民用渦扇發動機敏感性分析＊

黃求原

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 200241）

航空發動機是飛機系統中最關鍵的系統之一，其性能影響著飛機的經濟性。為了滿足飛機的設計指標，在發動機方案設計時，需要進行敏感性分析，以確定敏感因子對關鍵性能參數的影響程度，明確總體方案優化方向。同時，由于風扇、壓氣機、渦輪為高速旋轉部件，隨著工作時間增加，它們會出現性能退化，從而影響發動機性能[1-4]。因此，敏感性分析也為部件衰退的影響分析提供參考。

1 研究對象介紹

某型民用渦扇發動機[5]為雙轉子、大涵道比直接傳動渦輪風扇發動機，高、低壓轉子同向旋轉，內外涵分別排氣，其主要由風扇、增壓級、高壓壓氣機、單環腔低排放燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪，以及燃油控制系統、點火系統、空氣系統、起動系統、潤滑系統、附件傳動系統、短艙系統、外部管路等組成，如圖1所示。

圖1 民用大涵道比渦扇發動機示意圖

2 典型工作狀態

某型渦扇發動機典型工作狀態如表1所示，設計點為非安裝狀態，其他均為安裝狀態，所有狀態未考慮空氣濕度的影響。

表1 典型工作狀態

3 計算方法

基于某型民用大涵道比渦扇發動機初步方案，采用GasTurb（V11）敏感性分析模塊，計算并分析設計點循環參數、機械效率、部件效率的小范圍變化對凈推力、單位耗油率的影響。同時，根據發動機控制規律，限制低壓轉子換算轉速，計算并分析最大爬升和高溫起飛狀態下機械效率、部件效率的小范圍變化對凈推力、單位耗油率、總增壓比、高壓渦輪前總溫以及壓縮部件喘振裕度的影響。

為了計算方便，將發動機各部件分為風扇外涵、低壓壓氣機（風扇內涵及增壓級）、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪。

4 計算結果及分析

敏感性分析主要內容：在三個典型狀態下，計算分析機械效率、部件效率等參數的小偏差對關鍵性能參數的影響。

4.1 設計點敏感性分析

設計點的敏感性分析包括設計點循環參數（涵道比B、高壓渦輪前總溫T4以及高壓壓氣機增壓比πCH）、機械效率（高、低壓轉子機械效率ηmH，ηmL）、部件效率（風扇外涵效率ηFII、低壓壓氣機效率ηCL、高壓壓氣機效率ηCH、燃燒室效率ηB、高壓渦輪效率ηTH、低壓渦輪效率ηTL）的小范圍變化對發動機凈推力Fn、單位耗油率sfc的影響。

4．1．1 循環參數的敏感性

循環參數敏感性計算結果如圖2所示，主要計算設計點的涵道比B、高壓渦輪前總溫T4、高壓壓氣機增壓比πCH分別降低1%對發動機凈推力Fn、單位耗油率sfc的影響。

由圖2可知，對Fn和sfc影響最大的是T4。當T4降低1%時，Fn減少2.46%、sfc升高0.35%。

圖2 循環參數敏感性計算結果

4．1．2 部件效率及機械效率的敏感性

設計點部件效率及機械效率分別降低0.01對發動機凈推力和單位耗油率的影響如圖3所示。

圖3 各效率敏感性計算結果

由圖3可知，部件效率中，對Fn影響最大的是ηCH。當ηCH降低0.01時，Fn減少1.34%；對sfc影響最大的是ηB。當ηB降低0.01時，sfc升高0.92%。各機械效率中，對Fn和sfc影響最大的是ηmH。當ηmH降低0.01時，Fn減少1.28%、sfc升高1.30%。

4.2 最大爬升狀態敏感性分析

最大爬升狀態敏感性分析包括機械效率、部件效率的小范圍變化對Fn、sfc、總增壓比πC、T4以及喘振裕度（風扇外涵喘振裕度SMFII、低壓壓氣機喘振裕度SMCL、高壓壓氣機喘振裕度SMCH）的影響。在最大爬升狀態下，機械效率及部件效率分別降低0.01對關鍵性能參數影響如圖4所示。

圖4 各效率敏感性計算結果

由圖4可知各部件效率影響為：①對Fn，sfc及πC影響最大的是ηTL，當ηTL降低 0.01 時，Fn，sfc，πC分別增加 0.64%，0.99%，0.92%；對T4影響最大的是ηCH，當ηCH降低0.01時，T4升高17.46 K。②對SMFII，SMCL影響最大的是ηTH，當ηTH降低0.01時，SMFII，SMCL分別減少0.78%，9.38%；對SMCH影響最大的是ηCH，當ηCH降低0.01時，SMCH減少3.69%。

由圖4可知，各機械效率中，對Fn，πC影響最大的是ηmL。當ηmL降低0.01時，Fn，πC分別增加0.29%，0.62%；對sfc，T4以及壓縮部件喘振裕度影響最大的是ηmH，當ηmH降低 0.01時，sfc，T4分別升高 1.02%，13.21 K，SMFII，SMCL，SMCH分別減少0.47%，5.69%，2.51%。

4.3 高溫起飛狀態敏感性分析

高溫起飛狀態敏感性分析包括機械效率、部件效率的小范圍變化對Fn，sfc，πC，T4及喘振裕度的影響。

在高溫起飛狀態下，機械效率及部件效率分別降低0.01對關鍵性能參數的影響如圖5所示。由圖5可知，高溫起飛狀態下各參數的影響趨勢與最大爬升狀態基本一致。

5 結論

基于某型民用大涵道比渦扇發動機初步方案，利用GasTurb軟件計算分析了設計點和非設計點部件效率、機械效率等小范圍變化對關鍵性能參數的影響。

圖5 各效率敏感性計算結果

主要結論如下：①在設計點，循環參數中，T4對Fn，sfc影響較大；部件效率中，ηCH對Fn影響較大，ηB和ηTL對sfc影響較大；機械效率中，ηmH對Fn，sfc影響大。因此，若要增加設計點Fn，首先需提高T4，ηCH和ηmH；如需降低設計點sfc，首先需提高T4，ηB，ηTL和ηmH。②在非設計點，部件效率中，ηTL對Fn，sfc及πC影響較大，ηCH對T4和SMCH影響較大，ηTH對SMFII，SMCL影響較大；機械效率中，ηmL對Fn，πC影響較大，ηmH對sfc，T4以及喘振裕度影響較大。因此，為了保證非設計點Fn和sfc達標，T4不超溫，喘振裕度較大，首先需保證ηCH，ηTH，ηTL和ηmH。