雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動機持久試驗的三紅線狀態(tài)自動匹配技術(shù)研究

李旭 LI Xu；陳志龍 CHEN Zhi-long；常誠 CHANG Cheng

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司，上海 200241）

1 背景

持久試驗是航空發(fā)動機適航符合性驗證活動中最重要的整機試驗之一，主要驗證在批準的額定值和使用限制內(nèi)，發(fā)動機可操作性和耐久性達到可接受的水平，試驗由25個階段、每階段6h組成，因此持久試驗通常又稱為150h持久試驗。

持久試驗《航空發(fā)動機適航規(guī)章》（CCAR-33R2）第33.87條渦輪發(fā)動機持久試驗條款規(guī)定，發(fā)動機應開展一次同時工作在100%額定推力/功率、燃氣溫度紅線值、轉(zhuǎn)速紅線值的試驗。對于雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機而言，需同時達到高、低壓轉(zhuǎn)子的紅線值，簡稱為“三紅線狀態(tài)”。隨著航空發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代渦扇發(fā)動機普遍采用了大涵道比、高增壓比、高效渦輪冷卻等先進設計技術(shù)，使得在實際工作循環(huán)中通常不會同時達到燃氣溫度、轉(zhuǎn)速紅線狀態(tài)，因此需要開展三紅線狀態(tài)匹配設計，為發(fā)動機改裝和試驗設備改裝方案的確定提供支撐和指導[1]。

國外成熟的民用渦扇發(fā)動機均已通過33.87條款持久試驗的考核，積累了豐富的試驗經(jīng)驗，并將發(fā)動機和試驗設備改裝手段整理發(fā)布到最新的AC-33.87-1A咨詢通告中[2]。然而，關(guān)于三紅線狀態(tài)匹配技術(shù)并未進行說明，國外幾大發(fā)動機主承制商也未公開相應技術(shù)細節(jié)。國內(nèi)暫未有開展過民用渦扇發(fā)動機的持久試驗，在三紅線狀態(tài)匹配技術(shù)方面還不夠成熟。本文依托發(fā)動機性能計算軟件GasTurb和多學科優(yōu)化軟件Isight，研究雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動機持久試驗的三紅線狀態(tài)自動匹配技術(shù)，提高了三紅線狀態(tài)匹配設計的工作效率，同時為不同調(diào)節(jié)手段對三紅線狀態(tài)的進一步研究提供分析平臺[3]。

2 三紅線狀態(tài)匹配計算模型

2.1 三紅線狀態(tài)參數(shù)定義

發(fā)動機主承制商在向適航當局提交型號設計許可數(shù)據(jù)單（TCDS）時，應當定義發(fā)動機的額定工況和使用限制值等信息，其中包含三紅線狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)。三紅線狀態(tài)參數(shù)（推力FN、低壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速N1、高壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)子N2、燃氣溫度T4）的定義方法具體如下：①額定推力：取最大起飛推力或最大連續(xù)推力；②紅線溫度：取燃氣溫度的限制值；③紅線轉(zhuǎn)速：分別取高、低壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速的限制值。

在研制階段的發(fā)動機也可根據(jù)設計點工況初步定義三紅線狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)值。此外還應根據(jù)發(fā)動機的安全性要求，定義額外的限制值，如高壓壓氣機出口總壓、低壓軸功率等限制值。

2.2 三紅線狀態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)

根據(jù)AC-33.87-1A咨詢通告，常用于調(diào)節(jié)三紅線狀態(tài)的手段主要有：①改變進氣流量和進氣條件，包括：1）改變進氣面積；2）安裝進氣格柵或屏在進氣位置制造壓降；3）對進氣進行加溫。②調(diào)節(jié)VSV規(guī)律。③從高壓壓氣機或（/和）低壓壓氣機啟用客戶引氣。④使用面積可調(diào)的低壓渦輪導向器或內(nèi)涵噴管。⑤使用面積可調(diào)的外涵噴管。

根據(jù)可操作性，梳理出某型雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動機的試驗構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)（對標為GasTurb軟件變量名稱），詳見表1。

表1 某型雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動機的試驗構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)

其中，由于葉片效率影響預測方法不成熟，故暫不考慮效率相關(guān)參數(shù)的調(diào)整；考慮到工程實現(xiàn)的復雜性，暫不對增壓級進口導向葉片角度、低壓渦輪導向器角度等進行調(diào)整。

由于三紅線狀態(tài)的試驗構(gòu)型調(diào)整可能會造成與發(fā)動機設計特征相反的非預期結(jié)果，例如，為了調(diào)節(jié)核心機轉(zhuǎn)速、燃氣溫度同時達到紅線值，可能會使VSV工作在非設計點，同時隨著核心機轉(zhuǎn)速的升高壓氣機效率降低，從而降低軸承腔封嚴和渦輪冷卻的引氣量，使得封嚴和冷卻部件的工況超出設計狀態(tài)的嚴苛環(huán)境。因此，可以通過較小的更改以減輕非預期的不利影響，如更改壓氣機冷卻引氣回路和增加引氣調(diào)節(jié)孔口直徑等，但是應表明針對更改部件及相關(guān)影響部件，在試驗中意圖考核的特性不會因構(gòu)型更改而得到加強，更改后的發(fā)動機仍應該在本質(zhì)上與最終型號設計相一致。

2.3 發(fā)動機性能模型及匹配計算方法

以某型雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動機為例，采用GasTurb 11.4軟件，構(gòu)建發(fā)動機的設計點性能參數(shù)、各部件工作特性等發(fā)動機性能模型。通過改變試驗構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)，可實現(xiàn)三紅線狀態(tài)的手動匹配計算，計算流程如圖1所示。

其中，b）～e）步驟在BTC文件中實現(xiàn)一次性定義，然后通過GasTurb軟件直接調(diào)用生效。

通過發(fā)動機共同工作原理的理論分析和基于GasTurb軟件計算的敏感性分析工具，可以局部判斷某個調(diào)節(jié)參數(shù)的變化對三紅線狀態(tài)匹配結(jié)果的影響方式，進而指導下一次調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)整方向。由于試驗構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)參數(shù)較多，可以有無窮多種不同的組合方式，且各參數(shù)之間的耦合關(guān)系較為復雜，導致發(fā)動機性能敏感性分析規(guī)律的適用范圍具有不確定性，手動匹配計算工作量太大。此外，手動匹配計算無法實現(xiàn)在全局范圍內(nèi)遍歷，很可能遺漏最佳的匹配組合。

2.4 三紅線狀態(tài)自動匹配平臺

依托Isight軟件豐富的多學科優(yōu)化算法和良好的可視化功能和可擴展性強的數(shù)據(jù)通信接口等優(yōu)勢，根據(jù)2.3節(jié)三紅線狀態(tài)匹配計算流程，搭建一個三紅線狀態(tài)自動匹配平臺，見圖2。

三紅線狀態(tài)自動匹配平臺主要由以下模塊組成：①BTC_create模塊：建立BTC文件模板，定義需要進行調(diào)整的環(huán)境參數(shù)、試驗構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)以及迭代參數(shù)名稱，如dtamb，d_W_HPC等，根據(jù)多目標優(yōu)化的結(jié)果對相應參數(shù)進行賦值，更新參數(shù)數(shù)值，并生成新的BTC文件。②GasTurb執(zhí)行模塊：啟動GasTurb.exe執(zhí)行程序，該程序默認自動調(diào)用新生成的BTC文件，執(zhí)行后自動讀取三紅線狀態(tài)參數(shù)的計算值。③Calculator模塊：將三紅線狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值轉(zhuǎn)化為優(yōu)化器的目標函數(shù)。本例中為計算三紅線狀態(tài)參數(shù)當前值與紅線值之間的差值，作為優(yōu)化器的輸入。④優(yōu)化器：確定三紅線狀態(tài)匹配計算的優(yōu)化算法、優(yōu)化變量及范圍、限制條件及優(yōu)化目標等。其中：1）優(yōu)化算法：NSGA-II進化算法；2）優(yōu)化變量：選取表1所示的試驗構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)作為優(yōu)化變量，并限定參數(shù)的可調(diào)范圍；3）目標函數(shù)：換算推力、轉(zhuǎn)速、燃燒室出口溫度等四個參數(shù)的計算值與三紅線值差值最低，適當調(diào)整縮放因子和權(quán)重因子。即：

4）限制函數(shù)：按三紅線狀態(tài)要求，燃氣溫度、高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和推力應不低于紅線值，另外增加高壓壓氣機出口總壓、低壓軸功率等試驗安全限制值。即：

3 三紅線狀態(tài)自動匹配結(jié)果及分析

3.1 三紅線狀態(tài)自動匹配結(jié)果

針對某型雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動機，三紅線狀態(tài)自動匹配平臺給出了552個可行解，可行解的分布空間如圖3。從圖中可知，在所有可行解中各試驗構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)基本趨于收斂，最大的標準差不超過0.15。其中hr_bld參數(shù)為GasTurb軟件為方便計算而虛擬設置的表征高壓瞬態(tài)放氣活門（TBV）相對放氣位置的參數(shù)，雖然其離散程度略大，但均指向了高壓壓氣機中間級放氣位置。

結(jié)合發(fā)動機和試驗設備改裝的最小改裝量原則和可操作性要求，進氣降壓設備、內(nèi)外涵噴管等固定硬件應按照三紅線狀態(tài)的匹配結(jié)果進行定型設計，可適當設計多個可調(diào)節(jié)擋位。根據(jù)以上原則，獲得某型雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動機三紅線狀態(tài)匹配方案的各試驗構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)如表2。

表2 某型雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動機三紅線狀態(tài)匹配結(jié)果

3.2 三紅線狀態(tài)匹配結(jié)果分析

根據(jù)三紅線狀態(tài)匹配結(jié)果，主要采用進氣壓力恢復系數(shù)、內(nèi)外涵噴管以及發(fā)動機自身的可調(diào)機構(gòu)等試驗構(gòu)型調(diào)節(jié)手段，可實現(xiàn)高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的匹配值高于紅線值不超過1%，燃氣溫度的匹配值高于紅線值約10K以內(nèi)，換算推力的匹配值高于額定值約7%，均達到紅線值以上。某發(fā)動機以低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為主控規(guī)律，考慮到自身控制誤差不高于0.5%的影響，發(fā)動機可以在三紅線狀態(tài)以上進行穩(wěn)定運行。

針對換算推力匹配值略高的情況，可以在方案1的基礎上進一步優(yōu)化，討論如下：①通過適當減小進氣壓力恢復系數(shù)，降低發(fā)動機進氣壓力，可以改善燃燒室的工作載荷和低壓軸功率，提高試驗安全性，同時使發(fā)動機推力下降，而不利的影響是燃氣溫度會略微上升；②風扇流量和高壓壓氣機流量的極限值分別為±8%和±4%，因此可借在線可調(diào)機構(gòu)，如風扇和高壓壓氣機可調(diào)靜子葉片的進一步調(diào)整，使發(fā)動機剛好達到三紅線狀態(tài)。

4 試驗改裝方案

根據(jù)三紅線狀態(tài)匹配結(jié)果，提出針對某型雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動機的試驗構(gòu)型改裝方案：①在發(fā)動機進氣段設置進氣格柵，并配置對應壓力恢復系數(shù)為0.92、0.9、0.89等不同的格柵規(guī)格；②增加風扇前預旋裝置，并配置預旋角度在線可調(diào)控制機構(gòu)，具備發(fā)動機風扇進口流量不低于±8%的調(diào)節(jié)能力；③配置標準噴管面積+10%的內(nèi)涵噴管；④發(fā)動機自帶的高壓壓氣機可調(diào)靜子葉片（VSV）可實現(xiàn)高壓壓氣機流量±4%的調(diào)節(jié)能力，無需改裝。

除此之外，發(fā)動機自帶的增壓級可調(diào)放氣閥門（VBV）、高壓壓氣機瞬態(tài)放氣活門（TBV）等也作為臨時的試驗輔助調(diào)節(jié)手段參與三紅線狀態(tài)參數(shù)微調(diào)。

5 總結(jié)

本文以某型雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動機為例，依托發(fā)動機性能計算軟件GasTurb和多學科優(yōu)化軟件Isight，搭建了一套三紅線狀態(tài)自動匹配計算平臺，采用多目標尋優(yōu)算法，以多種不同的發(fā)動機調(diào)節(jié)手段作為變量，實現(xiàn)了快速匹配出滿足最小改裝量要求的匹配調(diào)節(jié)手段組合，達到三紅線狀態(tài)，并給出了試驗構(gòu)型改裝方案。

三紅線狀態(tài)自動匹配平臺有效有效降低了最佳匹配組合的遺漏率，提高了三紅線狀態(tài)匹配設計的工作效率，同時也為不同調(diào)節(jié)手段對三紅線狀態(tài)的敏感性研究提供分析平臺。