趙　軍，付堯明，賴安卿

(中國民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢　618307)

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民航大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)總體性能參數(shù)敏感性分析

趙軍，付堯明，賴安卿

(中國民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢618307)

基于Gasturb總體性能分析軟件對民航大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)高空巡航階段的3個(gè)監(jiān)控性能參數(shù)受5個(gè)氣路部件效率影響的敏感性進(jìn)行分析；研究發(fā)現(xiàn)高空巡航階段高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪的效率降低對排氣溫度影響較大，風(fēng)扇、增壓級和低壓渦輪的效率降低影響稍??；五大氣路部件的效率降低會帶來排氣溫度、燃油流量的上升，而對高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速則有正和負(fù)的效應(yīng)，其中低壓軸上的3個(gè)部件的效率降低會增加高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；而高壓軸上的兩個(gè)部件的效率降低會導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降，這與發(fā)動機(jī)以風(fēng)扇轉(zhuǎn)速作為被控參數(shù)的控制規(guī)律有關(guān)。

航空發(fā)動機(jī)；總體性能；仿真；敏感性分析

0　引言

基于狀態(tài)信息和發(fā)動機(jī)模型的趨勢分析技術(shù)是民航發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷的主要技術(shù)手段[1]，趨勢分析工具需要監(jiān)控發(fā)動機(jī)的參數(shù)有總體性能參數(shù)、滑油系統(tǒng)參數(shù)、發(fā)動機(jī)振動參數(shù)。其中總體性能參數(shù)包括巡航階段的EGT(Exhaust Gas Temperature，簡稱EGT)、燃油流量、核心機(jī)轉(zhuǎn)速3個(gè)重要的性能參數(shù)，CFMI公司針對民航客戶的發(fā)動機(jī)總體性能的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控也采用這3個(gè)參數(shù)。

壓氣機(jī)、渦輪作為高速旋轉(zhuǎn)部件,隨著服役時(shí)間的增加,會出現(xiàn)老化現(xiàn)象[2-9]。關(guān)于各部件工作對總體性能的影響，文獻(xiàn)[10]針對涵道比的高低進(jìn)行了區(qū)分：低涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的性能衰退主要是由于風(fēng)扇、壓氣機(jī)性能變化引起,約占60%～70%；渦輪變化占10%～15%；其余為封嚴(yán)間隙增大造成。對于高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，由于渦輪前總溫高，性能衰退主要是由于高壓渦輪引起，約占63%～67%；高壓壓氣機(jī)約占16%～28%；低壓轉(zhuǎn)子占7%～21%。文獻(xiàn)[11]則給出了民航修理廠的經(jīng)驗(yàn)：在發(fā)動機(jī)的部件模塊中，低壓壓氣機(jī)的大修可以恢復(fù)7～15 ℃ EGT裕度，高壓渦輪的大修可以恢復(fù)15～30 ℃ EGT裕度，低壓渦輪的大修可以恢復(fù)3～5 ℃ EGT裕度，其他部件的大修對恢復(fù)EGT裕度貢獻(xiàn)不大。上述表述大都是發(fā)動機(jī)大修廠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，多為定性的數(shù)據(jù)，且需要驗(yàn)證；國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)上少有各部件的敏感性定量分析的研究，為精細(xì)研究總體性能參數(shù)受各部件的影響大小，直接試驗(yàn)的研究方法將是最準(zhǔn)確的，但為獲得敏感性數(shù)據(jù)的耗費(fèi)也將是巨大的，因此有必要通過計(jì)算機(jī)仿真的手段進(jìn)行各部件敏感性定量分析的研究。

本文以某假設(shè)的民航大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)為研究對象，采用Gasturb航空發(fā)動機(jī)總體性能分析軟件[12]對該發(fā)動機(jī)高空巡航階段的3個(gè)監(jiān)控性能參數(shù)受各部件效率影響的敏感性進(jìn)行分析，首先通過發(fā)動機(jī)總體性能分析進(jìn)行該款發(fā)動機(jī)的整機(jī)建模；在此基礎(chǔ)上改變各部件的效率值，觀察監(jiān)控性能參數(shù)與自變量的變化關(guān)系，據(jù)此得到各影響參數(shù)的敏感性因子，以指導(dǎo)發(fā)動機(jī)故障診斷和修理廠維修方案的優(yōu)化。

1　整機(jī)建模

表1給出了發(fā)動機(jī)總體性能仿真的各部件性能參數(shù)，這些參數(shù)是參考在役民用發(fā)動機(jī)得到的，因?yàn)槿狈Σ考匦?，所以非設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能計(jì)算采用軟件自帶的通用特性曲線。從輸入?yún)?shù)可見，雖然是一個(gè)假設(shè)的模型發(fā)動機(jī)，但據(jù)此進(jìn)行的敏感性分析能夠反映高涵道比雙軸分排商用發(fā)動機(jī)的典型特征。

2　主要影響因素選擇

從文獻(xiàn)[10-11]可以看出，影響發(fā)動機(jī)性能參數(shù)的主要部件參數(shù)有：風(fēng)扇效率、增壓級效率、高壓壓氣機(jī)效率、高壓渦輪效率、低壓渦輪效率，下面就針對這5個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的敏感性分析。

表1　數(shù)值仿真輸入

3　空中巡航狀態(tài)各參數(shù)敏感性分析

在進(jìn)行敏感性分析時(shí)，假設(shè)控制系統(tǒng)為單變量控制系統(tǒng)，控制量為主燃油流量，被控參數(shù)為低壓軸轉(zhuǎn)速(N1)。穩(wěn)態(tài)下的控制規(guī)律為：調(diào)節(jié)主燃油流量控制發(fā)動機(jī)低壓軸轉(zhuǎn)速N1=const，這一點(diǎn)與CFM56系列發(fā)動機(jī)是一致的。

圖1是CFMI給出的CFM56-5B發(fā)動機(jī)在空中35 000 ft，0.76 Ma下的參數(shù)敏感性結(jié)果，該結(jié)果是CFMI通過發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立的，考慮到其數(shù)學(xué)模型包含了非常詳盡的部件特性，同時(shí)有大量的高空臺試車數(shù)據(jù)和飛行平臺試飛數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為該數(shù)據(jù)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖2是CFMI給出的CFM56-5C發(fā)動機(jī)在空中35 000 ft，0.82 Ma下的參數(shù)敏感性結(jié)果。

圖1　CFM56-5B發(fā)動機(jī)參數(shù)敏感性

圖2　CFM56-5C發(fā)動機(jī)參數(shù)敏感性

3.1風(fēng)扇效率影響

當(dāng)發(fā)動機(jī)保持在巡航狀態(tài)(飛行高度35 000 ft，0.8 Ma，低壓軸轉(zhuǎn)速為90%N1 max，以下巡航狀態(tài)均為此狀態(tài))穩(wěn)定工作時(shí)，風(fēng)扇效率的降低將會引起其余部件工作狀態(tài)的一系列變化：風(fēng)扇效率降低將導(dǎo)致低壓渦輪做功量不足以保持原低壓軸轉(zhuǎn)速，低壓軸轉(zhuǎn)速N1下降，F(xiàn)ADEC監(jiān)控到之后將增加主燃油流量(Fuel Flow，以下簡稱FF)，渦輪前溫度提高，渦輪做功能力變強(qiáng)，這時(shí)N2會有一定的升高，當(dāng)N2上升到某個(gè)點(diǎn)時(shí)，低壓渦輪做功足以帶動需求提升的低壓轉(zhuǎn)子回到最初的N1轉(zhuǎn)速，燃油流量就會穩(wěn)定。這時(shí)，燃油流量FF上升，EGT上升，N2轉(zhuǎn)速上升。數(shù)值仿真結(jié)果見圖3，其中橫坐標(biāo)是風(fēng)扇效率的降低(-6～0 pt)，縱坐標(biāo)是巡航階段的3個(gè)性能指標(biāo)，Rel. HP Spool Speed代表高壓軸的相對轉(zhuǎn)速，F(xiàn)uel Flow為燃油流量，單位為kg/s,LPT Exit Temperature/T5為低壓渦輪出口總溫，單位K。

圖3　巡航性能指標(biāo)隨風(fēng)扇效率影響

3.2增壓級效率影響

因?yàn)樵鰤杭壓惋L(fēng)扇同屬壓氣機(jī)部件的低壓轉(zhuǎn)子，增壓級效率對總性能的影響和風(fēng)扇的類似，不再贅述。圖4的數(shù)值仿真結(jié)果也印證了上述的推斷。

圖4　巡航性能指標(biāo)隨增壓級效率影響

3.3高壓壓氣機(jī)效率影響

當(dāng)發(fā)動機(jī)保持在巡航轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作時(shí)，高壓壓氣機(jī)部件效率的降低將會引起其余部件工作狀態(tài)的一系列變化：高壓壓氣機(jī)效率降低導(dǎo)致高壓渦輪做功能力虧欠，進(jìn)而導(dǎo)致高壓軸轉(zhuǎn)速下降，流經(jīng)低壓渦輪的燃?xì)饬髁拷档椭苯訉?dǎo)致低壓軸轉(zhuǎn)速也有所下降，F(xiàn)ADEC監(jiān)控到之后將增加主燃油流量，渦輪前溫度提高，渦輪做功能力變強(qiáng)，這時(shí)N2會向原始值移動，當(dāng)N2移動到某個(gè)中間點(diǎn)時(shí)，低壓渦輪做功足以帶動低壓轉(zhuǎn)子回到最初的N1轉(zhuǎn)速，燃油流量穩(wěn)定在該點(diǎn)上。這時(shí)，F(xiàn)F上升，EGT上升，N2轉(zhuǎn)速下降。數(shù)值仿真結(jié)果見圖5。

圖5　巡航性能指標(biāo)隨高壓壓氣機(jī)效率影響

3.4高壓渦輪效率影響

當(dāng)發(fā)動機(jī)保持在巡航狀態(tài)穩(wěn)定工作時(shí)，高壓渦輪效率降低將導(dǎo)致做功能力下降，進(jìn)而導(dǎo)致高壓軸轉(zhuǎn)速下降，流經(jīng)低壓渦輪的燃?xì)饬髁拷档椭苯訉?dǎo)致低壓軸轉(zhuǎn)速也有所下降，F(xiàn)ADEC監(jiān)控到之后將增加主燃油流量，渦輪前溫度提高，渦輪做功能力變強(qiáng)，這時(shí)N2會向原始值移動，當(dāng)N2移動到某個(gè)中間點(diǎn)時(shí)，低壓渦輪做功足以帶動低壓轉(zhuǎn)子回到最初的N1轉(zhuǎn)速，燃油流量穩(wěn)定在該點(diǎn)上。這時(shí)，F(xiàn)F上升，EGT上升，N2轉(zhuǎn)速下降。數(shù)值仿真結(jié)果見圖6。

圖6　巡航性能指標(biāo)隨高壓渦輪效率影響

3.5低壓渦輪效率影響

當(dāng)發(fā)動機(jī)保持在巡航狀態(tài)穩(wěn)定工作時(shí)，低壓渦輪效率降低將導(dǎo)致其做功能力下降，低壓軸轉(zhuǎn)速下降，F(xiàn)ADEC監(jiān)控到之后將增加主燃油流量，渦輪前溫度提高，渦輪做功能力變強(qiáng)，這時(shí)N2會有一定的升高，當(dāng)N2上升到某個(gè)點(diǎn)時(shí)，低壓渦輪做功足以帶動低壓轉(zhuǎn)子回到最初的N1轉(zhuǎn)速，燃油流量就會穩(wěn)定。這時(shí)，F(xiàn)F上升，EGT上升，N2轉(zhuǎn)速上升。數(shù)值仿真結(jié)果見圖7。

圖7　巡航性能指標(biāo)隨低壓渦輪效率影響

綜合上述5個(gè)部件效率對ΔEGT,ΔFF,ΔN2的定量影響，在表2中匯總給出。同時(shí)針對3個(gè)重要的總體性能參數(shù)，還進(jìn)行了模型發(fā)動機(jī)與CFM56-5B、CFM56-5C的對比，分別在表3、4、5中表示。從表3的ΔEGT在模型發(fā)動機(jī)上的敏感性分析可以看出，高空巡航階段高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪的效率降低對EGT影響較大，風(fēng)扇、增壓級和低壓渦輪的效率降低影響稍小一些。這個(gè)結(jié)果與文獻(xiàn)[10]的表述一致，即，對于高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，性能衰退更多的是由高壓部件效率降低引起的，低壓部件的影響較小一些。文獻(xiàn)[11]中介紹在發(fā)動機(jī)修理廠中統(tǒng)計(jì)出來對于EGT的恢復(fù)，高壓渦輪的影響最大與表3的敏感性分析一致，而低壓壓氣機(jī)的影響比低壓渦輪的影響大與表3的敏感性分析有差別，作者推測原因在于實(shí)際運(yùn)行中低壓壓氣機(jī)部件的效率降低幅度較低壓渦輪部件效率降低幅度大得多。

表2　模型發(fā)動機(jī)敏感性結(jié)果

表3　ΔEGT在3種發(fā)動機(jī)上敏感性　℃

從表4的ΔFF在三款發(fā)動機(jī)上的敏感性分析可以看出，三款發(fā)動機(jī)因各部件性能的差異導(dǎo)致熱力模型的不同，CFM56-5B、CFM56-5C表現(xiàn)出風(fēng)扇和低壓渦輪的影響較大，這個(gè)結(jié)果與文獻(xiàn)[10]的表述“高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，性能衰退更多的是由高壓部件效率降低引起的，低壓部件的影響較小一些”有一定的差別。而模型發(fā)動機(jī)顯示高壓渦輪和高壓壓氣機(jī)部件的影響較大，與文獻(xiàn)[10]的表述一致。

表4　ΔFF在3種發(fā)動機(jī)上敏感性　%

從表5的ΔN2在三款發(fā)動機(jī)上的敏感性分析可以看出一個(gè)明顯的特征，5個(gè)部件的影響不再是同一個(gè)方向，而是有正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)。其中低壓軸上的3個(gè)部件(風(fēng)扇/增壓級/低壓渦輪)的效率降低會增加N2轉(zhuǎn)速；而高壓軸上的兩個(gè)部件(高壓壓氣機(jī)/高壓渦輪)的效率降低會導(dǎo)致N2轉(zhuǎn)速的下降，究其原因，是和這三款發(fā)動機(jī)以低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1作為被控參數(shù)的控制規(guī)律有關(guān)，具體已在上文中闡述，不再贅述。

表5　ΔN2在3種發(fā)動機(jī)上敏感性　%

4　結(jié)論

本文對三款發(fā)動機(jī)高空巡航狀態(tài)下各部件效率降低對主要性能參數(shù)的影響仿真，并進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，得到以下主要結(jié)論：

1) 本文針對模型發(fā)動機(jī)的敏感性分析結(jié)果定性上與CFM56-5B,CFM56-5C發(fā)動機(jī)類似，驗(yàn)證了本文分析方法的正確性；

2)從ΔEGT在模型發(fā)動機(jī)上的敏感性分析可以看出，高空巡航階段高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪的效率降低對EGT影響較大，風(fēng)扇、增壓級和低壓渦輪的效率降低影響稍小一些；

3)五大氣路部件的效率降低會帶來EGT、FF的上升，而對高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2則有正和負(fù)的效應(yīng)，其中低壓軸上的3個(gè)部件的效率降低會增加N2轉(zhuǎn)速；而高壓軸上的兩個(gè)部件的效率降低會導(dǎo)致N2轉(zhuǎn)速的下降，這和三款發(fā)動機(jī)以N1作為被控參數(shù)的控制規(guī)律有關(guān)。

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Sensitivity Research on Gross Performance of Civil Aviation High Bypass-ratio Turbofan Engine

Zhao Jun,Fu Yaoming,Lai Anqing

(Aviation Engineering Institute，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan618307,China)

Sensitivity researches of three gross performance parameters of civil-aviation high bypass-ratio turbofan engine on five flow path components during cruising phase have been conducted based on Gasturb simulation software. It was found that during cruising phase,the efficiency of high-pressure compressor,high-pressure turbine have larger effect on Exhaust Gas Temperature(EGT),while the efficiency of fan、booster and low-pressure turbine have smaller effect on EGT. The reduction of the efficiency of five flow path components will lead to the rise of the EGT and fuel flow,as to the high pressure rotor speed,it has positive and negative effects.The reduction of the efficiency of the three parts on the low pressure shaft will increase the high pressure rotor speed,while the reduction of the efficiency of the two parts on the high pressure shaft can lead to the decrease of the high pressure rotor speed. It is related with the fact that fan rotating speed(N1) is chosen as control parameter.

aero-engine; gross performance; simulation; sensitivity research

1671-4598(2016)04-0222-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.064

V231.3

A

2015-10-27；

2015-11-22。

國家自然科學(xué)基金(51306201);四川省教育廳自然科學(xué)項(xiàng)目(16ZB0035);中國民用航空飛行學(xué)院科學(xué)研究基金(J2014-38)；中國民用航空飛行學(xué)研究基金(J2015-28)。

趙軍(1980-)，男，安徽淮北人，博士，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)總體性能分析和故障診斷方向的研究。