润滑系统对航空发动机的润滑、散热、清洁、防腐等有重要作用,润滑系统的安全影响着发动机整体的安全。研究发动机润滑系统的审定基础与安全性对我国自主研制发动机润滑系统十分重要。首先对航空发动机润滑系统涉及的适航条款及标准规范进行分析,再针对润滑系统的功能和部件故障模式及影响分析(failure mode and effect analysis,简称FMEA)展开研究。最后从润滑系统设计、润滑系统部件试验、滑油姿态试验、滑油中断试验和整机试验5部分展开审定分析,形成了一套完整的润滑系统安全性审查方法指南,为局方提供润滑系统的适航审定支持。

Lubricating system of aero-engine plays an important role in engine lubrication, heat dissipation, cleaning, and anti-corrosion. The safety of the lubrication system affects the overall safety of the aero-engine. It is very important to study the certification basis and safety of aeroengine lubrication system for the independent development of engine lubrication system in China. Firstly, this paper analyzes the airworthiness clauses and standards of engine lubrication system, and then studies the function and component failure mode and effect analysis (FMEA) of the lubrication system. Finally, the certification analysis is carried out from the five parts of lubrication system design, lubrication system component test, lubricating oil attitude test, lubricating oil interruption test and whole machine test, forming a complete set of safety review method guide of lubrication system, providing airworthiness certification support for CAAC.

航空发动机 ； 润滑系统 ； 安全性 ； 故障模式及影响分析 ； 适航审定

Aero-engine ； lubrication system ； safety ； failure mode and effect analysis(FMEA) ； airworthiness certification

航空发动机润滑系统的功能包括润滑、散热、清洁、滑油储存、防虹吸、油气分离、回收滑油、防腐和指示作用,其中最重要的功能是润滑、热交换和清洁部件表面[1]。具体而言,在发动机工作过程中,润滑系统可以提供清洁润滑油,带走杂质,减少对偶面的摩擦与磨损,防止表面硬化和腐蚀。润滑系统通过吸收摩擦所产生的热量和高温零件的热量,冷却滑油流经区域的高温零组件。目前常见的涡扇发动机,其润滑系统主要由滑油箱、油泵、滑油滤、滑油散热器、油气分离器、磁堵等部件组成。如CFM56涡扇发动机的润滑系统由供油、回油、通气三个分系统组成。润滑系统的安全影响着发动机整体的安全,同时也影响着全机安全性[2]。航空发动机的润滑系统中易损坏的部件有油泵、油滤、管路、轴、轴承密封、轴承、喷嘴等,这些部件故障的失效形式有疲劳、断裂、磨损、剥落、铸造/焊接/热处理裂纹、腐蚀等。上述故障轻者以减少油液供应,损害润滑、散热、清洁功能,重者导致油液大量流失,直至油液损耗殆尽,使润滑系统完全丧失润滑、散热、清洁功能,甚至导致发动机发生空停的严重后果。

对于航空发动机的润滑系统,《航空发动机适航规定》(CCAR33)中的CCAR33.71条款[3]、《运输类飞机适航标准》(CCAR25)中的25.1011条款、《运输类飞机适航标准》中的25.1013条款[4]、工业标准(国军标、行标)都对其作出了规定[5-7]。本文主要从以下几个方面对发动机润滑系统的适航审定技术开展研究:润滑系统的适航条款、润滑系统的功能FMEA以及部件FMEA,并从中提炼润滑系统适航审查关注要点,为润滑系统的安全性审查提供技术支持。

CCAR33部是规定颁发和更改航空发动机型号合格证用的适航标准,其中的CCAR33.71条款,从部件角度,对发动机的润滑系统作出了规定。包括滑油滤网或滑油滤、滑油箱、滑油放油装置和滑油散热器。该条款规定了润滑系统正常工作的条件,即预期的飞行姿态以及预期的大气条件,在这些状况下,润滑系统都必须运转。

符合性验证方法上,审查代表应注意,满足第33.71条要求的符合性方法包括设计分析和试验。对于润滑系统相关的部件试验,审查方需判断申请人是否采用了试验,以验证油滤堵塞指示器和旁通活门等功能的可用性、滑油滤等部件的纳污能力、不增压滑油箱的承压能力等。对于滑油姿态试验,需判断采用试验验证发动机润滑系统是否在航空器预期的持续飞行姿态下能正常工作。采用滑油中断试验,需验证发动机润滑系统在航空器预期的瞬时飞行姿态下是否能正常工作。判断申请人在采用滑油污染试验时,是否验证通过了发动机润滑系统的功能不会遭受滑油滤的外来物颗粒的损害。通过整机试验验证,申请人需向审查方表明发动机润滑系统在整个大气条件下能正常工作。同时,审查方还需验证滑油散热器对台架试验中振动、惯性和滑油压力载荷的耐受能力。

CCAR25部是规定颁发和更改运输类飞机型号合格证用的适航标准,提及CCAR25部是因为可从发动机出发向上追溯到飞机,并将其与CCAR33部作对比。CCAR25.1011条款从滑油系统的功能出发,对滑油系统适航性进行了规定,即25.1011条款滑油系统总则。在表明条款的符合性验证方法上,针对25.1011建议的符合性方法包括:MC1设计说明、MC2分析/计算、MC5地面试验、MC6飞行试验和MC9设备鉴定[8-9]。CCAR25.1013条款就具体的滑油系统部件——滑油箱进行了适航性规定,即25.1013条款滑油箱。针对25.1013建议的符合性方法包括:MC1、MC5、MC6、MC7机上检查和MC9[10-11]。

以CFM56发动机为例,制作功能FMEA表格[12-13]。根据中国民用航空规章第33部《航空发动机适航规定》第75条的规定,发动机的危害等级分为以下三类:轻微发动机后果、重要发动机后果和危害性发动机后果。为给出审查关注的重点,如表1所示给出润滑系统功能FMEA,其功能失效可能导致的重要或危害性发动机后果。其中,对于飞行阶段划分,G、T、F1、F2、F3、F4、L1和M分别代表地面滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进场、着陆和维护。

表1 润滑系统功能FMEA

由表1可知,滑油喷嘴移位、滑油喷嘴碎裂、滑油喷嘴堵塞、滑油喷嘴加工偏小和燃油压力超限时卸荷等失效模式会造成重要的发动机后果。因此,功能FMEA的审查关注重点是润滑功能和散热功能的失效。

润滑系统零部件的失效形式,其失效类型包括机械磨损、金属疲劳、断裂失效、密封件老化、腐蚀、铸造裂纹、焊接裂纹、热处理裂纹、轴承故障、油液污染等。以CFM56发动机为例,制作部件FMEA表格。如表2所示为润滑系统的部件FMEA,其部件失效可能导致的重要或危害性发动机后果。

表2 润滑系统部件FMEA

FMEA关注的重点主要从重要或危害等级入手。从表2可以得到,故障导致的危害性发动机后果有2个,分别是前通风器的滑蹭破坏、后通风器的滑蹭破坏。故障导致的重要发动机后果有5个,分别是喷嘴堵塞、喷嘴加工尺寸小、喷嘴断裂、喷嘴移位以及燃油卸压活门打不开。

审查要点可从润滑系统设计、润滑系统部件试验、滑油姿态试验、滑油中断试验和整机试验审查5部分展开,图1为发动机润滑系统技术审查流程图。

1)润滑系统整体设计分析

审查方应首先判断申请人是否有相应文件对发动润滑系统的整体设计特征进行了描述。

(1)审查系统级设计分析。i)判断是否说明润滑系统整体设计架构;ii)判断是否给出润滑系统详细示意图。

(2)审查部件级设计分析。i)判断是否说明润滑系统主要部件的设计特征;ii)判断是否说明润滑系统主要部件的功能。

图1 发动机润滑系统技术审查流程图

2)滑油滤网或滑油滤设计分析

为表明对第33.71(b)条的符合性,审查方需判断申请人是否对润滑系统滑油滤网油滤的相关设计进行了详细说明,并结合润滑系统相关部件试验和整个试验的结果,验证发动机的滑油滤网或滑油滤,是否使得进入润滑系统的外粒得到有效的过滤,而不至损坏润滑系统的功能。

(1)审查滑油滤旁路设计。i)判断是否声明润滑系统中具有旁路的滑油滤网或滑油滤,并判断是否说明其制造、安装情况、滑油预堵塞指示压力、滑油滤极限压降、旁通开启压降及旁通活门全流量下的压降;ii)判断是否说明滑油滤与其旁路装置的设计与构造,并通过分析表明当旁路打开时,其构造能否确保滑油滤积聚的污物不易进入旁通油路。

(2) 审查滑油滤过滤度和纳污容量要求。i)判断是否声明润滑系统中滑油滤类型及过滤精度;ii)判断是否说明润滑系统主滑油滤的纳污容量。

(3) 审查预堵塞报警指示器设计。判断是否说明润滑系统滑油滤预堵塞报警指示器的连接装置数计与构造,以及报警指示的工作原理。

(4) 审查维护性要求。判断是否说明每个滤网或油滤的拆卸及清洗方式,审查代表可以通过现场目击,确认滤网或油滤便于放泄和清洗。

审查方需判断申请人是否通过不同润滑系统部件试验,验证包括滑油滤堵塞指示和旁通活门功能,滑油滤等润滑系统部件的纳污能力,不增压滑油箱的承压能力等。

1)润滑系统部件污染试验

审查方应判断申请人是否进行了润滑系统污染试验,以验证通过规定的过滤装置的外来颗粒不会损害发动机润滑系统的功能。

(1)审查验证对象。判断试验是否包括润滑系统主要部件。至少应包括滑油、滑油散热器(包括燃滑油热交換帯、空气滑油热交换器)、旁通活门等。

(2)审查污染物水平。判断是否给出试验中的污染物水平,并分析了其合理性。

(3)审查工作状态及运行时间。判断是否确定了试验模拟的发动机工作状态及相应的时间,并分析了其合理性。

(4)审查判定准则。试验后应检查部件的磨损情况,检查结果应判断是否在申请人规定的可接受范围内。

2)润滑系统部件功能试验

审查方需判断申请人是否进行了润滑系统相关部件的功能试验,以验证其能够实现预期的功能。

(1)审查堵塞指示器功能。验证滑油滤堵塞指示装置能按预期提供报警指示。

(2)审查旁通活门功能:i)验证滑油滤旁通活门能按预期正常打开;ii)验证滑油滤指示装置报警到旁通活门打开的事件满足设计要求。

滑油姿态试验审查以试验条件审查为主,审查代表进行试验大纲审查时,应关注以下要点。

1)审查发动机运行状态。(1)判断是否声明了发动机的飞行姿态包线(包括俯仰角度和翻角度、对应的运行工况和持续时间);(2)判断是否确定了试验的姿态条件(包括俯仰角度和翻角度),并确保姿态条件满足飞行姿态包线中连续飞行姿态的要求;(3)判断是否确定了试验中各姿态条件下的发动机运行工况(如适用,包括引气、功率提取情况),及其持续时间和间隔时间,并说明它们的选取依据;(4)判断是否明确给出试验中各姿态条件下开始和结束计时的标志。

2)审查滑油箱油量。(1)判断是否声明了发动机滑油箱油量的最低放行标准;(2)判断是否确保试验条件中初始滑油箱油量不大于声明的最低放行标准。

3)审查滑油牌号。判断是否明确了试验中采用的滑油牌号或规格,并确保使用的滑油不影响试验的严苛度。

滑油中断试验审查主要审查试验条件。审查代表进行试验大纲审查时,应关注以下要点。

1)审查发动机运行工况:(1)判断是否声明了发动机的飞行姿态包线(包括俯仰角度和翻滚角度、对应的运行工况和持续时间);(2)判断是否确定了试验中的发动机运行工況(如适用,包括引气、功率提取情况),滑油供油中断的次数、供油中断持续时间和间隔时间,并说明了它们的选取依据;(3)判断是否确保了试验中滑油供油中断的最大持续时间,不小于姿态包线中瞬时飞行姿态的最大持续时间;(4)判断是否明确给出试验中滑油供油中断开始和结束计时的标志。

2)审查试验系统。判断是否对滑油中断系统的工作原理进行了说明。

3)审查滑油牌号。判断是否明确了试验中采用的滑油牌号或规格,并确保了使用的滑油不影响试验的严苛度。

审查方需审查申请人结合的150h持久试验、高空台试验、飞行试验等,以验证第33.71(a)条发动机润滑系统在声明的大气条件下能正常工作,并且具备第33.71(b)条款要求的润滑系统的抗污染能力。

1)审查大气条件。判断相关的整机试验工况能否覆盖申请人声明的发动机预期使用的大气条件。

2)审查滑油系统限制值。判断试验验证的润滑系统参数范围能否覆盖申请人声明的润滑系统参数限制值(如滑油温度限制、滑油压力限制)。

3)审查构型偏离。判断是否对试验中构型偏离的影响进行了合理分析及声明,以确保不会对表明润滑系统的符合性产生影响。

4)审查滑油牌号。判断试验中采用的滑油牌号和规格,是否与手册中声明的一致。

5)审查滑油消耗量。判断滑油消耗量是否满足手册规定的要求。

6)在试验中的监测和试验后的检查。(1)试验过程中应监测滑油温度,试验后应检查滑油散热器,以证明其能承受在台架试验中不会因振动、惯性和滑油压力载荷的出现而失效;(2)试验后应对屑末探测器以及润滑系统部件黁损程度等进行检查,检查结果应判断是否在申请人所规定的可接受范围内;(3)判断相关的整机试验工况能否覆盖申请人声明的发动机预期使用的大气条件。

航空发动机润滑系统的安全性对发动机整体安全运行有着显著影响。为提高民用航空发动机润滑系统的适航审定能力,强化适航审定技术,从而为航空发动机润滑系统适航审定提供技术支持。本文主要工作及结论如下:1)对CCAR33.71、CCAR25.1011和CCAR25.1013等航空发动机润滑系统的相关适航文件进行分析,从条款技术含义确定可接受的符合性验证方法,给出审查需要注意的事项;2)研究润滑系统功能FMEA与部件FMEA,得出润滑功能和散热功能失效是功能FMEA的审查关注重点;喷嘴、燃油卸压活门、前通风器和后通风器失效是部件FMEA的审查关注重点;3)提供了从润滑系统设计、润滑系统部件试验、滑油姿态试验、滑油中断试验和整机试验审查5部分的审查要点,形成完整的发动机润滑系统技术审查流程。

[1] YEUNG K K,MCKENZIE A J,LIEW D.Development of computer-aided image analysis for filter debris analysis[J].Lubrication Engineering,1994,50(4):293-299.

[2] International Civil Aviation Organization.Safety Management Manual [M].2nd ed.Quebec,Canada:ICAO,2009.

[3] 中国民用航空局.航空发动机适航规定:CCAR-33R2[S].北京:中国民用航空局,2012.

[4] 中国民用航空局.运输类飞机适航标准:CCAR-25-R4[S].北京:中国民用航空局,2011.

[5] 中国人民解放军总装备部.航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范:GJB 241A-2010[S].北京:总装备部军标出版发行部,2010.

[6] 中国人民解放军总装备部.航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范:GJB 242A-2018[S].北京:中国标准出版社,2018.

[7] 国防科学技术工业委员会.飞机滑油系统安装和试验要求:HB 7708-2002 [S].北京:国防科学技术工业委员会,2002.

[8] 郑作棣.运输类飞机适航标准技术咨询手册[M].北京:航空工业出版社,1995.

[9] 白杰.运输类飞机适航要求解读第4卷:动力装置[M].北京:航空工业出版社,2013.

[10] 中国民用航空局.航空器型号合格审定程序:AP-21-AA-2011-03-R4[S].北京:中国民用航空局,2011.

[11] 徐明.运输类飞机适航性技术参考手册(卷4)[M].北京:航空工业出版社,2019.

[12] SAE International.Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems:SAE ARP4754[S].U.S.:SAE International,2010.

[13] SAE International.Guidelines and Methods for Conducting the Safety Assessment Process on Civil Airborne Systems and Equipment:SAE ARP4761[S].U.S.:SAE International,1996.