Тестирование лезвия

Удержание лопастей и дисбаланс ротора
	Поврежденный корпус двигателя в результате испытаний на вылет лопаток. Кредит: НАСА
Цель	Гарантирует, что выход из строя вращающихся лопаток вентилятора и компрессора газотурбинных двигателей не приведет к последующим отказам критически важных систем самолета.
Год начался	1964

Испытание на отрыв лопасти или испытание на вылет лопасти — это особая форма испытаний на безопасность полетов , требуемая Федеральным управлением гражданской авиации и другими агентствами по безопасности для сертификации показателей безопасности реактивных двигателей . Испытания требуют, чтобы производители двигателей провели как минимум два испытания двигателя, чтобы убедиться, что двигатель выдержит разрушение компрессора или лопатки вентилятора внутри двигателя, а также разрушение лопатки турбины внутри двигателя без выбрасывания фрагментов через двигатель. вне корпуса двигателя, что приводит к локализованному отказу двигателя .

В Соединенных Штатах испытания требуются в соответствии с разделом 14, частью 33, подразделом F, разделом 33.94 Кодекса федеральных правил США (CFR), испытаниями на удержание лопастей и дисбаланса ротора . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Эквивалентные требования к испытаниям приведены в Спецификациях сертификации двигателей (CS-E), опубликованных Европейским агентством авиационной безопасности (EASA).

Дизайн

Одним из наиболее сложных требований к проектированию и сертификации компонентов коммерческих реактивных двигателей является смягчение последствий отказа ротора с «лопастями», который может привести к катастрофической гибели самолетов и/или пассажиров. Выход лопастей двигателя происходит, когда внезапное изменение скорости вызывает колебание вращения ротора и, как следствие, перенапряжение лопастей, или когда лопасть или группа лопастей выходят из строя из-за усталости от повторяющихся циклических напряжений. Проверка динамики ротора и условий выхода лопастей для обеспечения безопасной эксплуатации чрезвычайно дорога, отнимает много времени и труда. Для испытания обычно требуется специально подготовленный компрессор или лопатка турбины со встроенным небольшим зарядом взрывчатого вещества, чтобы отделить его по команде во время испытания. ^{[ 3 ]}

Испытания и стандарты не требуют, чтобы двигатели продолжали работать после выхода из строя лопастей, а только чтобы никакие осколки не проникали во внешний корпус двигателя и чтобы он не вибрировал во время остановки достаточно сильно, чтобы оторваться от самолета, за исключением других отказов. . ^{[ 4 ]} Общество инженеров автомобильной промышленности подготовило отчеты с подробным описанием количества отказов лопаток. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Существует два подхода к удержанию обломков после вылета лезвия: либо твердая стенка, которая предназначена для противодействия и отражения шрапнели, либо мягкая стенка, которая предназначена для задержания и удержания шрапнели. Жесткое кольцо — это более старый подход, появившийся в 1970-х годах, и он, как правило, тяжелее, чем мягкий, потому что обычно представляет собой кольцо из тяжелого металла; в мягкой стенке обычно используется упругий внешний защитный слой, изготовленный из композитного материала, такого как арамидное волокно , для которого требуется большее пространство, чтобы позволить композитному слою слегка расшириться. Кроме того, твердая стенка для удержания цельнометаллических лезвий обычно требует непомерно тяжелого кольца, поэтому твердые стенки обычно используются с полыми металлическими или композитными лезвиями. ^{[ 7 ]}

Типичное защитное кольцо из твердой стали имеет толщину до 3/8 дюйма (9,5 мм ; ) при весе 410 фунтов (190 кг) ^{[ 8 ]}^: 3, 5 В исследовании НАСА 1979 года была предложена «многослойная защитная структура» со слоем с низким сопротивлением для улавливания мусора, окруженным слоем с высоким сопротивлением для поддержания формы защитной оболочки и минимизации дальнейшего взаимодействия с оставшимися лопатками турбины. ^{[ 8 ]}^: 9–11 Пневматическая пушка использовалась для стрельбы лопастными снарядами по нескольким различным конструкциям защитной оболочки для проверки «послойных» концептуальных конструкций, включающих композитные материалы. ^{[ 8 ]}^{: 33, 43–77}

Исследование 1976 года включало оценку брони, необходимой для удержания энергии от фрагментов 1, 2 и 4 лопаток компрессора и турбинных ступеней двигателей General Electric CF6 и Pratt & Whitney JT9D ; хотя появление фрагмента с четырьмя лопастями было маловероятно, для его содержания потребовалась бы стальная пластина толщиной 1,212 дюйма (30,8 мм), что добавило бы от 110 до 195 фунтов (от 50 до 88 кг) на двигатель. Исследование пришло к выводу, что к планеру может быть добавлена избыточная броня в дополнение к защитной оболочке двигателя, но со значительным увеличением веса в 2500 или 3000 фунтов (1100 или 1400 кг) для самолетов с 3 или 4 двигателями соответственно. ^{[ 9 ]}^: 1–3 Сопутствующее исследование брони, установленной на двигателе, пришло к выводу, что вес защитной оболочки, чтобы противостоять осколку с четырьмя лезвиями, должен будет увеличиться примерно на 410 фунтов (190 кг) в дополнение к уже предоставленным 510 фунтам (230 кг) защитного материала, большая часть которого который потребуется для вентиляторной секции. ^{[ 10 ]}^: 17–19

История

Соединенные Штаты

Первоначальный выпуск Стандартов летной годности авиационных двигателей ( 14 CFR 33 ) от 10 июня 1964 года включал требования к долговечности в части 33.19. ^{[ 11 ]} обеспечить, чтобы «конструкция корпусов роторов компрессора и турбины должна предусматривать сдерживание повреждений в случае отказа ротора». ^{[ 12 ]} серия заменяющих консультативных циркуляров (AC). В 1965 году была выпущена ^{[ 13 ]} 1968, ^{[ 14 ]} и 1970 г. ^{[ 15 ]} предоставлять рекомендации по демонстрации соответствия требованиям Стандартов летной годности . В руководстве 1965 года в AC 33-1 отмечалась предпочтительность «устойчивых к проколам корпусов роторов или отдельной брони, достаточной для удержания сломанных лопастей несущего винта и лопаток статора», а также ротора двигателя и подшипников, достаточно прочных, «чтобы обеспечить запас прочности на период останова и низкого давления». скорости ветряной мельницы, когда возникают большие дисбалансы, типичные для поврежденных лопастей несущего винта», но его больше беспокоило уменьшение повреждений после попадания в организм посторонних предметов. ^{[ 13 ]} К 1970 году AC 33-1B предоставил более конкретные критерии приемлемости защитной оболочки, которая должна быть в состоянии предотвратить «значительный разрыв или опасную деформацию корпуса двигателя, а также выброс лопастей через край корпуса или щита двигателя или за его пределы». ^{[ 15 ]}

Поправка 10 к Стандартам летной годности была опубликована Федеральным управлением гражданской авиации 23 февраля 1984 года, которая изменила требования к долговечности 33.19, добавив, что «уровни энергии и траектории фрагментов, образующихся в результате разрушения лопаток несущего винта, которые находятся за пределами корпусов ротора компрессора и турбины. должны быть определены», а также путем переноса некоторых требований к испытаниям на отрыв лезвия из рекомендательных циркуляров в новые правила ( 14 CFR 33.94 ). ^{[ 1 ]}^{[ 16 ]}

Требование сдерживания и требование испытаний были введены после анализа истории неконтролируемых отказов двигателей , которые привели к серьезным повреждениям самолетов в результате крушения рейса 232 (UA232) авиакомпании United Airlines 19 июля 1989 года. Эта авария произошла не из-за оторвавшейся лопасти вентилятора, а из-за дефекта диска ротора вентилятора на двигателе General Electric CF6 номер 2 (хвостовой) , что привело к потере гидравлической мощности приводов управления полетом и аварийной посадке этого самолета. Одной из рекомендаций, содержащихся в отчете о расследовании Национального совета по безопасности на транспорте, было внести поправки в 14 CFR 33, требующие оценки компонентов двигателя; Оценка позволит определить, какие компоненты, если они сломаются и отсоединятся, могут представлять значительную угрозу конструкциям и системам самолета. ^{[ 17 ]}^: 106 После катастрофы UA232 18 июня 1990 года ФАУ выдало AC 33-5. ^{[ 4 ]}

Авария UA232 также привела к введению новых требований к анализу безопасности Стандартов летной годности , определяющих «несдерживание высокоэнергетических обломков» как опасное воздействие двигателя в Части 33.75. ^{[ 18 ]} который был добавлен Поправкой 24 4 сентября 2007 г.; ^{[ 19 ]} Поправка 24 также привела стандарты США в соответствие с современными европейскими стандартами. ^{[ 20 ]}^{[ 21 ]} AC 33-1B был отменен в 2015 году после того, как его заменили новые правила и AC. ^{[ 15 ]}

Европа

Эквивалентные требования к испытаниям на отрыв лопаток указаны в документе « Отказ лопаток компрессора и турбины : подраздел E, раздел 810 Совместных авиационных требований к двигателям» (JAR-E), разработанном и выпущенном Объединенными авиационными властями . ^{[ 22 ]} На смену JAR-E пришли Сертификационные спецификации для двигателей (CS-E) с идентичной структурой, первоначально одобренные и выпущенные Европейским агентством авиационной безопасности 24 октября 2003 г.; ^{[ 23 ]} к испытаниям на снятие лезвия применяются те же подразделы E и раздел 810 CS-E. Поправка 6 к CS-E 810 гласит, что для сертификации газотурбинного двигателя «должно быть продемонстрировано, что любой отдельный компрессор или лопатка турбины будут удержаны после отказа и что никакое опасное воздействие на двигатель не может возникнуть в результате других вероятных повреждений двигателя. произойти до остановки двигателя из-за отказа лопасти». ^{[ 24 ]}

См. также

Симулятор столкновения с птицами

Ссылки

Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства .

^ Jump up to: ^а ^б 14 С.Ф.Н. 33.94
^ «Раздел 33.94 — Испытания на удержание лопастей и дисбаланс ротора. (Свод федеральных правил, раздел 14 — Аэронавтика и космос)» . www.govinfo.gov . Федеральное управление гражданской авиации. 1 января 2008 года . Проверено 24 мая 2020 г.
^ «Арес I занимается проектированием и разработкой в Гленне» . Аэрокосмические рубежи . Исследовательский центр Гленна НАСА . 19 января 2007 г. Проверено 02 марта 2021 г. В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .
^ Jump up to: ^а ^б «AC 33-5: Сохранение/долговечность лопаток ротора турбинного двигателя» . Федеральное управление гражданской авиации. 18 июня 1990 года . Проверено 10 марта 2021 г.
^ Отчет по защитной изоляции авиационных двигателей, AIR4003 (Отчет). САЭ Интернешнл. 8 января 1991 года . Проверено 10 марта 2021 г.
^ Отчет по защитной изоляции авиационных двигателей, AIR1537A (Отчет). САЭ Интернешнл. 1 августа 1996 года . Проверено 10 марта 2021 г.
^ Баттон, Кейт (июль – август 2018 г.). «Инженерный блокнот: сдерживание отвала» . Аэрокосмическая Америка . Проверено 10 марта 2021 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Стотлер, CL; Коппа, AP (июль 1979 г.). Удержание композитных лопастей вентилятора, отчет № NASA-CR-159544 (Отчет). Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Проверено 10 марта 2021 г.
^ Гундерсон, Колорадо (июль 1977 г.). Исследование по улучшению защиты лопастей несущего винта двигателя планера, отчет № FAA-RD-77-44 (PDF) (Отчет). Министерство транспорта США, Федеральное управление гражданской авиации . Проверено 10 марта 2021 г.
^ Херманн, Карл Ф.; МакКлюр, Кеннет Р.; Эрикссон, Ричард Х. (август 1977 г.). Исследование по улучшению защиты лопаток ротора газотурбинного двигателя, отчет № FAA-RD-77-100 (PDF) (Отчет). Министерство транспорта США, Федеральное управление гражданской авиации. Архивировано (PDF) из оригинала 24 марта 2020 г. Проверено 10 марта 2021 г.
^ 14 CFR 33.19
^ 29 ФР 7453
^ Jump up to: ^а ^б «AC 33-1: Процедуры сертификации типа удержания посторонних предметов в турбинном двигателе и удержании лопастей» . Федеральное авиационное агентство. 24 июня 1965 года . Проверено 10 марта 2021 г.
^ AC 33-1A: Процедуры сертификации типа попадания посторонних предметов в турбинный двигатель и удержания лопаток ротора , Федеральное авиационное агентство, 19 июня 1968 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с «AC 33-1B (отменено) — Процедуры сертификации типа защиты от попадания в турбинный двигатель посторонних предметов и лопастей ротора» . Федеральное управление гражданской авиации. 22 апреля 1970 года . Проверено 10 марта 2021 г.
^ 49 ФР 6851
^ Отчет об авиационном происшествии: рейс 232 United Airlines, McDonnell Douglas DC-10-10, аэропорт Су-Гейтуэй, Су-Сити, Айова, 19 июля 1989 г. | NTSB/AAR-90/06 (PDF) (Отчет). Национальный совет по безопасности на транспорте. 1 ноября 1990 года . Проверено 10 марта 2021 г.
^ 14 CFR 33,75
^ 72 ФР 50867
^ 71 ФР 5769
^ 71 ФР 40675
^ «Поправка 13 к Объединенным авиационным требованиям к двигателям» (PDF) . Объединенное авиационное управление. 1 ноября 2004 г. Архивировано из оригинала (PDF) 26 мая 2006 г.
^ «CS-E/Первоначальный выпуск» . Европейское агентство авиационной безопасности. 24 октября 2003 года . Проверено 10 марта 2021 г.
^ «Поправка 6 CS-E» . Европейское агентство авиационной безопасности. 1 июля 2020 г. . Проверено 10 марта 2021 г. прямой URL-адрес

Внешние ссылки

Трент 1000 готов к полету после испытания на отрыв лопасти , Flight Global, 8 мая 2007 г.
Rolls-Royce — целенаправленные инвестиции в технологии , 2006 г.
Национальный совет по безопасности на транспорте США, Отчет об авиационных происшествиях NTSB/AAR-90-06 , 1 ноября 1990 г.
Испытание лопаток турбинного двигателя на отказ на YouTube
Испытание отвала A380 на YouTube

[14CFR33.94-1] Jump up to: ^а ^б 14 С.Ф.Н. 33.94

[14CFR-2] «Раздел 33.94 — Испытания на удержание лопастей и дисбаланс ротора. (Свод федеральных правил, раздел 14 — Аэронавтика и космос)» . www.govinfo.gov . Федеральное управление гражданской авиации. 1 января 2008 года . Проверено 24 мая 2020 г.

[NASA_2007-3] «Арес I занимается проектированием и разработкой в Гленне» . Аэрокосмические рубежи . Исследовательский центр Гленна НАСА . 19 января 2007 г. Проверено 02 марта 2021 г. В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .

[AC33-5-4] Jump up to: ^а ^б «AC 33-5: Сохранение/долговечность лопаток ротора турбинного двигателя» . Федеральное управление гражданской авиации. 18 июня 1990 года . Проверено 10 марта 2021 г.

[5] Отчет по защитной изоляции авиационных двигателей, AIR4003 (Отчет). САЭ Интернешнл. 8 января 1991 года . Проверено 10 марта 2021 г.

[6] Отчет по защитной изоляции авиационных двигателей, AIR1537A (Отчет). САЭ Интернешнл. 1 августа 1996 года . Проверено 10 марта 2021 г.

[7] Баттон, Кейт (июль – август 2018 г.). «Инженерный блокнот: сдерживание отвала» . Аэрокосмическая Америка . Проверено 10 марта 2021 г.

[NASA-CR-159544-8] Jump up to: ^а ^б ^с Стотлер, CL; Коппа, AP (июль 1979 г.). Удержание композитных лопастей вентилятора, отчет № NASA-CR-159544 (Отчет). Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Проверено 10 марта 2021 г.

[RD77-44-9] Гундерсон, Колорадо (июль 1977 г.). Исследование по улучшению защиты лопастей несущего винта двигателя планера, отчет № FAA-RD-77-44 (PDF) (Отчет). Министерство транспорта США, Федеральное управление гражданской авиации . Проверено 10 марта 2021 г.

[RD77-100-10] Херманн, Карл Ф.; МакКлюр, Кеннет Р.; Эрикссон, Ричард Х. (август 1977 г.). Исследование по улучшению защиты лопаток ротора газотурбинного двигателя, отчет № FAA-RD-77-100 (PDF) (Отчет). Министерство транспорта США, Федеральное управление гражданской авиации. Архивировано (PDF) из оригинала 24 марта 2020 г. Проверено 10 марта 2021 г.

[11] 14 CFR 33.19

[12] 29 ФР 7453

[AC33-1-13] Jump up to: ^а ^б «AC 33-1: Процедуры сертификации типа удержания посторонних предметов в турбинном двигателе и удержании лопастей» . Федеральное авиационное агентство. 24 июня 1965 года . Проверено 10 марта 2021 г.

[14] AC 33-1A: Процедуры сертификации типа попадания посторонних предметов в турбинный двигатель и удержания лопаток ротора , Федеральное авиационное агентство, 19 июня 1968 г.

[AC33-1B-15] Jump up to: ^а ^б ^с «AC 33-1B (отменено) — Процедуры сертификации типа защиты от попадания в турбинный двигатель посторонних предметов и лопастей ротора» . Федеральное управление гражданской авиации. 22 апреля 1970 года . Проверено 10 марта 2021 г.

[16] 49 ФР 6851

[17] Отчет об авиационном происшествии: рейс 232 United Airlines, McDonnell Douglas DC-10-10, аэропорт Су-Гейтуэй, Су-Сити, Айова, 19 июля 1989 г. | NTSB/AAR-90/06 (PDF) (Отчет). Национальный совет по безопасности на транспорте. 1 ноября 1990 года . Проверено 10 марта 2021 г.

[18] 14 CFR 33,75

[19] 72 ФР 50867

[20] 71 ФР 5769

[21] 71 ФР 40675

[22] «Поправка 13 к Объединенным авиационным требованиям к двигателям» (PDF) . Объединенное авиационное управление. 1 ноября 2004 г. Архивировано из оригинала (PDF) 26 мая 2006 г.

[23] «CS-E/Первоначальный выпуск» . Европейское агентство авиационной безопасности. 24 октября 2003 года . Проверено 10 марта 2021 г.

[24] «Поправка 6 CS-E» . Европейское агентство авиационной безопасности. 1 июля 2020 г. . Проверено 10 марта 2021 г. прямой URL-адрес

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]