一种航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Probabilistic Risk Assessment Method for Two-Component Associated Faults of Aeroengine

The invention discloses a probabilistic risk assessment method for correlated faults of two components of an aeroengine, including component fault analysis, turbine disk fuel tank correlated fault analysis, component fault risk model construction and case analysis of correlated fault risk. Component failure analysis includes the determination of engine components'direct faults and associated fault modes, and the simulation of components' direct fault probability; turbine disk fuel tank associated fault analysis includes turbine disk debris fault process analysis, debris breakdown fuel tank ignition criterion analysis; component failure risk model is built to establish a two-stage component associated fault probability risk model; related fault risk cases include: turbine disk debris failure process analysis, debris breakdown fuel tank ignition criterion analysis; The correlation probability of aircraft fire caused by debris breaking through engine casing, wing and fuel tank is analyzed. The present invention evaluates the risk level of the associated failure of the fuel tank ignited by the turbine disk debris of the aeroengine, and provides data support for reducing the operational risk of the civil aircraft and ensuring the operational safety.

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机两部件关联故障概率风险评估方法
本专利技术属于民用飞机运行安全分析与风险评估
，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。
技术介绍
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<RS≤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。本专利技术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。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术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，本专利技术采用的技术方案为：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tA、潜在故障时间tP、功能故障时间tF；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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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tA、潜在故障时间tP、功能故障时间tF；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙有朝，郭媛媛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32