双转子民用涡扇发动机持久试验的三红线状态自动匹配技术研究

2022-12-07李旭LIXu陈志龙CHENZhilong常诚CHANGCheng

价值工程 2022年33期

李旭 LI Xu；陈志龙 CHEN Zhi-long；常诚 CHANG Cheng

（中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 200241）

1 背景

持久试验是航空发动机适航符合性验证活动中最重要的整机试验之一，主要验证在批准的额定值和使用限制内，发动机可操作性和耐久性达到可接受的水平，试验由25个阶段、每阶段6h组成，因此持久试验通常又称为150h持久试验。

持久试验《航空发动机适航规章》（CCAR-33R2）第33.87条涡轮发动机持久试验条款规定，发动机应开展一次同时工作在100%额定推力/功率、燃气温度红线值、转速红线值的试验。对于双转子涡扇发动机而言，需同时达到高、低压转子的红线值，简称为“三红线状态”。随着航空发动机技术的不断发展，现代涡扇发动机普遍采用了大涵道比、高增压比、高效涡轮冷却等先进设计技术，使得在实际工作循环中通常不会同时达到燃气温度、转速红线状态，因此需要开展三红线状态匹配设计，为发动机改装和试验设备改装方案的确定提供支撑和指导[1]。

国外成熟的民用涡扇发动机均已通过33.87条款持久试验的考核，积累了丰富的试验经验，并将发动机和试验设备改装手段整理发布到最新的AC-33.87-1A咨询通告中[2]。然而，关于三红线状态匹配技术并未进行说明，国外几大发动机主承制商也未公开相应技术细节。国内暂未有开展过民用涡扇发动机的持久试验，在三红线状态匹配技术方面还不够成熟。本文依托发动机性能计算软件GasTurb和多学科优化软件Isight，研究双转子民用涡扇发动机持久试验的三红线状态自动匹配技术，提高了三红线状态匹配设计的工作效率，同时为不同调节手段对三红线状态的进一步研究提供分析平台[3]。

2 三红线状态匹配计算模型

2.1 三红线状态参数定义

发动机主承制商在向适航当局提交型号设计许可数据单（TCDS）时，应当定义发动机的额定工况和使用限制值等信息，其中包含三红线状态的相关参数。三红线状态参数（推力FN、低压转子物理转速N1、高压转子物理转子N2、燃气温度T4）的定义方法具体如下：①额定推力：取最大起飞推力或最大连续推力；②红线温度：取燃气温度的限制值；③红线转速：分别取高、低压转子物理转速的限制值。

在研制阶段的发动机也可根据设计点工况初步定义三红线状态的相关参数值。此外还应根据发动机的安全性要求，定义额外的限制值，如高压压气机出口总压、低压轴功率等限制值。

2.2 三红线状态调节参数

根据AC-33.87-1A咨询通告，常用于调节三红线状态的手段主要有：①改变进气流量和进气条件，包括：1）改变进气面积；2）安装进气格栅或屏在进气位置制造压降；3）对进气进行加温。②调节VSV规律。③从高压压气机或（/和）低压压气机启用客户引气。④使用面积可调的低压涡轮导向器或内涵喷管。⑤使用面积可调的外涵喷管。

根据可操作性，梳理出某型双转子民用涡扇发动机的试验构型调节参数（对标为GasTurb软件变量名称），详见表1。

表1 某型双转子民用涡扇发动机的试验构型调节参数

其中，由于叶片效率影响预测方法不成熟，故暂不考虑效率相关参数的调整；考虑到工程实现的复杂性，暂不对增压级进口导向叶片角度、低压涡轮导向器角度等进行调整。

由于三红线状态的试验构型调整可能会造成与发动机设计特征相反的非预期结果，例如，为了调节核心机转速、燃气温度同时达到红线值，可能会使VSV工作在非设计点，同时随着核心机转速的升高压气机效率降低，从而降低轴承腔封严和涡轮冷却的引气量，使得封严和冷却部件的工况超出设计状态的严苛环境。因此，可以通过较小的更改以减轻非预期的不利影响，如更改压气机冷却引气回路和增加引气调节孔口直径等，但是应表明针对更改部件及相关影响部件，在试验中意图考核的特性不会因构型更改而得到加强，更改后的发动机仍应该在本质上与最终型号设计相一致。

2.3 发动机性能模型及匹配计算方法

以某型双转子民用涡扇发动机为例，采用GasTurb 11.4软件，构建发动机的设计点性能参数、各部件工作特性等发动机性能模型。通过改变试验构型调节参数，可实现三红线状态的手动匹配计算，计算流程如图1所示。

其中，b）～e）步骤在BTC文件中实现一次性定义，然后通过GasTurb软件直接调用生效。

通过发动机共同工作原理的理论分析和基于GasTurb软件计算的敏感性分析工具，可以局部判断某个调节参数的变化对三红线状态匹配结果的影响方式，进而指导下一次调节参数的调整方向。由于试验构型调节参数参数较多，可以有无穷多种不同的组合方式，且各参数之间的耦合关系较为复杂，导致发动机性能敏感性分析规律的适用范围具有不确定性，手动匹配计算工作量太大。此外，手动匹配计算无法实现在全局范围内遍历，很可能遗漏最佳的匹配组合。

2.4 三红线状态自动匹配平台

依托Isight软件丰富的多学科优化算法和良好的可视化功能和可扩展性强的数据通信接口等优势，根据2.3节三红线状态匹配计算流程，搭建一个三红线状态自动匹配平台，见图2。

三红线状态自动匹配平台主要由以下模块组成：①BTC_create模块：建立BTC文件模板，定义需要进行调整的环境参数、试验构型调节参数以及迭代参数名称，如dtamb，d_W_HPC等，根据多目标优化的结果对相应参数进行赋值，更新参数数值，并生成新的BTC文件。②GasTurb执行模块：启动GasTurb.exe执行程序，该程序默认自动调用新生成的BTC文件，执行后自动读取三红线状态参数的计算值。③Calculator模块：将三红线状态参数的数值转化为优化器的目标函数。本例中为计算三红线状态参数当前值与红线值之间的差值，作为优化器的输入。④优化器：确定三红线状态匹配计算的优化算法、优化变量及范围、限制条件及优化目标等。其中：1）优化算法：NSGA-II进化算法；2）优化变量：选取表1所示的试验构型调节参数作为优化变量，并限定参数的可调范围；3）目标函数：换算推力、转速、燃烧室出口温度等四个参数的计算值与三红线值差值最低，适当调整缩放因子和权重因子。即：

4）限制函数：按三红线状态要求，燃气温度、高低压转子转速和推力应不低于红线值，另外增加高压压气机出口总压、低压轴功率等试验安全限制值。即：

3 三红线状态自动匹配结果及分析

3.1 三红线状态自动匹配结果

针对某型双转子民用涡扇发动机，三红线状态自动匹配平台给出了552个可行解，可行解的分布空间如图3。从图中可知，在所有可行解中各试验构型调节参数基本趋于收敛，最大的标准差不超过0.15。其中hr_bld参数为GasTurb软件为方便计算而虚拟设置的表征高压瞬态放气活门（TBV）相对放气位置的参数，虽然其离散程度略大，但均指向了高压压气机中间级放气位置。

结合发动机和试验设备改装的最小改装量原则和可操作性要求，进气降压设备、内外涵喷管等固定硬件应按照三红线状态的匹配结果进行定型设计，可适当设计多个可调节挡位。根据以上原则，获得某型双转子民用涡扇发动机三红线状态匹配方案的各试验构型调节参数如表2。

表2 某型双转子民用涡扇发动机三红线状态匹配结果

3.2 三红线状态匹配结果分析

根据三红线状态匹配结果，主要采用进气压力恢复系数、内外涵喷管以及发动机自身的可调机构等试验构型调节手段，可实现高低压转子转速的匹配值高于红线值不超过1%，燃气温度的匹配值高于红线值约10K以内，换算推力的匹配值高于额定值约7%，均达到红线值以上。某发动机以低压转子转速作为主控规律，考虑到自身控制误差不高于0.5%的影响，发动机可以在三红线状态以上进行稳定运行。

针对换算推力匹配值略高的情况，可以在方案1的基础上进一步优化，讨论如下：①通过适当减小进气压力恢复系数，降低发动机进气压力，可以改善燃烧室的工作载荷和低压轴功率，提高试验安全性，同时使发动机推力下降，而不利的影响是燃气温度会略微上升；②风扇流量和高压压气机流量的极限值分别为±8%和±4%，因此可借在线可调机构，如风扇和高压压气机可调静子叶片的进一步调整，使发动机刚好达到三红线状态。

4 试验改装方案

根据三红线状态匹配结果，提出针对某型双转子民用涡扇发动机的试验构型改装方案：①在发动机进气段设置进气格栅，并配置对应压力恢复系数为0.92、0.9、0.89等不同的格栅规格；②增加风扇前预旋装置，并配置预旋角度在线可调控制机构，具备发动机风扇进口流量不低于±8%的调节能力；③配置标准喷管面积+10%的内涵喷管；④发动机自带的高压压气机可调静子叶片（VSV）可实现高压压气机流量±4%的调节能力，无需改装。

除此之外，发动机自带的增压级可调放气阀门（VBV）、高压压气机瞬态放气活门（TBV）等也作为临时的试验辅助调节手段参与三红线状态参数微调。