民用涡扇发动机敏感性分析＊

黄求原

（中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 200241）

航空发动机是飞机系统中最关键的系统之一，其性能影响着飞机的经济性。为了满足飞机的设计指标，在发动机方案设计时，需要进行敏感性分析，以确定敏感因子对关键性能参数的影响程度，明确总体方案优化方向。同时，由于风扇、压气机、涡轮为高速旋转部件，随着工作时间增加，它们会出现性能退化，从而影响发动机性能[1-4]。因此，敏感性分析也为部件衰退的影响分析提供参考。

1 研究对象介绍

某型民用涡扇发动机[5]为双转子、大涵道比直接传动涡轮风扇发动机，高、低压转子同向旋转，内外涵分别排气，其主要由风扇、增压级、高压压气机、单环腔低排放燃烧室、高压涡轮、低压涡轮，以及燃油控制系统、点火系统、空气系统、起动系统、润滑系统、附件传动系统、短舱系统、外部管路等组成，如图1所示。

图1 民用大涵道比涡扇发动机示意图

2 典型工作状态

某型涡扇发动机典型工作状态如表1所示，设计点为非安装状态，其他均为安装状态，所有状态未考虑空气湿度的影响。

表1 典型工作状态

3 计算方法

基于某型民用大涵道比涡扇发动机初步方案，采用GasTurb（V11）敏感性分析模块，计算并分析设计点循环参数、机械效率、部件效率的小范围变化对净推力、单位耗油率的影响。同时，根据发动机控制规律，限制低压转子换算转速，计算并分析最大爬升和高温起飞状态下机械效率、部件效率的小范围变化对净推力、单位耗油率、总增压比、高压涡轮前总温以及压缩部件喘振裕度的影响。

为了计算方便，将发动机各部件分为风扇外涵、低压压气机（风扇内涵及增压级）、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮。

4 计算结果及分析

敏感性分析主要内容：在三个典型状态下，计算分析机械效率、部件效率等参数的小偏差对关键性能参数的影响。

4.1 设计点敏感性分析

设计点的敏感性分析包括设计点循环参数（涵道比B、高压涡轮前总温T4以及高压压气机增压比πCH）、机械效率（高、低压转子机械效率ηmH，ηmL）、部件效率（风扇外涵效率ηFII、低压压气机效率ηCL、高压压气机效率ηCH、燃烧室效率ηB、高压涡轮效率ηTH、低压涡轮效率ηTL）的小范围变化对发动机净推力Fn、单位耗油率sfc的影响。

4．1．1 循环参数的敏感性

循环参数敏感性计算结果如图2所示，主要计算设计点的涵道比B、高压涡轮前总温T4、高压压气机增压比πCH分别降低1%对发动机净推力Fn、单位耗油率sfc的影响。

由图2可知，对Fn和sfc影响最大的是T4。当T4降低1%时，Fn减少2.46%、sfc升高0.35%。

图2 循环参数敏感性计算结果

4．1．2 部件效率及机械效率的敏感性

设计点部件效率及机械效率分别降低0.01对发动机净推力和单位耗油率的影响如图3所示。

图3 各效率敏感性计算结果

由图3可知，部件效率中，对Fn影响最大的是ηCH。当ηCH降低0.01时，Fn减少1.34%；对sfc影响最大的是ηB。当ηB降低0.01时，sfc升高0.92%。各机械效率中，对Fn和sfc影响最大的是ηmH。当ηmH降低0.01时，Fn减少1.28%、sfc升高1.30%。

4.2 最大爬升状态敏感性分析

最大爬升状态敏感性分析包括机械效率、部件效率的小范围变化对Fn、sfc、总增压比πC、T4以及喘振裕度（风扇外涵喘振裕度SMFII、低压压气机喘振裕度SMCL、高压压气机喘振裕度SMCH）的影响。在最大爬升状态下，机械效率及部件效率分别降低0.01对关键性能参数影响如图4所示。

图4 各效率敏感性计算结果

由图4可知各部件效率影响为：①对Fn，sfc及πC影响最大的是ηTL，当ηTL降低 0.01 时，Fn，sfc，πC分别增加 0.64%，0.99%，0.92%；对T4影响最大的是ηCH，当ηCH降低0.01时，T4升高17.46 K。②对SMFII，SMCL影响最大的是ηTH，当ηTH降低0.01时，SMFII，SMCL分别减少0.78%，9.38%；对SMCH影响最大的是ηCH，当ηCH降低0.01时，SMCH减少3.69%。

由图4可知，各机械效率中，对Fn，πC影响最大的是ηmL。当ηmL降低0.01时，Fn，πC分别增加0.29%，0.62%；对sfc，T4以及压缩部件喘振裕度影响最大的是ηmH，当ηmH降低 0.01时，sfc，T4分别升高 1.02%，13.21 K，SMFII，SMCL，SMCH分别减少0.47%，5.69%，2.51%。

4.3 高温起飞状态敏感性分析

高温起飞状态敏感性分析包括机械效率、部件效率的小范围变化对Fn，sfc，πC，T4及喘振裕度的影响。

在高温起飞状态下，机械效率及部件效率分别降低0.01对关键性能参数的影响如图5所示。由图5可知，高温起飞状态下各参数的影响趋势与最大爬升状态基本一致。

5 结论

基于某型民用大涵道比涡扇发动机初步方案，利用GasTurb软件计算分析了设计点和非设计点部件效率、机械效率等小范围变化对关键性能参数的影响。

图5 各效率敏感性计算结果

主要结论如下：①在设计点，循环参数中，T4对Fn，sfc影响较大；部件效率中，ηCH对Fn影响较大，ηB和ηTL对sfc影响较大；机械效率中，ηmH对Fn，sfc影响大。因此，若要增加设计点Fn，首先需提高T4，ηCH和ηmH；如需降低设计点sfc，首先需提高T4，ηB，ηTL和ηmH。②在非设计点，部件效率中，ηTL对Fn，sfc及πC影响较大，ηCH对T4和SMCH影响较大，ηTH对SMFII，SMCL影响较大；机械效率中，ηmL对Fn，πC影响较大，ηmH对sfc，T4以及喘振裕度影响较大。因此，为了保证非设计点Fn和sfc达标，T4不超温，喘振裕度较大，首先需保证ηCH，ηTH，ηTL和ηmH。