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

（中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241）

1 背景

持久試驗(yàn)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航符合性驗(yàn)證活動(dòng)中最重要的整機(jī)試驗(yàn)之一，主要驗(yàn)證在批準(zhǔn)的額定值和使用限制內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)可操作性和耐久性達(dá)到可接受的水平，試驗(yàn)由25個(gè)階段、每階段6h組成，因此持久試驗(yàn)通常又稱為150h持久試驗(yàn)。

持久試驗(yàn)《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)章》（CCAR-33R2）第33.87條渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)持久試驗(yàn)條款規(guī)定，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)開(kāi)展一次同時(shí)工作在100%額定推力/功率、燃?xì)鉁囟燃t線值、轉(zhuǎn)速紅線值的試驗(yàn)。對(duì)于雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，需同時(shí)達(dá)到高、低壓轉(zhuǎn)子的紅線值，簡(jiǎn)稱為“三紅線狀態(tài)”。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用了大涵道比、高增壓比、高效渦輪冷卻等先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，使得在實(shí)際工作循環(huán)中通常不會(huì)同時(shí)達(dá)到燃?xì)鉁囟?、轉(zhuǎn)速紅線狀態(tài)，因此需要開(kāi)展三紅線狀態(tài)匹配設(shè)計(jì)，為發(fā)動(dòng)機(jī)改裝和試驗(yàn)設(shè)備改裝方案的確定提供支撐和指導(dǎo)[1]。

國(guó)外成熟的民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)均已通過(guò)33.87條款持久試驗(yàn)的考核，積累了豐富的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，并將發(fā)動(dòng)機(jī)和試驗(yàn)設(shè)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(jìn)行說(shuō)明，國(guó)外幾大發(fā)動(dòng)機(jī)主承制商也未公開(kāi)相應(yīng)技術(shù)細(xì)節(jié)。國(guó)內(nèi)暫未有開(kāi)展過(guò)民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的持久試驗(yàn)，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(dòng)機(jī)性能計(jì)算軟件GasTurb和多學(xué)科優(yōu)化軟件Isight，研究雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)持久試驗(yàn)的三紅線狀態(tài)自動(dòng)匹配技術(shù)，提高了三紅線狀態(tài)匹配設(shè)計(jì)的工作效率，同時(shí)為不同調(diào)節(jié)手段對(duì)三紅線狀態(tài)的進(jìn)一步研究提供分析平臺(tái)[3]。

2 三紅線狀態(tài)匹配計(jì)算模型

2.1 三紅線狀態(tài)參數(shù)定義

發(fā)動(dòng)機(jī)主承制商在向適航當(dāng)局提交型號(hào)設(shè)計(jì)許可數(shù)據(jù)單（TCDS）時(shí)，應(yīng)當(dāng)定義發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)鉁囟萒4）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?xì)鉁囟鹊南拗浦?；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(dòng)機(jī)也可根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)工況初步定義三紅線狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)值。此外還應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性要求，定義額外的限制值，如高壓壓氣機(jī)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(jìn)氣流量和進(jìn)氣條件，包括：1）改變進(jìn)氣面積；2）安裝進(jìn)氣格柵或屏在進(jìn)氣位置制造壓降；3）對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行加溫。②調(diào)節(jié)VSV規(guī)律。③從高壓壓氣機(jī)或（/和）低壓壓氣機(jī)啟用客戶引氣。④使用面積可調(diào)的低壓渦輪導(dǎo)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(dòng)機(jī)的試驗(yàn)構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)（對(duì)標(biāo)為GasTurb軟件變量名稱），詳見(jiàn)表1。

表1 某型雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)

其中，由于葉片效率影響預(yù)測(cè)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(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，暫不對(duì)增壓級(jí)進(jìn)口導(dǎo)向葉片角度、低壓渦輪導(dǎo)向器角度等進(jìn)行調(diào)整。

由于三紅線狀態(tài)的試驗(yàn)構(gòu)型調(diào)整可能會(huì)造成與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)特征相反的非預(yù)期結(jié)果，例如，為了調(diào)節(jié)核心機(jī)轉(zhuǎn)速、燃?xì)鉁囟韧瑫r(shí)達(dá)到紅線值，可能會(huì)使VSV工作在非設(shè)計(jì)點(diǎn)，同時(shí)隨著核心機(jī)轉(zhuǎn)速的升高壓氣機(jī)效率降低，從而降低軸承腔封嚴(yán)和渦輪冷卻的引氣量，使得封嚴(yán)和冷卻部件的工況超出設(shè)計(jì)狀態(tài)的嚴(yán)苛環(huán)境。因此，可以通過(guò)較小的更改以減輕非預(yù)期的不利影響，如更改壓氣機(jī)冷卻引氣回路和增加引氣調(diào)節(jié)孔口直徑等，但是應(yīng)表明針對(duì)更改部件及相關(guān)影響部件，在試驗(yàn)中意圖考核的特性不會(huì)因構(gòu)型更改而得到加強(qiáng)，更改后的發(fā)動(dòng)機(jī)仍應(yīng)該在本質(zhì)上與最終型號(hào)設(shè)計(jì)相一致。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型及匹配計(jì)算方法

以某型雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，采用GasTurb 11.4軟件，構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)性能參數(shù)、各部件工作特性等發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型。通過(guò)改變?cè)囼?yàn)構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)三紅線狀態(tài)的手動(dòng)匹配計(jì)算，計(jì)算流程如圖1所示。

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

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作原理的理論分析和基于GasTurb軟件計(jì)算的敏感性分析工具，可以局部判斷某個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)的變化對(duì)三紅線狀態(tài)匹配結(jié)果的影響方式，進(jìn)而指導(dǎo)下一次調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)整方向。由于試驗(yàn)構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)參數(shù)較多，可以有無(wú)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(fù)雜，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能敏感性分析規(guī)律的適用范圍具有不確定性，手動(dòng)匹配計(jì)算工作量太大。此外，手動(dòng)匹配計(jì)算無(wú)法實(shí)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(dòng)匹配平臺(tái)

依托Isight軟件豐富的多學(xué)科優(yōu)化算法和良好的可視化功能和可擴(kuò)展性強(qiáng)的數(shù)據(jù)通信接口等優(yōu)勢(shì)，根據(jù)2.3節(jié)三紅線狀態(tài)匹配計(jì)算流程，搭建一個(gè)三紅線狀態(tài)自動(dòng)匹配平臺(tái)，見(jiàn)圖2。

三紅線狀態(tài)自動(dòng)匹配平臺(tái)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(jìn)行調(diào)整的環(huán)境參數(shù)、試驗(yàn)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(biāo)優(yōu)化的結(jié)果對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)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：?jiǎn)?dòng)GasTurb.exe執(zhí)行程序，該程序默認(rèn)自動(dòng)調(diào)用新生成的BTC文件，執(zhí)行后自動(dòng)讀取三紅線狀態(tài)參數(shù)的計(jì)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(biāo)函數(shù)。本例中為計(jì)算三紅線狀態(tài)參數(shù)當(dāng)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(jì)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(biāo)等。其中：1）優(yōu)化算法：NSGA-II進(jìn)化算法；2）優(yōu)化變量：選取表1所示的試驗(yàn)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(biāo)函數(shù)：換算推力、轉(zhuǎn)速、燃燒室出口溫度等四個(gè)參數(shù)的計(jì)算值與三紅線值差值最低，適當(dāng)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?xì)鉁囟?、高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和推力應(yīng)不低于紅線值，另外增加高壓壓氣機(jī)出口總壓、低壓軸功率等試驗(yàn)安全限制值。即：

3 三紅線狀態(tài)自動(dòng)匹配結(jié)果及分析

3.1 三紅線狀態(tài)自動(dòng)匹配結(jié)果

針對(duì)某型雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，三紅線狀態(tài)自動(dòng)匹配平臺(tái)給出了552個(gè)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(yàn)構(gòu)型調(diào)節(jié)參數(shù)基本趨于收斂，最大的標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)0.15。其中hr_bld參數(shù)為GasTurb軟件為方便計(jì)算而虛擬設(shè)置的表征高壓瞬態(tài)放氣活門（TBV）相對(duì)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(jī)中間級(jí)放氣位置。

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)和試驗(yàn)設(shè)備改裝的最小改裝量原則和可操作性要求，進(jìn)氣降壓設(shè)備、內(nèi)外涵噴管等固定硬件應(yīng)按照三紅線狀態(tài)的匹配結(jié)果進(jìn)行定型設(shè)計(jì)，可適當(dāng)設(shè)計(jì)多個(gè)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(dòng)機(jī)三紅線狀態(tài)匹配方案的各試驗(yàn)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(dòng)機(jī)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(jìn)氣壓力恢復(fù)系數(shù)、內(nèi)外涵噴管以及發(fā)動(dòng)機(jī)自身的可調(diào)機(jī)構(gòu)等試驗(yàn)構(gòu)型調(diào)節(jié)手段，可實(shí)現(xiàn)高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的匹配值高于紅線值不超過(guò)1%，燃?xì)鉁囟鹊钠ヅ渲蹈哂诩t線值約10K以內(nèi)，換算推力的匹配值高于額定值約7%，均達(dá)到紅線值以上。某發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)可以在三紅線狀態(tài)以上進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)換算推力匹配值略高的情況，可以在方案1的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，討論如下：①通過(guò)適當(dāng)減小進(jìn)氣壓力恢復(fù)系數(shù)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(yàn)安全性，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降，而不利的影響是燃?xì)鉁囟葧?huì)略微上升；②風(fēng)扇流量和高壓壓氣機(jī)流量的極限值分別為±8%和±4%，因此可借在線可調(diào)機(jī)構(gòu)，如風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片的進(jìn)一步調(diào)整，使發(fā)動(dòng)機(jī)剛好達(dá)到三紅線狀態(tài)。

4 試驗(yàn)改裝方案

根據(jù)三紅線狀態(tài)匹配結(jié)果，提出針對(duì)某型雙轉(zhuǎn)子民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)構(gòu)型改裝方案：①在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣段設(shè)置進(jìn)氣格柵，并配置對(duì)應(yīng)壓力恢復(fù)系數(shù)為0.92、0.9、0.89等不同的格柵規(guī)格；②增加風(fēng)扇前預(yù)旋裝置，并配置預(yù)旋角度在線可調(diào)控制機(jī)構(gòu)，具備發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇進(jìn)口流量不低于±8%的調(diào)節(jié)能力；③配置標(biāo)準(zhǔn)噴管面積+10%的內(nèi)涵噴管；④發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的高壓壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片（VSV）可實(shí)現(xiàn)高壓壓氣機(jī)流量±4%的調(diào)節(jié)能力，無(wú)需改裝。

除此之外，發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的增壓級(jí)可調(diào)放氣閥門（VBV）、高壓壓氣機(jī)瞬態(tài)放氣活門（TBV）等也作為臨時(shí)的試驗(yàn)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(dòng)機(jī)為例，依托發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算軟件GasTurb和多學(xué)科優(yōu)化軟件Isight，搭建了一套三紅線狀態(tài)自動(dòng)匹配計(jì)算平臺(tái)，采用多目標(biāo)尋優(yōu)算法，以多種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)手段作為變量，實(shí)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(dá)到三紅線狀態(tài)，并給出了試驗(yàn)構(gòu)型改裝方案。

三紅線狀態(tài)自動(dòng)匹配平臺(tái)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(shè)計(jì)的工作效率，同時(shí)也為不同調(diào)節(jié)手段對(duì)三紅線狀態(tài)的敏感性研究提供分析平臺(tái)。