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從美國西南航空B737發動機失效事件,瞭解發動機轉子爆破

01 事件回顧

美國當地時間 2018 年 4 月 17 日, 西南航空一架波音 737 飛機(註冊號:N772SW), 巡航階段左側發動機發生失效, 進氣道和部分整流罩脫落, 發動機起火, 事故飛機最後成功迫降。

機上共 148 人, 其中機組 5 人, 乘客 143 人。 此次事故導致 1 名乘客遇難, 7 名乘客受傷, 飛機左發短艙及舷窗等嚴重損壞。

單發運行情況下, 成功迫降該航班的女飛行員 Tammie Jo Shults 被贊是 “美國英雄”。 Tammie 今年 56 歲, 曾在美國海軍服役 10 年, 是美國海軍中最早駕駛 F18 戰鬥機的女飛行員之一。

事故飛機機齡 17 年零 10 個月, 裝配了兩台 CFM56-7B24 發動機。 值得關注的是, 這是美國西南航空 B737 飛機兩年內發生的第二起類似事故。

注:2016 年 8 月 27 日, 西南航空一架 B737-700 飛機(N766SW)執行美國新奧爾良到奧蘭多的飛行任務, 飛機在巡航階段左發(CFM56)失效, 碎片擊穿機身, 造成客艙失壓, 所幸無人員傷亡。

02 初步事故調查

美國國家運輸安全委員會(NTSB), 事發當日下午 4:30 到達現場開展調查。

初步現場勘查發現, 發動機的 13 號葉片在與輪轂連接處斷裂丟失, 脫落位置有金屬疲勞痕跡。

發動機整流罩脫落部件在費城機場西北 70 英里處被發現。 飛機的 FDR 和 CVR 已被運回 NTSB 華盛頓總部實驗室進行分析。

根據目前掌握的線索, 該起事件很可能由於金屬疲勞問題, 導致風扇葉片斷裂。 葉片飛脫後, 發動機可能發生了非包容性轉子爆破。

因此, 它造成的影響不僅僅是發動機空中停車那麼簡單, 更嚴重的是, 它損害了發動機和飛機機身結構, 並嚴重威脅乘客安全。

本次事故中, 風扇碎片不受控地飛射,

擊穿機身, 擊碎舷窗, 客艙失壓, 氧氣面罩自動放下, 左發動機起火並空中停車, 甚至一名乘客差點被吸出窗外。

所幸轉子爆破並未造成飛機控制能力完全喪失, 女機長實現了成功迫降。

注:這裡僅是事故原因的推測, 具體要以 NTSB 最終報告為准。

03 FAA 發佈緊急適航指令

美國聯邦航空局 FAA 於當地時間 2018 年 4 月 20 日,

發佈了針對 CFM56-7B 發動機的緊急適航指令(Emergency Airworthiness Directive, EAD), 如下圖。

這份緊急適航指令要求在 20 天內, 對所有飛行迴圈為 30000 及以上的 CFM56-7B 發動機的全部 24 個風扇葉片進行超聲檢測, 以排除裂紋隱患。 一旦發現問題, 應立即更換。

受此影響, 中國引進的部分裝配 CFM56-7B 發動機的波音 737,也需完成相關檢查。

此外,針對飛行迴圈為 30000 以下的 CFM56-7B 發動機,FAA 通過發佈服務通告,提供了處理方案。

04 什麼是發動機轉子爆破?

定義:

發動機非包容性轉子爆破,是指發動機轉子部件在高速旋轉時斷裂,產生不同尺寸的碎片。這些高能碎片擊穿發動機機匣,沿不同的角度飛射出去,從而損壞周圍結構、系統設備、管路線路等。

這類的發動機轉子失效形式,就稱為 “非包容性轉子爆破”,簡稱 “轉子爆破”。

發動機轉子爆破,是飛機高能轉子失效的一種,另外兩種常見的高能轉子失效還包括 APU 非包容性轉子爆破,和 RAT 轉子爆破。

當飛機發動機發生轉子爆破時,意味著發動機某些輪盤和葉片可能發生斷裂。它產生的碎片可能穿透鄰近結構、燃油箱、機身、系統設備和飛機上的其他發動機,對飛行安全和乘客生命造成極大風險。

儘管 CCAR33.75 和 CCAR33.94 條款中都有對碎片包容性的要求,且發動機製造商也在竭力減小非包容性轉子爆破發生的概率,但根據實際航線運營經驗,發動機轉子爆破事件仍然不斷發生(上面就是典型示例)。

因為很難完全消除轉子爆破對飛機造成的損壞,所以 CCAR25 部要求飛機製造商必須採取措施,把轉子爆破造成的危害減至最小。

05 轉子爆破相關適航條款

與發動機非包容性轉子爆破,這項特定風險相關的適航條款有 CCAR/FAR/CS 25.903(d)(1)、25.1309(b)、25.365(e)(1)、25.963(e)(1)、25.1189(g) 和 25.571(e)。

這些條款的內容摘要如下:

06 開展轉子爆破分析的思路

發動機轉子爆破特定風險分析,是特定風險分析 (PRA, Particular Risks Analysis)中極為重要的一項工作。

一般可根據發動機和各系統的安裝位置,來分析轉子爆破的影響區域和碎片飛射路徑。

對於翼吊發動機的常規佈置,轉子爆破影響範圍通常包括中機身、兩側機翼、發動機吊掛、其他發動機等。

轉子爆破會產生大碎片和小碎片。大碎片具有無限能量,分析時可採用 “無限穿透” 的假設(有人說高能碎片擊穿機身,就像刀切豆腐一樣 easy,一點都不為過)。

而小碎片具有有限能量,通常增壓艙蒙皮、鋁制機翼蒙皮、吊掛結構等,均可抵擋小碎片。

對於發動機轉子爆破,FAA 發佈了諮詢材料 AC20-128A。在開展發動機非包容性轉子爆破特定風險分析時,應考慮如下假設:

無論轉子大碎片來自發動機風扇、壓氣機、低壓渦輪還是高壓渦輪,其具有的能量假設為無窮大。因此轉子大碎片可摧毀其飛射路徑上的所有管路、電纜和未加防護的結構,並且不會改變其原始軌跡。但認為防護擋板和受撞擊的發動機能夠阻擋大碎片;

在考慮轉子大碎片對飛機的影響時,假設只有一個碎片作用於機體;

系統設備或元器件一旦被碎片碰到,即認為已經失效了。換言之,被轉子爆破碎片擊中的設備,其失效概率為 1;

機組人員均在正常工作狀態下。

根據 AC20-128A,發動機轉子爆破特定風險分析,可以按照如下步驟進行:

根據發動機轉子參數,建立發動機轉子爆破碎片模型;

根據轉子爆破碎片模型確定影響範圍,及受影響的系統和設備;

受影響的系統考慮和採取設計預防措施,儘量降低轉子爆破風險。設計措施主要包括隔離、阻擋和冗餘:儘量將系統設備佈置在影響區域之外,儘量依靠結構件對系統設備進行阻擋保護,或者採取冗餘設計並確保冗餘設備不會同時受轉子爆破損壞;

系統採取設計預防措施之後,仍需評估轉子爆破對系統的安全性影響,確定發動機轉子爆破可能會對系統造成的失效狀態及影響等級;之後根據各系統分析,評估轉子爆破可能對飛機造成的失效狀態及其影響等級;

如果可能導致飛機發生災難性失效狀態,則需要計算其剩餘風險;

如果剩餘風險滿足要求,則提交適航審查方審查;如果不滿足要求,則需要進行設計更改,降低轉子爆破風險,直至剩餘風險滿足要求。

此外,在開展轉子爆破特定風險分析時,要特別關注此風險的級聯影響。

例如飛控系統可能不受轉子爆破的直接影響,但轉子爆破可能導致液壓、電源、EWIS等失效,對飛控系統產生間接影響,從而影響飛機安全。

中國引進的部分裝配 CFM56-7B 發動機的波音 737,也需完成相關檢查。

此外,針對飛行迴圈為 30000 以下的 CFM56-7B 發動機,FAA 通過發佈服務通告,提供了處理方案。

04 什麼是發動機轉子爆破?

定義:

發動機非包容性轉子爆破,是指發動機轉子部件在高速旋轉時斷裂,產生不同尺寸的碎片。這些高能碎片擊穿發動機機匣,沿不同的角度飛射出去,從而損壞周圍結構、系統設備、管路線路等。

這類的發動機轉子失效形式,就稱為 “非包容性轉子爆破”,簡稱 “轉子爆破”。

發動機轉子爆破,是飛機高能轉子失效的一種,另外兩種常見的高能轉子失效還包括 APU 非包容性轉子爆破,和 RAT 轉子爆破。

當飛機發動機發生轉子爆破時,意味著發動機某些輪盤和葉片可能發生斷裂。它產生的碎片可能穿透鄰近結構、燃油箱、機身、系統設備和飛機上的其他發動機,對飛行安全和乘客生命造成極大風險。

儘管 CCAR33.75 和 CCAR33.94 條款中都有對碎片包容性的要求,且發動機製造商也在竭力減小非包容性轉子爆破發生的概率,但根據實際航線運營經驗,發動機轉子爆破事件仍然不斷發生(上面就是典型示例)。

因為很難完全消除轉子爆破對飛機造成的損壞,所以 CCAR25 部要求飛機製造商必須採取措施,把轉子爆破造成的危害減至最小。

05 轉子爆破相關適航條款

與發動機非包容性轉子爆破,這項特定風險相關的適航條款有 CCAR/FAR/CS 25.903(d)(1)、25.1309(b)、25.365(e)(1)、25.963(e)(1)、25.1189(g) 和 25.571(e)。

這些條款的內容摘要如下:

06 開展轉子爆破分析的思路

發動機轉子爆破特定風險分析,是特定風險分析 (PRA, Particular Risks Analysis)中極為重要的一項工作。

一般可根據發動機和各系統的安裝位置,來分析轉子爆破的影響區域和碎片飛射路徑。

對於翼吊發動機的常規佈置,轉子爆破影響範圍通常包括中機身、兩側機翼、發動機吊掛、其他發動機等。

轉子爆破會產生大碎片和小碎片。大碎片具有無限能量,分析時可採用 “無限穿透” 的假設(有人說高能碎片擊穿機身,就像刀切豆腐一樣 easy,一點都不為過)。

而小碎片具有有限能量,通常增壓艙蒙皮、鋁制機翼蒙皮、吊掛結構等,均可抵擋小碎片。

對於發動機轉子爆破,FAA 發佈了諮詢材料 AC20-128A。在開展發動機非包容性轉子爆破特定風險分析時,應考慮如下假設:

無論轉子大碎片來自發動機風扇、壓氣機、低壓渦輪還是高壓渦輪,其具有的能量假設為無窮大。因此轉子大碎片可摧毀其飛射路徑上的所有管路、電纜和未加防護的結構,並且不會改變其原始軌跡。但認為防護擋板和受撞擊的發動機能夠阻擋大碎片;

在考慮轉子大碎片對飛機的影響時,假設只有一個碎片作用於機體;

系統設備或元器件一旦被碎片碰到,即認為已經失效了。換言之,被轉子爆破碎片擊中的設備,其失效概率為 1;

機組人員均在正常工作狀態下。

根據 AC20-128A,發動機轉子爆破特定風險分析,可以按照如下步驟進行:

根據發動機轉子參數,建立發動機轉子爆破碎片模型;

根據轉子爆破碎片模型確定影響範圍,及受影響的系統和設備;

受影響的系統考慮和採取設計預防措施,儘量降低轉子爆破風險。設計措施主要包括隔離、阻擋和冗餘:儘量將系統設備佈置在影響區域之外,儘量依靠結構件對系統設備進行阻擋保護,或者採取冗餘設計並確保冗餘設備不會同時受轉子爆破損壞;

系統採取設計預防措施之後,仍需評估轉子爆破對系統的安全性影響,確定發動機轉子爆破可能會對系統造成的失效狀態及影響等級;之後根據各系統分析,評估轉子爆破可能對飛機造成的失效狀態及其影響等級;

如果可能導致飛機發生災難性失效狀態,則需要計算其剩餘風險;

如果剩餘風險滿足要求,則提交適航審查方審查;如果不滿足要求,則需要進行設計更改,降低轉子爆破風險,直至剩餘風險滿足要求。

此外,在開展轉子爆破特定風險分析時,要特別關注此風險的級聯影響。

例如飛控系統可能不受轉子爆破的直接影響,但轉子爆破可能導致液壓、電源、EWIS等失效,對飛控系統產生間接影響,從而影響飛機安全。

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