(dǎo)致非故意的發(fā)動(dòng)機(jī)脫開；⑥

如果適用，發(fā)動(dòng)機(jī)引起的螺旋槳脫開；⑦

完全失去發(fā)動(dòng)機(jī)停車能力。注：完全失去發(fā)動(dòng)機(jī)停車能力—危害性發(fā)動(dòng)機(jī)后果完全喪失發(fā)動(dòng)機(jī)推力—輕微發(fā)動(dòng)機(jī)后果CCAR 33.75發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件渦輪葉片為何不是限壽件？設(shè)計(jì)保證：燒蝕、上1/3斷裂機(jī)匣包容性：被動(dòng)安全CCAR33.19發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件可調(diào)導(dǎo)向器葉片為何不是限壽件？可調(diào)導(dǎo)向器葉片失效

發(fā)動(dòng)機(jī)喘振發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛功率下能夠承受喘振發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件限壽件其失效能夠演變?yōu)槲：π园l(fā)動(dòng)機(jī)后果沒有阻止上述后果的發(fā)生的措施，或者即便采取了措施，也可能是無效的非限壽件其失效不能演變?yōu)槲：π园l(fā)動(dòng)機(jī)后果，或者有阻止上述后果的發(fā)生的有效措施若不能保證被動(dòng)安全措施的有效性，那么該零件將成為限壽件，例如：如果渦輪葉片不能被包容如果發(fā)動(dòng)機(jī)不能承受喘振影響限壽件壽命的因素：溫度載荷及其時(shí)間歷程應(yīng)力載荷及其時(shí)間歷程材料特性及缺陷概率分布僅有壽命評(píng)估是不夠的：壽命期內(nèi)也存在失效風(fēng)險(xiǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)<DTR通常為10-8/飛行小時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：15000rpm葉片離心力：22噸輪盤溫度：800K工程計(jì)劃-設(shè)計(jì)賦予包括確定和維持發(fā)動(dòng)機(jī)壽命限制件的壽命性能所需的所有假設(shè)、技術(shù)數(shù)據(jù)及活動(dòng)的計(jì)劃。制定和執(zhí)行工程計(jì)劃是合格審定前、后過程中的所有活動(dòng)的一部分。制造計(jì)劃-制造實(shí)現(xiàn)確定專門的零部件加工工藝限制的計(jì)劃。這些限制必須包含于加工定義中，以確保能夠一致地生產(chǎn)出具有工程計(jì)劃所要求屬性的所有發(fā)動(dòng)機(jī)壽命限制件。使用管理計(jì)劃-維護(hù)保持定義與ELLP相關(guān)的維護(hù)過程以及零部件修理計(jì)劃，使其可保持工程計(jì)劃所要求的屬性。是持續(xù)適航文件的一部分。符合性方法-驗(yàn)證表明、審定接受分析、部件試驗(yàn)、過程控制2015-01-03

38示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件2015-01-03

39示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件限壽件壽命評(píng)估流程2015-01-0340示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件（1）飛行剖面的選取（AC33.70-1）發(fā)動(dòng)機(jī)飛行循環(huán)應(yīng)當(dāng)包括一次完整飛行（或多次飛行）的不同飛行階段（various

flightsegments

）。飛行剖面定義為隨時(shí)間變化的功率需求（are

defined

as

the

power

required

versus

time），作為性能分析的輸入或邊界條件。典型狀態(tài)點(diǎn)地面起飛最大氣動(dòng)負(fù)荷最大熱力負(fù)荷渦輪冷卻設(shè)計(jì)……差距：以“典型”狀態(tài)點(diǎn)替代最危險(xiǎn)的過渡過程示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件峰值應(yīng)力與最高溫度并不同時(shí)出現(xiàn)峰值應(yīng)力一般均出現(xiàn)在過渡過程中源于（AC33.70-2）僅限于北航《示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件飛行剖面的選取（AC33.70-1）發(fā)動(dòng)機(jī)飛行循環(huán)應(yīng)當(dāng)包括一次完整飛行（或多次飛行）的不同飛行階段（various

flightsegments

）。飛行剖面定義為隨時(shí)間變化的功率需求（are

defined

as

the

power

required

versus

time），作為性能分析的輸入或邊界條件。編號(hào)狀態(tài)點(diǎn)飛行Ma飛行高度(km)1設(shè)計(jì)狀態(tài)002最大氣動(dòng)負(fù)荷1.1403超音巡航1.5114最大熱力負(fù)荷2105渦輪冷卻設(shè)計(jì)2206最小氣動(dòng)負(fù)荷1.2207亞音巡航0.8118慢車00適航要求的輸入條件工業(yè)部門實(shí)際選用的狀態(tài)點(diǎn)適航概論》課程使用，請(qǐng)勿用于其它用途。示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件2015-01-0344示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件2015-01-0345（2）性能分析（AC33.70-1）針對(duì)每個(gè)飛行階段，申請(qǐng)人應(yīng)當(dāng)確定其對(duì)應(yīng)的內(nèi)部性能參數(shù)（internal

performance

parameters），即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、內(nèi)壓和溫度等。性能參數(shù)應(yīng)當(dāng)針對(duì)制造容差、控制容差、裝配容差（

production

tolerances,

control

tolerances）以及重要的大修間隔期內(nèi)可能發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)衰變（

engine

deterioration

）進(jìn)行修正。申請(qǐng)人還應(yīng)當(dāng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)營期間經(jīng)歷的環(huán)境溫度的范圍和起飛海拔條件，以及發(fā)動(dòng)機(jī)冷、熱啟動(dòng)（

cold

and

hot

engine

starts

）所帶來的影響。示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件國外典型性能分析工具PROOSIS（PropulsionObject-OrientedSimulation

Software）46僅限于北航《適航概03.51099.598907050301020.51810 1820 1830 1840 1850 1860 18700501001502002503001810 1820 1830 1840 1850 1860 1870T4CountsCumulative

Counts04.01035030099.598907050301020.59909951000 1005 1010 1015 10209909950250200150100501000 1005 1010 1015 1020T4論》課程使用，請(qǐng)勿用于其它用途。CountsCumulative

Counts示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件2015-01-03482015-01-0349示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件（3）空氣系統(tǒng)分析（AC33.70-1）（a）申請(qǐng)人必須確定壽命限制件承受的壓力載荷、熱載荷和機(jī)械載荷，這需要進(jìn)行傳熱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，其邊界條件源于內(nèi)部性能參數(shù)（internalperformance

parameters），并需要在各種飛行條件下采用分析和經(jīng)驗(yàn)的工程方法來確定。（b）申請(qǐng)人可利用完善的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)軟件（aerodynamic

design

software）確定流路的級(jí)間數(shù)據(jù)（interstage

data），包括氣體溫度、壓力和質(zhì)量流量。對(duì)壓氣機(jī)和渦輪而言，應(yīng)當(dāng)是每一級(jí)轉(zhuǎn)子葉柵和靜子葉柵的詳細(xì)級(jí)間數(shù)據(jù)。（c）級(jí)間數(shù)據(jù)是二次空氣系統(tǒng)分析的邊界條件。通過分析軟件預(yù)測(cè)機(jī)匣和盤腔內(nèi)可作為熱分析的邊界條件的氣體溫度、壓力和氣體流動(dòng)，包括盤腔環(huán)流、燃?xì)馊肭忠约靶孤兜?。盤腔壓力為結(jié)構(gòu)分析的邊界條件。（d）申請(qǐng)人必須通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)來校準(zhǔn)軟件，從而保證二次空氣流動(dòng)系統(tǒng)軟件的精確性。示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件差距：以穩(wěn)態(tài)分析為主，不具備瞬態(tài)空氣系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備，瞬態(tài)空氣系統(tǒng)51分析方法尚不成熟示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件2015-01-0352示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件2015-01-0353（4）熱分析（AC33.70-1）申請(qǐng)人必須確定各個(gè)壽命限制件的溫度水平，以確保能夠準(zhǔn)確估算由熱載荷和溫度梯度（thermal

loads/temperature

gradients）變化引起的循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變。為準(zhǔn)確算出最大損傷應(yīng)力，申請(qǐng)人必須確定部件在飛行剖面各階段的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度（

steady

state

and

transient

temperatures

）分布。申請(qǐng)人應(yīng)當(dāng)在發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)中驗(yàn)證瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)部件溫度。示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件-500501001502002503003504008500800090001100010500100009500轉(zhuǎn)速/rpm時(shí)間/s轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速-50050100150200250300350400806040200-20100120溫差/K時(shí)間/s輪盤兩點(diǎn)的溫差時(shí)間：0秒轉(zhuǎn)速：8239rpm溫差：33K時(shí)間：10秒轉(zhuǎn)速：9998rpm時(shí)間：50秒轉(zhuǎn)速：9994rpm時(shí)間：350秒轉(zhuǎn)速：9993rpm溫差：49K時(shí)間：5秒轉(zhuǎn)速：10010rpm溫差僅：限39于K

北航《適溫航概差論：》52課K

程使用，請(qǐng)勿溫用差于：其1它06用K

途。在同樣的離心力載荷下，輪盤內(nèi)部瞬態(tài)溫度梯度可達(dá)穩(wěn)態(tài)值的2倍以上-50050100150200250300350400600550500800750700650900850溫度/K時(shí)間/s盤心溫度2015-01-0355示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件56（5）應(yīng)力分析應(yīng)力分析技術(shù)包括用來確定壽命限制件應(yīng)力-應(yīng)變分布的分析和經(jīng)驗(yàn)方法。這些技術(shù)必須能夠確定在每個(gè)壽命限制部位的循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變，并能夠評(píng)估整個(gè)飛行循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、機(jī)械和壓力載荷、熱梯度、裝配預(yù)載荷及部件裝配載荷的變化帶來的影響。申請(qǐng)人應(yīng)當(dāng)特別關(guān)注應(yīng)力集中部位如孔、洞、截面改變處、凸緣、焊接處以及安裝榫槽。分析內(nèi)容應(yīng)該足以完全定義在整個(gè)飛行剖面內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)隨時(shí)間變化的關(guān)系。示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件57示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件2015-01-035859示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件（6）壽命預(yù)測(cè)綜合應(yīng)力－應(yīng)變、溫度歷程與合適的材料及循環(huán)疲勞測(cè)試數(shù)據(jù)確定零部件的低周疲勞裂紋萌生壽命?？紤]塑性和蠕變帶來的影響。用統(tǒng)計(jì)方法考慮材料的分散性需要低循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證在壽命期內(nèi)，限壽件仍然存在失效風(fēng)險(xiǎn)

示例分析-發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件事故教訓(xùn)

1989年SiouxCity空難后，F(xiàn)AA通過AIA（Aerospace

Industries

Association）/RISC（Rotor

Integrity

Sub-Committee）要求航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的工業(yè)部門回顧相關(guān)技術(shù)從而提出損傷容限方法，降低發(fā)動(dòng)機(jī)高能部件非包容事故的事故率，作為當(dāng)時(shí)采用的安全壽命方法的一種補(bǔ)充。

隨后，在FAA的引導(dǎo)下美國SWRI，聯(lián)合四大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司（Honeywell、Rolls-R