CN109872040A - 一种航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，包括部件故障分析、涡轮盘油箱关联故障分析、部件故障风险模型构建和关联故障风险案例分析。部件故障分析包括确定发动机部件直接故障、关联故障模式，模拟部件直接故障概率；涡轮盘油箱关联故障分析包括涡轮盘碎片故障过程分析、碎片击穿燃油箱引燃判据分析；部件故障风险模型构建建立了双阶段部件关联故障概率风险模型；关联故障风险案例包括分析碎片击穿发动机机匣、机翼、燃油箱，进而导致飞机起火的关联概率。本发明评估了航空发动机涡轮盘碎片引燃燃油箱的关联故障风险水平，为降低民用飞机运行风险和保障运行安全提供数据支持。

Description

一种航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法

技术领域

本发明属于民用飞机运行安全分析与风险评估技术领域，具体涉及一种航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，特别是涉及一种以涡轮盘碎片引燃燃油箱的部件关联故障、反映民用飞机航空发动机运行安全的风险评估方法。

背景技术

从1991年至今，全球航空事故累计发生17701起。国际民航组织将近年商用飞机事故类型主要分为跑道安全、系统部件失效、乱流、可控飞行撞地、飞行过程中失、无法消除火情、其他、未知。除了跑道安全相关事件，飞机自身的系统部件失效是事故发生的主要原因。在高温、高压、高速、高强度、变负荷等极端工作条件下，航空发动机可能发生单部件直接故障或者部件间关联故障引起性能下降或者发动机损坏。随着发动机性能不断提高，结构愈加复杂化，发动机部件在运营阶段发生故障的概率逐渐增加。2016年11月，美国国家运输安全委员会发布，芝加哥一架波音767客机因为右侧发动机高压涡轮盘疲劳开裂，飞出发动机罩，导致起飞被迫中断，随后起火。发动机起火事件属于部件关联故障。据统计，24％的起火是高能碎片击穿油箱或打断油管引起的。高能碎片来源包括涡轮部件损坏如涡轮盘破裂、叶片脱榫、折断。高能碎片击穿油箱、油管后，漏出可燃油液和蒸气，遇到发动机高温表面或逸出的高温燃气等点火源，发生起火。FAA咨询通告AC25.1309-1A中要求其可接受水平为10^-9<R_S≤10^-5/飞行小时。

目前航空发动机风险评估的方法包括美国西南研究院联合Rolls-Royce，GeneralElectric和Pratt&Whitney共同研发的发动机部件区域风险评估方法；建立航空发动机单部件故障模型，分析预防维修方式和维修周期对故障风险的影响；应用重点采样法及响应面函数计算裂纹扩展寿命，获得不同循环疲劳寿命下的涡轮盘失效概率风险值；分析航空发动机因性能衰退而换发的历史监控数据记录，利用Weibull比例风险回归建模思想，建立发动机性能参数与在翼时间之间的函数关系；通过非线性回归方法得到有限样本情况下的飞行风险概率的计算；通过区域概率统计、应力-强度干涉理论、线弹性断裂力学等方法建立了限寿件失效的概率风险评估数学模型。本发明作者在上述研究的基础上，提出针对涡轮盘碎片引燃燃油箱的关联故障风险评估方法，为降低民用飞机运行风险和保障运行安全提供数据支持。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，包括以下步骤：

步骤一、航空发动机部件故障分析

包括确定发动机部件是直接故障模式或关联故障模式，基于部件故障特征确定适应的数学分布，利用蒙特卡洛仿真方法模拟部件直接故障次数，确定部件直接故障概率；

步骤二、涡轮盘油箱关联故障分析

包括涡轮盘碎片故障过程分析、碎片击穿燃油箱引燃判据分析；

步骤三、航空发动机部件故障风险模型构建

建立双阶段部件关联故障概率风险模型；

步骤四、关联故障风险案例分析

包括分析碎片击穿发动机机匣、机翼、燃油箱，进而导致飞机起火的关联概率。

进一步的，步骤一中，所述的直接故障分析为：

定义以A点为部件开始发生损伤，以P点为部件损伤容限(即将不能满足功能状态的潜在故障点)，以F点为部件发生功能故障(潜在故障转为功能故障)，预测潜在故障发展趋势，给出部件状态变化；发动机某部件运行状态由可靠度表示，包括部件开始故障时间t_A、潜在故障时间t_P、功能故障时间t_F；

部件功能故障形成需要两个阶段，第一阶段是部件从开始运行到发生潜在故障P的时间；第二阶段是部件从潜在故障P发展到功能故障F的时间；

若在潜在故障发展为功能故障前通过检查手段检出，及时进行预防性维修，预防功能故障发生；否则，除去漏检情况，表明部件在发生功能故障之前不能检出，存在故障风险；

通过维修换件记录，将定时检查更换部件的累积时间估计为部件运行第一阶段中发生潜在故障时间间隔；将部件运行过程中从上次检查至发生功能故障的时间间隔作为部件运行第二阶段中发生功能故障时间间隔；假设航空发动机某部件有N个故障样本集合，通过双参数威布尔分布，确定相应运行时间、概率参数。

进一步的，步骤一中，所述的关联故障分析为：

假设某型发动机有部件A、部件B故障关联，部件A故障为涡轮盘破裂，部件B故障为燃油箱被碎片击中导致引燃；以蒙特卡罗方法模拟部件A故障发生次数，确定故障发生概率，分析部件A故障导致部件B故障的过程、后果及发生概率。

进一步的，步骤二中，所述的涡轮盘碎片故障过程分析为：

确定影响涡轮盘故障后果的相关参数，包括轮盘半径、叶片长度、碎片类型、燃油箱布局；发动机涡轮盘破裂产生的碎片击穿飞机燃油箱或燃油管，导致系统液压油箱泄漏、液压系统供/回油管路破裂、发动机供油管破裂，进而导致滚转控制功能丧失、发动机供油功能丧失、飞机起火。

进一步的，步骤二中，所述的碎片击穿燃油箱引燃判据分析为：

参照规则钢球对典型巡航导弹燃油舱冲击引燃判据，将实际碎片质量折算为相应的直径的钢球，确定燃油箱被击穿的引燃临界比冲量；确定碎片引燃燃油箱关于半径、圆心角、转速的最低条件。

进一步的，步骤三中，所述的建立双阶段部件关联故障概率风险模型，具体步骤为：

步骤a、按照美国联邦航空局咨询通告AC39-8关于危险事件等级定义，判断飞机某部件故障能否导致三级及以上事件，若否，不予理会；若是，执行步骤b；

步骤b、基于部件样本拆换时间、故障时间、检查间隔，建立部件威布尔风险模型；设置初始条件，包括检查间隔、部件拆换时间、功能故障时间与上次检修时间差，确定两段威布尔风险模型参数，给出部件运行两阶段的累积概率函数；

步骤c、判断部件故障为直接故障或是关联故障；若为直接故障，确定O-P、P-F间隔期，利用蒙特卡罗方法，对O-P、P-F故障间隔分别模拟故障次数；模拟次数足够多(默认≥100000次)时，故障发生频率趋近于故障概率；若该部件故障导致其他部件发生故障，执行步骤d；

步骤d、以涡轮盘碎片导致燃油箱故障进而导致起火为例，确定轮盘碎片击穿燃油箱需要达到的引燃临界比冲量，给出涡轮盘碎片击穿燃油箱发生起火概率；以涡轮盘与燃油箱的相对位置，通过蒙特卡罗方法，给出涡轮盘击中燃油箱概率；根据1/3轮盘碎片、中等碎片飞出时的速度、质量、角度，确定击穿燃油箱的运动范围、完全击穿机匣概率；经历了机匣、机翼多层结构碰撞后，确定经机匣吸收能量的碎片击中燃油箱的概率；涡轮盘高能碎片击穿燃油箱会在极短时间内完成，假设该过程在同一检查间隔内；确定所述1/3轮盘碎片、中等碎片两种碎片击中燃油箱中的起火概率；

步骤e、确定涡轮盘击穿燃油箱导致起火的严重度等级，评估航空发动机涡轮盘关联故障风险水平；

步骤f、判断风险值是否为可接受水平，若否，针对部件可能故障，制定、评估并采取改进措施，重新进行蒙特卡罗模拟，计算发动机故障风险，直至风险降至可接受水平，进行后续监控；若是，判断中止。

进一步的，步骤四中，所述的分析碎片击穿发动机机匣、机翼、燃油箱，进而导致飞机起火的关联概率，具体步骤为：

步骤1、确定案例中某型航空发动机涡轮盘检查间隔、由检查间隔检出涡轮盘裂纹超出损伤容限值进而拆换的时间数据、经检查未达到损伤容限值但在下一检查间隔期间发生功能故障的时间数据，通过蒙特卡罗方法，模拟O-P间隔期小于第一次检查间隔的概率；

步骤2、确定钢球、涡轮盘、叶片密度和涡轮盘厚度，计算轮盘击穿燃油箱导致起火的关联故障概率、引燃燃油箱的最低转速、引燃概率和最终导致飞机起火的风险水平。

有益效果：本发明提供的一种航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，与现有技术相比，具有以下优势：本发明评估了航空发动机涡轮盘碎片引燃燃油箱的关联故障风险水平，为降低民用飞机运行风险和保障运行安全提供数据支持。

附图说明

图1为航空发动机两部件故障概率风险评估框图；

图2为部件潜在故障-功能故障状态；

图3为部件故障发展与检查间隔；

图4为关联故障关系过程；

图5为1/3涡轮盘碎片；

图6为民机油箱设置；

图7为涡轮盘碎片故障发展过程；

图8为部件故障运行风险评估过程。

具体实施方式

本发明公开了一种航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，包括部件故障分析、涡轮盘油箱关联故障分析、部件故障风险模型构建和关联故障风险案例分析。部件故障分析包括确定发动机部件直接故障、关联故障模式，模拟部件直接故障概率；涡轮盘油箱关联故障分析包括涡轮盘碎片故障过程分析、碎片击穿燃油箱引燃判据分析；部件故障风险模型构建建立了双阶段部件关联故障概率风险模型；关联故障风险案例包括分析碎片击穿发动机机匣、机翼、燃油箱，进而导致飞机起火的关联概率。本发明评估了航空发动机涡轮盘碎片引燃燃油箱的关联故障风险水平，为降低民用飞机运行风险和保障运行安全提供数据支持。

本发明的航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，包括以下步骤：

步骤一、航空发动机部件故障分析；

步骤二、涡轮盘油箱关联故障分析；

步骤三、航空发动机部件故障风险模型构建；

步骤四、关联故障风险案例分析。

所述步骤一具体包括以下步骤：

步骤A、直接故障分析

定时维修是现在使用最广泛的维修方式，通过无损检测、原位检测甚至在线检测等，较少干涉生产过程的维修手段，检测裂纹尺寸增长、疲劳、腐蚀等故障趋势，确定部件损伤容限值P。如图2所示，定义以A点为部件开始发生损伤，以P点为部件损伤容限(即将不能满足功能状态的潜在故障点)，以F点为部件发生功能故障(潜在故障转为功能故障)，预测潜在故障发展趋势，给出部件状态变化；发动机某部件运行状态由可靠度表示，包括部件开始故障时间t_A、潜在故障时间t_P、功能故障时间t_F；这三个时间参数是描述一个故障从开始损伤到发生实质性的故障的变化过程的三个阶段的定义。

部件功能故障形成需要两个阶段，第一阶段是部件从开始运行到发生潜在故障P的时间，即为t_P-t_A；第二阶段是部件从潜在故障P发展到功能故障F的时间，即为t_F-t_P。

若在潜在故障发展为功能故障前通过检查手段可以检出，及时进行预防性维修，预防功能故障发生。否则，除去漏检情况，表明部件在发生功能故障之前不能检出，存在故障风险。

通过维修换件记录，将定时检查更换部件的累积时间估计为部件运行第一阶段中发生潜在故障时间间隔；将部件运行过程中从上次检查至发生故障的时间间隔作为部件运行第二阶段中发生功能故障时间间隔。假设航空发动机某部件有N个故障样本集合，通过双参数威布尔分布，确定相应运行时间、概率参数。

步骤B、关联故障分析

假设某型发动机有部件A、部件B故障关联，部件A故障为涡轮盘破裂，部件B故障为燃油箱被碎片击中导致引燃；若其中部件A发生故障，在一定概率下引起部件B故障，以蒙特卡罗方法模拟部件A故障发生次数，确定故障发生概率，模拟分析部件A故障导致部件B故障的过程、后果及发生概率，如图7所示。

所述步骤二具体包括以下步骤：

步骤α、涡轮盘碎片故障过程分析

以空客A300装配使用的通用电气公司的CF6-80C2AL涡扇发动机涡轮盘为分析对象，确定轮盘半径、叶片长度、碎片类型、燃油箱布局；这些参数会影响涡轮盘故障的后果、碎片飞出角度、击中其他部件的概率。涡轮盘破裂产生的碎片可能击穿燃油箱或燃油管，导致系统液压油箱泄漏、液压系统供/回油管路破裂、发动机供油管破裂，进而导致滚转控制功能丧失、发动机供油功能丧失、飞机起火。

步骤β、碎片击穿燃油箱引燃判据分析

参照规则钢球对典型巡航导弹燃油舱冲击引燃判据，将实际碎片质量折算为一定直径的钢球，确定燃油箱被击穿的引燃临界比冲量。确定碎片引燃燃油箱关于半径、圆心角、转速的最低条件。

所述步骤三具体包括以下步骤：

步骤a、判断飞机某部件故障能否导致三级及以上事件(根据事件等级定义，起火为三级事件)，若否，不予理会；若是，执行步骤b；

步骤b、基于部件样本拆换时间、故障时间、检查间隔，建立部件威布尔风险模型。设置初始条件，包括检查间隔、部件拆换时间、功能故障时间与上次检修时间差，确定两段威布尔风险模型参数，给出部件运行两阶段的累积概率函数；

步骤c、判断部件故障为直接故障或是关联故障。若为直接故障，确定O-P、P-F间隔期。利用蒙特卡罗方法，对O-P、P-F故障间隔分别模拟故障次数。模拟次数足够多时，故障发生频率趋近于故障概率。若该部件故障导致其他部件发生故障，执行步骤d；

步骤d、以涡轮盘碎片可能导致燃油箱故障进而导致起火为例，分析轮盘碎片与引燃判据关系，给出涡轮盘碎片击穿燃油箱发生起火概率。以涡轮盘与燃油箱的相对位置，通过蒙特卡罗方法，给出涡轮盘击中燃油箱概率。评估1/3轮盘碎片、中等碎片击穿燃油箱的运动范围、完全击穿机匣概率。经历了机匣、机翼多层结构碰撞后，形成的影响范围是极具威胁的，保守估计经机匣吸收能量的碎片击中燃油箱的概率(具体分析时，保守估计概率为1)。涡轮盘高能碎片(高能碎片主要指发动机转子(如涡轮盘)高速运转时，由于疲劳断裂等种种原因从转子脱落的碎片，未能被机匣包容，而从发动机甩出的失效状态)击穿燃油箱会在极短时间内完成，假设该过程在同一检查间隔内。确定两种碎片击中燃油箱中的起火概率；

步骤e、确定涡轮盘击穿燃油箱导致起火的严重度等级，评估航空发动机涡轮盘关联故障风险水平；

步骤f、判断风险值是否为可接受水平(FAA咨询通告AC25.1309-1A中要求其可接受水平为10^-9<R_S≤10^-5/飞行小时)，若否，针对部件可能故障，制定、评估并采取改进措施，重新进行蒙特卡罗模拟，计算发动机故障风险，直至风险降至可接受水平，进行后续监控；若是，判断中止。

所述步骤四具体包括以下步骤：

步骤1、确定案例中某型航空发动机涡轮盘检查间隔、由检查间隔检出涡轮盘裂纹超出损伤容限值进而拆换的时间数据、经检查未达到损伤容限值但在下一检查间隔期间发生功能故障的时间数据。通过蒙特卡罗方法，模拟O-P间隔期小于第一次检查间隔的概率。

步骤2、确定钢球、涡轮盘、叶片密度和涡轮盘厚度。计算轮盘击穿燃油箱导致起火的关联故障概率、引燃燃油箱的最低转速、引燃概率和最终导致飞机起火的风险水平。

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例

如图1所示，本发明提供的航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一、航空发动机部件故障分析。

1.1直接故障分析

以部件损伤容限P点为即将不能满足功能状态的潜在故障点，预测潜在故障发展趋势，给出部件状态变化。发动机某部件运行状态由可靠度表示，如图2所示，部件开始故障时间t_A，潜在故障时间t_P，功能故障时间t_F。

部件功能故障形成需要两个阶段，第一阶段是部件从开始运行到发生潜在故障P的时间x₁，g(x₁)为x₁的分布密度函数；第二阶段是部件从潜在故障P发展到功能故障F的时间x₂，f(x₂)为x₂的分布密度函数。假设检测精度符合检测需求，即如果部件损伤超出P值，现有检测手段能够识别，漏检概率较低，取功能故障未检出概率P_nd＝0.01。

1)若检查间隔ΔT＜x₂，如图3(a)所示，在潜在故障发展为功能故障前通过检查手段可以检出，及时进行预防性维修，预防功能故障发生。

2)若检查间隔ΔT≥x₂，如图3(b)所示，除去漏检情况，表明部件在发生功能故障之前不能检出，存在故障风险。

通过维修换件记录，将定时检查更换部件的累积时间估计为部件运行第一阶段中发生潜在故障时间间隔x₁'；将部件运行过程中从上次检查至发生故障的时间间隔作为部件运行第二阶段中发生功能故障时间间隔x₂'，如图3(a)所示。双参数威布尔分布可拟合民用飞机上各种类型的机械部件寿命数据。部件两阶段威布尔风险累积概率函数如式(1)、(2)所示。假设航空发动机某部件有N个故障样本集合，相应运行时间{x₁'}、{x₂'}，根据极大似然函数，确定形状参数β₁、β₂，特征寿命η₁、η₂：

式(1)、式(2)中，F(x)是累积概率函数；β₁为部件一阶段威布尔分布的形状参数，β₂为部件二阶段威布尔分布的形状参数；η₁、η₂分别为部件一、二阶段威布尔分布的特征寿命。

1.2关联故障分析

假设某型发动机有部件A、部件B故障关联，若其中部件A发生故障，在一定概率下引起部件B故障，利用式(1)、式(2)以蒙特卡罗方法模拟部件A故障发生概率，根据部件A引起部件B故障机理，模拟部件A故障导致部件B故障的过程、后果及发生概率。关联故障关系过程如图4所示。

步骤二、涡轮盘油箱关联故障分析。

2.1涡轮盘碎片故障过程分析

以空客A300装配使用的通用电气公司的CF6-80C2AL涡扇发动机涡轮盘为分析对象，其轮盘半径r₁＝343mm，叶片长度b＝102mm。涡轮盘碎片有1/3轮盘碎片、中等碎片两类。1/3轮盘碎片同时是最具威胁的碎片模型，如图5所示，1/3轮盘碎片半径r_1/3＝r₁+1/3b＝377mm，碎片重心至圆心距离α是碎片圆心角。中等碎片半径r_m＝1/3(r₁+b)＝148mm，假设碎片截面为规则圆形，碎片重心至圆心距离c₂＝263mm。飞机机身共载有5个燃油箱，每个机翼内有2个整体油箱，中央翼内有第5个油箱，如图6所示。

涡轮盘破裂产生的碎片可能击穿燃油箱或燃油管，导致系统液压油箱泄漏、液压系统供/回油管路破裂、发动机供油管破裂，进而导致滚转控制功能丧失、发动机供油功能丧失、飞机起火，如图7所示。

2.2碎片击穿燃油箱引燃判据分析

燃油箱被击穿的引燃临界比冲量I为1.23×10⁸kg/(s·m²)。钢球对典型巡航导弹燃油舱冲击引燃判据为d·v≥23.3(m²/s) (3)

其中，d为钢球直径；v为钢球速度。存在其他碎片冲击燃油箱时，将实际碎片质量折算为一定直径的钢球。以式(3)作为涡轮盘碎片击穿燃油箱，导致飞机起火的引燃判据。

假设轮盘碎片保持半径不变，1/3轮盘碎片圆心角在(0，2π/3)内发生变化，研究碎片圆心角、轮盘碎片转速与引燃极限关系。取碎片质量等于钢球质量，如式(4)所示。取中等碎片质量等于钢球质量，如式(5)所示。碎片等质量钢球半径分别如式(6)、式(7)所示。

其中，ρ₁为轮盘及叶片合金密度；h为涡轮盘厚度；ρ₂为钢球密度；r_a为1/3轮盘碎片等质量钢球半径；r_b为中等碎片等质量钢球半径。

涡轮盘碎片击穿燃油箱导致起火，与碎片质量、半径、夹角、转速、方向有关。碎片引燃燃油箱关于半径、圆心角、转速的最低条件为2r_a·v₁·2πc₁≥23.3 (8)

2r_b·v₂·2πc₂≥23.3 (9)

其中，v₁为1/3轮盘碎片击穿引燃燃油箱的转速度；v₂为中等碎片击穿引燃燃油箱的转速度。

将碎片半径定为常值时，1/3轮盘碎片关于圆心角和转速度的引燃判据函数P[f(α,v)＞I]如式(10)所示，函数所围成的面积比例为涡轮盘碎片导致燃油箱起火概率P₁₃；中等碎片的引燃判据如式(11)所示。

步骤三、航空发动机部件故障风险模型构建，如图8所示。

3.1按照美国联邦航空局(FAA)咨询通告AC39-8关于危险事件等级定义，根据风险事件给飞机、乘客和机组人员带来后果的严重程度定义了五种危险等级，一级事件导致后果最轻，五级事件导致后果最重。具体的三级至五级事件的定义如下：

三级事件(a.飞机或次级不相关系统的实质性损坏；b.不可控制的失火；c.舱内迅速失压；d.大于1个推进系统的永久推力或动力损失；e.飞行高度在304.8米以上时，暂时的或永久的失去爬升能力；f.任何暂时或永久的飞机可控性的损毁；g.可能导致机组人员及乘客严重伤害的任何来自发动机控制系统可引起浓烟或有毒气体泄漏的故障或失效)；

四级事件(a.紧急迫降；b.飞机机身受损；c.严重或致命的人员伤害)；

五级事件(可阻止飞机持续安全飞行和着陆的任何失效条件)；

通过分析故障风险事件危险等级，确定处理风险事件的优先级。三级以上事件是持续适航风险评估方法优先重点考虑消除的风险。通过历史数据或专家经验，判断飞机某部件故障能否导致三级及以上事件，若否，判断中止，对该故障不予理会，在下次发动机维修时进行检查处理；若是，执行第3.2步；

3.2基于部件样本拆换时间、故障时间、检查间隔，建立部件威布尔风险模型。设置初始条件，包括检查间隔ΔT、部件拆换时间{x₁}、功能故障时间与上次检修时间差{x₂}，确定两段威布尔风险模型参数，给出部件运行两阶段的累积概率函数F(x₁)、F(x₂)；

3.3判断部件故障为直接故障或是关联故障。若该部件A故障为直接故障，O-P、P-F间隔期为生成区间[0,1]内随机数r₁、r₂，令r₁＝1-F(x₁)、r₂＝1-F(x₂)。利用蒙特卡罗方法，对O-P、P-F故障间隔x₁、x₂分别模拟N₁次、N₂次，记录x₁小于第一个检查间隔T次数n₁、x₂小于检查间隔T次数n₂。根据大数定理，当模拟次数趋于无穷大时，故障发生频率趋近于故障概率。以涡轮盘断裂直接故障为例，涡轮盘断裂生成碎片的概率N₁、N₂分别是对O-P、P-F故障间隔的仿真次数。若该部件故障导致其他部件发生故障，执行第3.4步；

3.4涡轮盘碎片可能导致燃油箱故障进而导致起火，造成三级事件。根据式(10)，分析1/3轮盘碎片中关系式f(α,v₁)与引燃判据I关系，给出涡轮盘碎片击穿燃油箱发生起火概率P₁₃＝P[f(α,v₁)＞I]。根据式(11)，分析中等碎片引燃概率P_m。以涡轮盘与燃油箱的相对位置，通过蒙特卡罗方法，给出涡轮盘击中燃油箱概率P_dr。1/3轮盘碎片、中等碎片击穿燃油箱的运动范围分别为±3、±5°。两种碎片完全击穿机匣的概率P_dr1＝0.0167，P_dr2＝0.0278。经历了机匣、机翼多层结构碰撞后，形成的影响范围是极具威胁的，保守估计经机匣吸收能量的碎片击中燃油箱的概率为1。涡轮盘高能碎片击穿燃油箱会在极短时间内完成，假设该过程在同一检查间隔内。两种碎片击中燃油箱中的起火概率为P_r＝P_nd×P_td×(P₁₃×P_dr1+P_m×P_dr2+P₁₃×P_dr1×P_m×P_dr2)×1；

3.5世界各国民航客机多次发生飞行中客舱起火，其中近半数造成了成批乘客伤亡的严重事故。基于此，取涡轮盘击穿燃油箱导致起火的严重度等级S＝0.5。航空发动机涡轮盘关联故障风险R＝P_r×S；

3.6判断风险值是否为可接受水平，若否，针对部件可能故障，制定、评估并采取改进措施，重新进行蒙特卡罗模拟，计算发动机故障风险，直至风险降至可接受水平，进行后续监控；若是，判断中止。

步骤四、关联故障风险案例分析。

4.1某型航空发动机涡轮盘检查间隔为1000飞行小时，由检查间隔检出涡轮盘裂纹超出损伤容限值进而拆换的时间数据{x₁}、经检查未达到损伤容限值但在下一检查间隔期间发生功能故障的时间数据{x₂}如表1所示，由小到大排列时间数据集合{x₁}、{x₂}。

表1涡轮盘拆换时间及故障时间

由拆换时间确定β₁＝2.09，η₁＝12978，

由故障时间确定β₂＝1.9，η₂＝524，

取r₁＝1-F(x₁)，r₂＝1-F(x₂)

x₁＝12978×(-lnr₁)^1/2.09 (12)

x₂＝524×(-lnr₂)^1/1.9 (13)

通过蒙特卡罗方法，模拟O-P间隔期小于第一次检查间隔T的概率，根据式(12)，仿真N₁＝100000次，有n₁＝481次为x1＜1×T，根据式(13)，仿真N₂＝100000次，有n₂＝96766次为x₂＜T，Ptd＝0.00465。

4.2涡轮盘材料密度为8.21×10³kg/m³，涡轮叶片材料密度为8.48×10³kg/m³。综合取涡轮盘材料密度为ρ₁＝8.24×10³kg/m³，钢球材料密度为ρ₂＝7.9×10³kg/m³，h＝0.051m。据式(10)计算1/3轮盘击穿燃油箱导致起火的关联故障概率。涡轮机匣吸收了绝大部分的转子能量，当涡轮碎片相继与机翼、燃油箱碰撞时，所携带的能量已经锐减。据资料，涡轮碎片在撞击涡轮机匣后，只剩余10％的能量，因此，涡轮碎片引燃燃油箱至少应满足：

1/3轮盘碎片半径r_1/3＝0.377m，α＝3/π，v₁≥759rad/s.

涡轮盘碎片引燃燃油箱的最低转速为759rad/s，发动机最大转速确定涡轮盘最大转速为1256rad/s。1/3轮盘碎片达到引燃燃油箱概率为，

中等碎片半径保持r_m＝0.148m时，据式(11)，

中等碎片引燃燃油箱的转速v₂最低为736rad/s。相应引燃概率为，

由涡轮盘碎片引燃燃油箱最终导致飞机起火的风险为，

由涡轮盘碎片导致飞机起火的风险值为可接受的风险水平，无需采取纠正措施，对该部件持续进行后续监控。

综上所述，本发明通过建立航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，对降低航空发动机部件潜在故障风险水平具有指导意义。

(1)利用部件故障数据，建立了双参数威布尔两段风险模型，利用蒙特卡罗方法，给出发动机部件在O-P和P-F期间的故障概率水平。

(2)击穿燃油箱的动量与材料密度和速度相关。以某型发动机涡轮盘裂纹至生成碎片、击中机匣、击穿机匣、击中机翼、击穿机翼、击穿燃油箱、飞机起火为分析过程，给出了部件故障导致其他部件关联故障的概率，确定了航空发动机关联故障风险水平。

(3)案例分析表明，涡轮盘两种典型碎片打穿燃油箱的风险水平低于咨询通告AC25.1309-1A中规定的可接受风险水平，该型发动机涡轮盘故障风险水平符合民机运行安全要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、航空发动机部件故障分析

包括确定发动机部件是直接故障模式或关联故障模式，基于部件故障特征确定适应的数学分布，利用蒙特卡洛仿真方法模拟部件直接故障次数，确定部件直接故障概率；

步骤二、涡轮盘油箱关联故障分析

包括涡轮盘碎片故障过程分析、碎片击穿燃油箱引燃判据分析；

步骤三、航空发动机部件故障风险模型构建

建立双阶段部件关联故障概率风险模型；

步骤四、关联故障风险案例分析

包括分析碎片击穿发动机机匣、机翼、燃油箱，进而导致飞机起火的关联概率。

2.根据权利要求1所述的航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，其特征在于：步骤一中，所述的直接故障分析为：

定义以A点为部件开始发生损伤，以P点为部件损伤容限，以F点为部件发生功能故障，预测潜在故障发展趋势，给出部件状态变化；发动机某部件运行状态由可靠度表示，包括部件开始故障时间t_A、潜在故障时间t_P、功能故障时间t_F；

部件功能故障形成需要两个阶段，第一阶段是部件从开始运行到发生潜在故障P的时间；第二阶段是部件从潜在故障P发展到功能故障F的时间；

若在潜在故障发展为功能故障前通过检查手段检出，及时进行预防性维修，预防功能故障发生；否则，除去漏检情况，表明部件在发生功能故障之前不能检出，存在故障风险；

通过维修换件记录，将定时检查更换部件的累积时间估计为部件运行第一阶段中发生潜在故障时间间隔；将部件运行过程中从上次检查至发生功能故障的时间间隔作为部件运行第二阶段中发生功能故障时间间隔；假设航空发动机某部件有N个故障样本集合，通过双参数威布尔分布，确定相应运行时间、概率参数。

3.根据权利要求1所述的航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，其特征在于：步骤一中，所述的关联故障分析为：

假设某型发动机有部件A、部件B故障关联，部件A故障为涡轮盘破裂，部件B故障为燃油箱被碎片击中导致引燃；以蒙特卡罗方法模拟部件A故障发生次数，确定故障发生概率，分析部件A故障导致部件B故障的过程、后果及发生概率。

4.根据权利要求1所述的航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，其特征在于：步骤二中，所述的涡轮盘碎片故障过程分析为：

确定影响涡轮盘故障后果的相关参数，包括轮盘半径、叶片长度、碎片类型、燃油箱布局；发动机涡轮盘破裂产生的碎片击穿飞机燃油箱或燃油管，导致系统液压油箱泄漏、液压系统供/回油管路破裂、发动机供油管破裂，进而导致滚转控制功能丧失、发动机供油功能丧失、飞机起火。

5.根据权利要求1所述的航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，其特征在于：步骤二中，所述的碎片击穿燃油箱引燃判据分析为：

参照规则钢球对典型巡航导弹燃油舱冲击引燃判据，将实际碎片质量折算为相应的直径的钢球，确定燃油箱被击穿的引燃临界比冲量；确定碎片引燃燃油箱关于半径、圆心角、转速的最低条件。

6.根据权利要求1所述的航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，其特征在于：步骤三中，所述的建立双阶段部件关联故障概率风险模型，具体步骤为：

步骤a、按照美国联邦航空局咨询通告AC39-8关于危险事件等级定义，判断飞机某部件故障能否导致三级及以上事件，若否，不予理会；若是，执行步骤b；

步骤b、基于部件样本拆换时间、故障时间、检查间隔，建立部件威布尔风险模型；设置初始条件，包括检查间隔、部件拆换时间、功能故障时间与上次检修时间差，确定两段威布尔风险模型参数，给出部件运行两阶段的累积概率函数；

步骤c、判断部件故障为直接故障或是关联故障；若为直接故障，确定O-P、P-F间隔期，利用蒙特卡罗方法，对O-P、P-F故障间隔分别模拟故障次数；模拟次数≥100000次时，故障发生频率趋近于故障概率；若该部件故障导致其他部件发生故障，执行步骤d；

步骤d、以涡轮盘碎片导致燃油箱故障进而导致起火为例，确定轮盘碎片击穿燃油箱需要达到的引燃临界比冲量，给出涡轮盘碎片击穿燃油箱发生起火概率；以涡轮盘与燃油箱的相对位置，通过蒙特卡罗方法，给出涡轮盘击中燃油箱概率；根据1/3轮盘碎片、中等碎片飞出时的速度、质量、角度，确定击穿燃油箱的运动范围、完全击穿机匣概率；经历了机匣、机翼多层结构碰撞后，确定经机匣吸收能量的碎片击中燃油箱的概率；涡轮盘高能碎片击穿燃油箱会在极短时间内完成，假设该过程在同一检查间隔内；确定所述1/3轮盘碎片、中等碎片两种碎片击中燃油箱中的起火概率；

步骤e、确定涡轮盘击穿燃油箱导致起火的严重度等级，评估航空发动机涡轮盘关联故障风险水平；

步骤f、判断风险值是否为可接受水平，若否，针对部件可能故障，制定、评估并采取改进措施，重新进行蒙特卡罗模拟，计算发动机故障风险，直至风险降至可接受水平，进行后续监控；若是，判断中止。

7.根据权利要求1所述的航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法，其特征在于：步骤四中，所述的分析碎片击穿发动机机匣、机翼、燃油箱，进而导致飞机起火的关联概率，具体步骤为：

步骤1、确定案例中某型航空发动机涡轮盘检查间隔、由检查间隔检出涡轮盘裂纹超出损伤容限值进而拆换的时间数据、经检查未达到损伤容限值但在下一检查间隔期间发生功能故障的时间数据，通过蒙特卡罗方法，模拟O-P间隔期小于第一次检查间隔的概率；

步骤2、确定钢球、涡轮盘、叶片密度和涡轮盘厚度，计算轮盘击穿燃油箱导致起火的关联故障概率、引燃燃油箱的最低转速、引燃概率和最终导致飞机起火的风险水平。