PW1100G发动机LPT3叶片断裂风险评估与强制纠正措施决策分析

王 烨 ，孙缨军 ，陈志雄 ，蔡 景

（1.民航上海航空器适航审定中心，上海200335；2.上海工程技术大学航空运输学院，上海201620；3.南京航空航天大学民航学院，南京210106）

0 引言

涡轮叶片是航空发动机非常关键的热端零件之一，其工作状况直接影响发动机可靠性、安全性和燃油消耗率等。截至2019 年11 月，全球装有PW1100G发动机的A320neo 机队中，共发生42 起因更新材料后第3 级低压涡轮叶片（LPT3 叶片）断裂导致的空中停车、返航或中断起飞等事件。其中中国机队南航7起，1 起空停；川航 1 起空停；国航 1 起返航[1-3]。事件频发后，PW 和空客公司分别作为发动机和飞机的制造商发布纠正措施，主审国局方也制定强制纠正措施（见第3 章），但LPT3 叶片断裂故障仍时有发生，这为上海适航审定中心对机队的安全监控提出挑战。对于引进机型的机队安全监控，中国作为登记国局方，通常做法是直接使用主审国局方发布的强制纠正措施，若不安全状态仍未解决，则运行国局方在监控和评估机队安全时面临许多困难。首先，缺少引进机型的安全性数据和全球机队运行大数据[4]，在机队风险评估方面需要创造新方法对已有数据充分挖掘利用，一般的风险评估方法无法满足需要[5]；其次，缺乏对设计特征细节掌握[6]，在分析根原因[7-8]和纠正措施[9]时，需要获得制造商、局方和航空公司支持；还有如何进行具体的风险评估结合根原因、纠正措施选项的分析，形成适合中国机队的措施方案，没有案例可供借鉴。

国内外学者近年对风险评估开展了大量研究。孙缨军等[10]详细阐述持续适航过程及方法，为航空产品实际风险评估提供重要方法；Bao 等[11]开展控制系统风险评估，为发动机安全运行提供有力支持；Mill⁃water 等[12]综述机体结构数字孪生所需的概率风险评估流程；Yang等[13]提出基于概率密度演化的数值积分方法，用于提高评估发动机涡轮盘风险准确性和效率；Violette 等[14]采用结构化的运输飞机风险评估方法（Transport Airplane Risk Assessment Methodology，TARAM），确定分析中涉及的各参数，用于计算未纠正机队风险；Everdij 等[15]采用TARAM 实现磨损类故障评估判定。这些方法需要大量的机队运行数据，而这些数据都被外国公司牢牢控制，国内所得数据非常有限，国际上适航当局通常采用所有机队的平均风险，不能针对不同机队风险有效评估。

本文旨在基于有限的飞行小时数据并根据不同机队的飞行小时和发生的事件识别机队的风险及符合性时间计算，分析确定LPT3叶片断裂根原因，并提出候选纠正措施，为不同机队的风险水平决策提供指导。这次A320飞机LPT3断裂事件的处理方法，旨在探索一种有效的对机队安全监控的思路和方法。

1 中国机队安全风险的评估

运输飞机风险评估方法是一种基于事件数据开展概率风险评估的方法，用于判定运输类飞机持续运行中的不安全状态、评估后续缓解风险措施及其符合性时间期限，并为颁发适航指令的决策提供重要依据。

单机风险是1 架飞机的风险水平，用每飞行小时乘员遭受致命损伤的概率表示；而机队风险评估本质上是对整个机队单机风险的累计。

机队风险影响因素（如图1所示）包括：（1）在研究中的不安全状况可能发生的次数（如该不安全状况的统计期望）；（2）由于该状况导致的严重后果的条件概率（该不安全状况会导致已知严重度的后果的概率）；（3）后果的严重度，即如果在规定的时间里没有采取纠正措施时的权重结果或预期的死亡人员的数目[16-17]。

图1 机队风险影响因素[16-17]

当单机或机队出现不安全状态后，评估其实际风险。若风险较高，需在较短期限内采取纠正措施；若风险较低，允许在相对较长期限内采取纠正措施。这一时间期限是机队风险符合性限定的时间期限。英国民航局统计表明，每个机型灾难性事件的实际风险容许值一般为整个风险目标每飞行小时1×10-7的1/4，即每飞行小时0.25×10-7（基本设计风险为整个风险目标的3/4，即每飞行小时 0.75×10-7）[18]。统计数据表明，对每个机型的单架飞机来说，在整个寿命期内，这种事件不超过10 次[10]，则每个事件的风险容许量模型如图2所示。

图2 灾难性失效的风险容许量模型[10，18]

那么，假设飞机设计寿命为60000 飞行小时，每次失效发生时，其产生灾难性事件的风险为：△R=0.25×10-7×（1/10）×60000=1.5×10-4。

中国的南航、川航、国航、青岛航和海航等5 家公司引进了配装PW1100G发动机的A320neo 飞机，截至 2019 年 11 月 ，机队的发动机小时数统计如图3 所示。

图3 中国机队发动机飞行小时数

为准确了解和管理各机队的实际风险，目前有一些全球受影响机队的区间统计数据，因南航机队的发动机小时数和事件数较多，在分析时将中国机队分为南航机队和其他机队，采用基于时间段和比例的方法计算了受影响机队的总风险、南航受影响机队的风险和其他受影响机队的风险，并确定了各受影响机队的措施符合性时间期限，为下一步缓解风险并制定适合中国机队的纠正措施提供了基于时间要求的框架。

（1）受影响机队总风险。

式中：RI为机队单发空停失效的风险；n为事件次数；E为发动机飞行小时。

从式中可见，最近1个月区间整个配装PW1100G发动机的A320neo机队发生的事件次数为10，全球机队年发动机小时数为2.387×106，装有更新材料后LPT3的发动机比例为72%。

总的符合性时间期限按照灾难性失效的风险容许量模型为

式中：△R为每次灾难性事件发生的容许风险；RD为此次LPT3叶片断裂造成双发停车的风险。

（2）南航受影响机队风险。

根据调研数据，按机队运行事件和事件比例评估南航机队风险和事件期限分别为

式中：RCSAI为南航机队单发空停失效的风险；nCSA为南航事件次数；nC为中国机队事件总次数；EC为中国机队发动机飞行总小时数；ECSA为南航机队发动机飞行小时数。

则南航机队双发停车的概率为

式中：RCSAD为南航机队双发空停失效的风险；TCSAP为南航机队符合性时间期限。

（3）其他受影响机队风险。

式中：ROI为其他机队单发空停失效的风险；ROD为其他机队双发空停失效的风险；nO为其他机队事件次数；EO为其他机队发动机飞行小时；TO为其他机队符合性时间期限。

机队风险水平如图4 所示。从图中可见，由于PW1100G 发动机LPT3 叶片损伤导致2 台发动机停车带来的整个机队的灾难性风险为4.87×10-9，超过了可接受的安全风险水平，南航机队由于发生的断裂次数较多，其机队风险更是达到了1.64×10-8，应分析根原因并参考相应的符合性时间期限制定纠正措施，缓解机队风险。

图4 机队风险水平

2 根原因分析

根据PW 公司的调查分析和去南航的调研发现，PW1100G 发动机的涡轮中间机匣活塞封严（piston seal）磨损断裂，脱落的材料撞击下游的LPT3叶片，如图5 所示。由于更新了TiAl材料（质量很轻但抗拉和抗冲击强度不够）的LPT3 叶片在离心载荷下抗撞击能力不足，受到撞击时会断裂[19-21]。

图5 封严环磨损断裂造成LPT3叶片受损

而机匣变形[22]是引起活塞封严磨损的主要原因之一。在爬升推力未减小的情况下，统计分析表明飞机爬升时发动机处于92.7%高压转子转速附近，在此转速下，振动会导致涡轮中间机匣弯曲，造成活塞封严磨损加剧，从而使活塞封严部分材料断裂脱落风险增加，撞击下游的LPT1、LPT2或者LPT3叶片。

此外，通过对发生LPT3 叶片断裂发动机的小时数进行分析对比发现，15 起事件的发动机自新使用时间（Time Since New，TSN）在2500 飞行小时以内，其中空停5 起；推断此故障根原因的影响因素与飞行小时数非正相关，主要还是由于机匣变形引起的活塞封严磨损。在起飞阶段未减推力、N2=92.7%时导致某些机匣部件发生共振，造成涡轮中间机匣变形。已有迹象表明，起飞阶段未减推力运行以及LPT3 叶片材料抗撞击能力不足是此次LPT3 叶片断裂的主要原因。

通过调查发现，起飞阶段未减推力的情况一般仅分布在亚洲机队，且影响程度和不同机队的起飞操作习惯相关，因此在制定措施时不按构型区分方式，而是计算不同机队风险并由此采取不同机队的针对性措施。

3 基于机队风险的强制纠正措施决策

各国局方基于所辖地区机队受影响的情况及对风险和根原因的认识，均拟制定相关的纠正措施，用以缓解全球在役机队风险。

美国联邦航空管理局（FAA）作为PW1100G 发动机主审当局，计划颁布针对发动机的强制纠正措施，要求在规定的时间期限内更换LPT3 叶片[20]。此外，还计划对所有未改装LPT3叶片的发动机在下次进厂时更换改装。

欧洲航空安全局（EASA）作为A320neo 的主审当局，针对配装PW1100G 的A320 飞机颁布AD 2019-0304R1，要求未去偶的飞机在3 个月内去偶，已经去偶（更换不受影响发动机）或双发不受问题影响的飞机必须至少保持去偶[21]。

FAA作为发动机主审当局，需解决发动机的安全问题，其计划的强制纠正措施通过更换不同材料的LPT3解决叶片的断裂问题，但由于备件有限，措施的符合性时间较长，并未考虑和评估机队安全问题，厂家服务通告（Service Bulletin，SB）发布后，LPT3叶片断裂仍时有发生。而EASA 作为飞机主审当局，着眼于全球机队，仅从缓解风险的角度给出了措施，并未针对解决根原因给出强制措施，且欧美机队和亚洲机队受未减推力的影响不同，出现断裂故障的频率也不同，即安全风险也不同。因此，如果简单等待和跟随FAA和EASA的措施，可能会降低对中国机队安全风险水平的要求（中国未减推力爬升风险高于欧美均值）。

基于深入航空公司的根原因[10]的调查和认识，从技术上分析能够缓解飞机双发停车风险的候选措施有以下几种：

（1）减推力爬升改装（更改发动机运行的操作规程）。通过减小N2达到92.7%的概率，从而减小因机匣变形导致封严环加剧磨损的影响。

（2）发动机去偶安装。去偶安装并不能减小发动机的空中停车概率，但在同一架飞机上混装不受此问题影响的发动机，可以有效降低飞机双发停车的风险。

（3）发动机孔探检查。在初始设计中，活塞封严磨损很小，一般在发动机大修时检查或更换。LPT3叶片断裂事件发生后，调查发现是由于涡轮中间机匣导致封严磨损较大，其碎片造成LPT3 叶片断裂。因此，在发动机大修前可以通过孔探检查封严材料的磨损量，发动机提前更换，降低LPT3叶片被撞击断裂的风险。

（4）LPT3 叶片改装。将铝基钛合金LPT3 叶片改装为镍合金叶片，增强抗撞击能力，减少断裂的风险，改装后发动机不再受断裂问题影响。

（5）活塞封严改装。给活塞封严镀层，提高耐磨性，改装后运行没有出现脱落情况。

根据对中国机队的风险评估和上述候选措施的分析，为精准解决机队的安全问题，并最大程度保证机队正常运行，分别对南航机队和其他机队考虑适合的纠正措施和时间期限，做到对症下药，措施适宜。措施（1）简单易行，能从根原因上减少封严的磨损；措施（2）实际是1 种限制运行措施，能够有效缓解双发停车风险，与措施（1）互为补充，共同降低风险；措施（3）通过调研，发现PW 公司给出的孔探间隔和磨损量标准有些矛盾，纳入局方强制纠正措施可能会产生争议；上海适航审定中心已决定颁发相应的中国适航指令（Chinese Airworthiness Directive，CAD），将措施（4）作为1 种缓解风险的手段；措施（5）的技术还不成熟。因此，针对南航机队，为了减小机匣变形导致封严环加剧磨损的概率，减缓封严环断裂风险，要求按时间期限完成减推力爬升改装；为降低在LPT3 叶片改装期间发生双发停车，要求南航机队在完成减推力爬升改装后实行发动机去偶运行。

针对其他机队，主要采用减推力爬升改装和发动机去偶运行的措施，由于风险不同，对于减推力爬升改装和发动机去偶安装的时间期限要求有所不同，以契合航空公司实际情况，最大程度的保障机队安全顺畅运行。

4 结束语

本文针对引进机型的机队安全问题，建立了1 套基于区间和比例的定量风险评估方法，并给出了1 个包括风险计算、根原因分析和基于机队风险的强制纠正措施决策分析的组合技术应用案例。这种定量的分析不同机队安全风险并根据机队风险制定纠正措施的思路和方法是一种创新的尝试，不同于国外局方只计算整个机型机队风险，一般采用构型区分措施的方法。本套思路和方法给出的风险分析和措施决策是在传统方法的基础上，提供了比较精准的机队风险区间、比例定量评估方法和针对性的改正改进措施，适用于处置一些比较复杂的机队安全问题，既确保了安全，又能保障不同机队经济、顺畅地运行。

单边适航指令发布后，LPT3 叶片断裂风险得到了有效控制。这也是中国首次在单边适航指令制定中采用机队风险评估与根原因分析、纠正措施决策结合的典型案例，为未来引进机型乃至国产民机机队的持续运行安全管理提供了1套可借鉴的方案。