民航大涵道比涡扇发动机总体性能参数敏感性分析

赵　军，付尧明，赖安卿

(中国民航飞行学院 航空工程学院，四川 广汉　618307)



民航大涵道比涡扇发动机总体性能参数敏感性分析

赵军，付尧明，赖安卿

(中国民航飞行学院 航空工程学院，四川 广汉618307)

基于Gasturb总体性能分析软件对民航大涵道比涡扇发动机高空巡航阶段的3个监控性能参数受5个气路部件效率影响的敏感性进行分析；研究发现高空巡航阶段高压压气机、高压涡轮的效率降低对排气温度影响较大，风扇、增压级和低压涡轮的效率降低影响稍小；五大气路部件的效率降低会带来排气温度、燃油流量的上升，而对高压转子转速则有正和负的效应，其中低压轴上的3个部件的效率降低会增加高压转子转速；而高压轴上的两个部件的效率降低会导致高压转子转速的下降，这与发动机以风扇转速作为被控参数的控制规律有关。

航空发动机；总体性能；仿真；敏感性分析

0　引言

基于状态信息和发动机模型的趋势分析技术是民航发动机远程故障诊断的主要技术手段[1]，趋势分析工具需要监控发动机的参数有总体性能参数、滑油系统参数、发动机振动参数。其中总体性能参数包括巡航阶段的EGT(Exhaust Gas Temperature，简称EGT)、燃油流量、核心机转速3个重要的性能参数，CFMI公司针对民航客户的发动机总体性能的远程状态监控也采用这3个参数。

压气机、涡轮作为高速旋转部件,随着服役时间的增加,会出现老化现象[2-9]。关于各部件工作对总体性能的影响，文献[10]针对涵道比的高低进行了区分：低涵道比涡扇发动机的性能衰退主要是由于风扇、压气机性能变化引起,约占60%～70%；涡轮变化占10%～15%；其余为封严间隙增大造成。对于高涵道比涡轮风扇发动机，由于涡轮前总温高，性能衰退主要是由于高压涡轮引起，约占63%～67%；高压压气机约占16%～28%；低压转子占7%～21%。文献[11]则给出了民航修理厂的经验：在发动机的部件模块中，低压压气机的大修可以恢复7～15 ℃ EGT裕度，高压涡轮的大修可以恢复15～30 ℃ EGT裕度，低压涡轮的大修可以恢复3～5 ℃ EGT裕度，其他部件的大修对恢复EGT裕度贡献不大。上述表述大都是发动机大修厂的经验数据积累，多为定性的数据，且需要验证；国内外公开发表的文献上少有各部件的敏感性定量分析的研究，为精细研究总体性能参数受各部件的影响大小，直接试验的研究方法将是最准确的，但为获得敏感性数据的耗费也将是巨大的，因此有必要通过计算机仿真的手段进行各部件敏感性定量分析的研究。

本文以某假设的民航大涵道比涡扇发动机为研究对象，采用Gasturb航空发动机总体性能分析软件[12]对该发动机高空巡航阶段的3个监控性能参数受各部件效率影响的敏感性进行分析，首先通过发动机总体性能分析进行该款发动机的整机建模；在此基础上改变各部件的效率值，观察监控性能参数与自变量的变化关系，据此得到各影响参数的敏感性因子，以指导发动机故障诊断和修理厂维修方案的优化。

1　整机建模

表1给出了发动机总体性能仿真的各部件性能参数，这些参数是参考在役民用发动机得到的，因为缺乏部件特性，所以非设计点的性能计算采用软件自带的通用特性曲线。从输入参数可见，虽然是一个假设的模型发动机，但据此进行的敏感性分析能够反映高涵道比双轴分排商用发动机的典型特征。

2　主要影响因素选择

从文献[10-11]可以看出，影响发动机性能参数的主要部件参数有：风扇效率、增压级效率、高压压气机效率、高压涡轮效率、低压涡轮效率，下面就针对这5个参数进行详细的敏感性分析。

表1　数值仿真输入

3　空中巡航状态各参数敏感性分析

在进行敏感性分析时，假设控制系统为单变量控制系统，控制量为主燃油流量，被控参数为低压轴转速(N1)。稳态下的控制规律为：调节主燃油流量控制发动机低压轴转速N1=const，这一点与CFM56系列发动机是一致的。

图1是CFMI给出的CFM56-5B发动机在空中35 000 ft，0.76 Ma下的参数敏感性结果，该结果是CFMI通过发动机的数学模型建立的，考虑到其数学模型包含了非常详尽的部件特性，同时有大量的高空台试车数据和飞行平台试飞数据，可以认为该数据为试验数据。图2是CFMI给出的CFM56-5C发动机在空中35 000 ft，0.82 Ma下的参数敏感性结果。

图1　CFM56-5B发动机参数敏感性

图2　CFM56-5C发动机参数敏感性

3.1风扇效率影响

当发动机保持在巡航状态(飞行高度35 000 ft，0.8 Ma，低压轴转速为90%N1 max，以下巡航状态均为此状态)稳定工作时，风扇效率的降低将会引起其余部件工作状态的一系列变化：风扇效率降低将导致低压涡轮做功量不足以保持原低压轴转速，低压轴转速N1下降，FADEC监控到之后将增加主燃油流量(Fuel Flow，以下简称FF)，涡轮前温度提高，涡轮做功能力变强，这时N2会有一定的升高，当N2上升到某个点时，低压涡轮做功足以带动需求提升的低压转子回到最初的N1转速，燃油流量就会稳定。这时，燃油流量FF上升，EGT上升，N2转速上升。数值仿真结果见图3，其中横坐标是风扇效率的降低(-6～0 pt)，纵坐标是巡航阶段的3个性能指标，Rel. HP Spool Speed代表高压轴的相对转速，Fuel Flow为燃油流量，单位为kg/s,LPT Exit Temperature/T5为低压涡轮出口总温，单位K。

图3　巡航性能指标随风扇效率影响

3.2增压级效率影响

因为增压级和风扇同属压气机部件的低压转子，增压级效率对总性能的影响和风扇的类似，不再赘述。图4的数值仿真结果也印证了上述的推断。

图4　巡航性能指标随增压级效率影响

3.3高压压气机效率影响

当发动机保持在巡航转速稳定工作时，高压压气机部件效率的降低将会引起其余部件工作状态的一系列变化：高压压气机效率降低导致高压涡轮做功能力亏欠，进而导致高压轴转速下降，流经低压涡轮的燃气流量降低直接导致低压轴转速也有所下降，FADEC监控到之后将增加主燃油流量，涡轮前温度提高，涡轮做功能力变强，这时N2会向原始值移动，当N2移动到某个中间点时，低压涡轮做功足以带动低压转子回到最初的N1转速，燃油流量稳定在该点上。这时，FF上升，EGT上升，N2转速下降。数值仿真结果见图5。

图5　巡航性能指标随高压压气机效率影响

3.4高压涡轮效率影响

当发动机保持在巡航状态稳定工作时，高压涡轮效率降低将导致做功能力下降，进而导致高压轴转速下降，流经低压涡轮的燃气流量降低直接导致低压轴转速也有所下降，FADEC监控到之后将增加主燃油流量，涡轮前温度提高，涡轮做功能力变强，这时N2会向原始值移动，当N2移动到某个中间点时，低压涡轮做功足以带动低压转子回到最初的N1转速，燃油流量稳定在该点上。这时，FF上升，EGT上升，N2转速下降。数值仿真结果见图6。

图6　巡航性能指标随高压涡轮效率影响

3.5低压涡轮效率影响

当发动机保持在巡航状态稳定工作时，低压涡轮效率降低将导致其做功能力下降，低压轴转速下降，FADEC监控到之后将增加主燃油流量，涡轮前温度提高，涡轮做功能力变强，这时N2会有一定的升高，当N2上升到某个点时，低压涡轮做功足以带动低压转子回到最初的N1转速，燃油流量就会稳定。这时，FF上升，EGT上升，N2转速上升。数值仿真结果见图7。

图7　巡航性能指标随低压涡轮效率影响

综合上述5个部件效率对ΔEGT,ΔFF,ΔN2的定量影响，在表2中汇总给出。同时针对3个重要的总体性能参数，还进行了模型发动机与CFM56-5B、CFM56-5C的对比，分别在表3、4、5中表示。从表3的ΔEGT在模型发动机上的敏感性分析可以看出，高空巡航阶段高压压气机、高压涡轮的效率降低对EGT影响较大，风扇、增压级和低压涡轮的效率降低影响稍小一些。这个结果与文献[10]的表述一致，即，对于高涵道比涡轮风扇发动机，性能衰退更多的是由高压部件效率降低引起的，低压部件的影响较小一些。文献[11]中介绍在发动机修理厂中统计出来对于EGT的恢复，高压涡轮的影响最大与表3的敏感性分析一致，而低压压气机的影响比低压涡轮的影响大与表3的敏感性分析有差别，作者推测原因在于实际运行中低压压气机部件的效率降低幅度较低压涡轮部件效率降低幅度大得多。

表2　模型发动机敏感性结果

表3　ΔEGT在3种发动机上敏感性　℃

从表4的ΔFF在三款发动机上的敏感性分析可以看出，三款发动机因各部件性能的差异导致热力模型的不同，CFM56-5B、CFM56-5C表现出风扇和低压涡轮的影响较大，这个结果与文献[10]的表述“高涵道比涡轮风扇发动机，性能衰退更多的是由高压部件效率降低引起的，低压部件的影响较小一些”有一定的差别。而模型发动机显示高压涡轮和高压压气机部件的影响较大，与文献[10]的表述一致。

表4　ΔFF在3种发动机上敏感性　%

从表5的ΔN2在三款发动机上的敏感性分析可以看出一个明显的特征，5个部件的影响不再是同一个方向，而是有正效应和负效应。其中低压轴上的3个部件(风扇/增压级/低压涡轮)的效率降低会增加N2转速；而高压轴上的两个部件(高压压气机/高压涡轮)的效率降低会导致N2转速的下降，究其原因，是和这三款发动机以低压转子转速N1作为被控参数的控制规律有关，具体已在上文中阐述，不再赘述。

表5　ΔN2在3种发动机上敏感性　%

4　结论

本文对三款发动机高空巡航状态下各部件效率降低对主要性能参数的影响仿真，并进行了较详细的分析，得到以下主要结论：

1) 本文针对模型发动机的敏感性分析结果定性上与CFM56-5B,CFM56-5C发动机类似，验证了本文分析方法的正确性；

2)从ΔEGT在模型发动机上的敏感性分析可以看出，高空巡航阶段高压压气机、高压涡轮的效率降低对EGT影响较大，风扇、增压级和低压涡轮的效率降低影响稍小一些；

3)五大气路部件的效率降低会带来EGT、FF的上升，而对高压转子转速N2则有正和负的效应，其中低压轴上的3个部件的效率降低会增加N2转速；而高压轴上的两个部件的效率降低会导致N2转速的下降，这和三款发动机以N1作为被控参数的控制规律有关。

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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。

国家自然科学基金(51306201);四川省教育厅自然科学项目(16ZB0035);中国民用航空飞行学院科学研究基金(J2014-38)；中国民用航空飞行学研究基金(J2015-28)。

赵军(1980-)，男，安徽淮北人，博士，高级工程师，主要从事航空发动机总体性能分析和故障诊断方向的研究。