雙轉子民用渦扇發動機持久試驗的三紅線狀態自動匹配技術研究

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

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 200241）

1 背景

持久試驗是航空發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，發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《航空發動機適航規章》（CCAR-33R2）第33.87條渦輪發動機持久試驗條款規定，發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、轉速紅線值的試驗。對于雙轉子渦扇發動機而言，需同時達到高、低壓轉子的紅線值，簡稱為“三紅線狀態”。隨著航空發動機技術的不斷發展，現代渦扇發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，使得在實際工作循環中通常不會同時達到燃氣溫度、轉速紅線狀態，因此需要開展三紅線狀態匹配設計，為發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驗，并將發動機和試驗設備改裝手段整理發布到最新的AC-33.87-1A咨詢通告中[2]。然而，關于三紅線狀態匹配技術并未進行說明，國外幾大發動機主承制商也未公開相應技術細節。國內暫未有開展過民用渦扇發動機的持久試驗，在三紅線狀態匹配技術方面還不夠成熟。本文依托發動機性能計算軟件GasTurb和多學科優化軟件Isight，研究雙轉子民用渦扇發動機持久試驗的三紅線狀態自動匹配技術，提高了三紅線狀態匹配設計的工作效率，同時為不同調節手段對三紅線狀態的進一步研究提供分析平臺[3]。

2 三紅線狀態匹配計算模型

2.1 三紅線狀態參數定義

發動機主承制商在向適航當局提交型號設計許可數據單（TCDS）時，應當定義發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的相關參數。三紅線狀態參數（推力FN、低壓轉子物理轉速N1、高壓轉子物理轉子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推力；②紅線溫度：取燃氣溫度的限制值；③紅線轉速：分別取高、低壓轉子物理轉速的限制值。

在研制階段的發動機也可根據設計點工況初步定義三紅線狀態的相關參數值。此外還應根據發動機的安全性要求，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 三紅線狀態調節參數

根據AC-33.87-1A咨詢通告，常用于調節三紅線狀態的手段主要有：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調節VSV規律。③從高壓壓氣機或（/和）低壓壓氣機啟用客戶引氣。④使用面積可調的低壓渦輪導向器或內涵噴管。⑤使用面積可調的外涵噴管。

根據可操作性，梳理出某型雙轉子民用渦扇發動機的試驗構型調節參數（對標為GasTurb軟件變量名稱），詳見表1。

表1 某型雙轉子民用渦扇發動機的試驗構型調節參數

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參數的調整；考慮到工程實現的復雜性，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整。

由于三紅線狀態的試驗構型調整可能會造成與發動機設計特征相反的非預期結果，例如，為了調節核心機轉速、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的嚴苛環境。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節孔口直徑等，但是應表明針對更改部件及相關影響部件，在試驗中意圖考核的特性不會因構型更改而得到加強，更改后的發動機仍應該在本質上與最終型號設計相一致。

2.3 發動機性能模型及匹配計算方法

以某型雙轉子民用渦扇發動機為例，采用GasTurb 11.4軟件，構建發動機的設計點性能參數、各部件工作特性等發動機性能模型。通過改變試驗構型調節參數，可實現三紅線狀態的手動匹配計算，計算流程如圖1所示。

其中，b）～e）步驟在BTC文件中實現一次性定義，然后通過GasTurb軟件直接調用生效。

通過發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節參數的變化對三紅線狀態匹配結果的影響方式，進而指導下一次調節參數的調整方向。由于試驗構型調節參數參數較多，可以有無窮多種不同的組合方式，且各參數之間的耦合關系較為復雜，導致發動機性能敏感性分析規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在全局范圍內遍歷，很可能遺漏最佳的匹配組合。

2.4 三紅線狀態自動匹配平臺

依托Isight軟件豐富的多學科優化算法和良好的可視化功能和可擴展性強的數據通信接口等優勢，根據2.3節三紅線狀態匹配計算流程，搭建一個三紅線狀態自動匹配平臺，見圖2。

三紅線狀態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，定義需要進行調整的環境參數、試驗構型調節參數以及迭代參數名稱，如dtamb，d_W_HPC等，根據多目標優化的結果對相應參數進行賦值，更新參數數值，并生成新的BTC文件。②GasTurb執行模塊：啟動GasTurb.exe執行程序，該程序默認自動調用新生成的BTC文件，執行后自動讀取三紅線狀態參數的計算值。③Calculator模塊：將三紅線狀態參數的數值轉化為優化器的目標函數。本例中為計算三紅線狀態參數當前值與紅線值之間的差值，作為優化器的輸入。④優化器：確定三紅線狀態匹配計算的優化算法、優化變量及范圍、限制條件及優化目標等。其中：1）優化算法：NSGA-II進化算法；2）優化變量：選取表1所示的試驗構型調節參數作為優化變量，并限定參數的可調范圍；3）目標函數：換算推力、轉速、燃燒室出口溫度等四個參數的計算值與三紅線值差值最低，適當調整縮放因子和權重因子。即：

4）限制函數：按三紅線狀態要求，燃氣溫度、高低壓轉子轉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 三紅線狀態自動匹配結果及分析

3.1 三紅線狀態自動匹配結果

針對某型雙轉子民用渦扇發動機，三紅線狀態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型調節參數基本趨于收斂，最大的標準差不超過0.15。其中hr_bld參數為GasTurb軟件為方便計算而虛擬設置的表征高壓瞬態放氣活門（TBV）相對放氣位置的參數，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。

結合發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、內外涵噴管等固定硬件應按照三紅線狀態的匹配結果進行定型設計，可適當設計多個可調節擋位。根據以上原則，獲得某型雙轉子民用渦扇發動機三紅線狀態匹配方案的各試驗構型調節參數如表2。

表2 某型雙轉子民用渦扇發動機三紅線狀態匹配結果

3.2 三紅線狀態匹配結果分析

根據三紅線狀態匹配結果，主要采用進氣壓力恢復系數、內外涵噴管以及發動機自身的可調機構等試驗構型調節手段，可實現高低壓轉子轉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，換算推力的匹配值高于額定值約7%，均達到紅線值以上。某發動機以低壓轉子轉速作為主控規律，考慮到自身控制誤差不高于0.5%的影響，發動機可以在三紅線狀態以上進行穩定運行。

針對換算推力匹配值略高的情況，可以在方案1的基礎上進一步優化，討論如下：①通過適當減小進氣壓力恢復系數，降低發動機進氣壓力，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%，因此可借在線可調機構，如風扇和高壓壓氣機可調靜子葉片的進一步調整，使發動機剛好達到三紅線狀態。

4 試驗改裝方案

根據三紅線狀態匹配結果，提出針對某型雙轉子民用渦扇發動機的試驗構型改裝方案：①在發動機進氣段設置進氣格柵，并配置對應壓力恢復系數為0.92、0.9、0.89等不同的格柵規格；②增加風扇前預旋裝置，并配置預旋角度在線可調控制機構，具備發動機風扇進口流量不低于±8%的調節能力；③配置標準噴管面積+10%的內涵噴管；④發動機自帶的高壓壓氣機可調靜子葉片（VSV）可實現高壓壓氣機流量±4%的調節能力，無需改裝。

除此之外，發動機自帶的增壓級可調放氣閥門（VBV）、高壓壓氣機瞬態放氣活門（TBV）等也作為臨時的試驗輔助調節手段參與三紅線狀態參數微調。

5 總結

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

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