作者：楊振亞丨來源：數字孿生體實驗室原創

導  讀

航空發動機是航空器飛行的動力，是航空器的“心臟”。目前應用最為廣泛的航空發動機為燃氣渦輪發動機，它主要由進氣口、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成。從進氣口進入的空氣在壓氣機中被壓縮后進入燃燒室，在燃燒室中與噴入的燃油混合燃燒，生成高溫高壓的燃氣。燃氣在膨脹過程中驅動渦輪高速旋轉，將部分能量轉換為渦輪功。渦輪帶動壓氣機不斷吸進空氣并進行壓縮，使發動機能連續工作。由壓氣機、燃燒室和驅動壓氣機的渦輪這3個部件組成燃氣發生器，它不斷輸出具有一定可用能量的燃氣。

在發動機控制系統特別是多變量數字式電子控制系統的研制中，要解決大量的參數擇優問題。由于發動機試車非常費時和費錢，而且具有一定的危險性，所以發動機控制系統的調試全部在真實的發動機上進行時不現實的。一個準確的發動機數字孿生體可以代替發動機進行控制系統的研究和試驗。以F100-PW-229發動機控制系統設計為例，數字孿生體適用于包括調節計劃、回路增益、提前量和修正調節計劃在內的全部控制系統設計。將F100-PW-229發動機的加速過渡態的發動機/控制系統數學模型的預估結果與初步放飛（IFR）發動機的試驗數據進行了比較。選擇的飛行狀態是高度6960m，飛行Ma為0.8，選擇的過渡狀態是空中慢車到最大加力。在此過程中，由于轉子轉速增加和同時接通加力燃燒室，從而使推力增加，使得推力的快速響應。比較結果表明，無論是推力還是總增壓比，數字孿生體的結果與高空試驗臺試驗結果都十分接近。

構建航空發動機的數字孿生體，可以實時反映航空發動機的運行狀態，預測發動機在未來工況變動下的性能特征，是提高發動機可靠性和設備健康管理的先進手段。本文闡述了航空發動機的數字孿生體解決方案，旨在為協助國內航空發動機及燃氣輪機企業落地數字孿生業務。

參考架構

航空發動機的數字孿生體架構包括發動機的物理系統、數字孿生體、測量與控制設備、以及包含了人機界面的用戶域。如圖1所示。

  圖1 航空發動機的數字孿生體架構

航空發動機總體性能的數字孿生體

圖2航空發動機總體系統的數字孿生體示意圖。數字孿生體中包括了進氣口、風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管等。

圖2 航空發動機總體系統的數字孿生體示意圖

 

航空發動機的數字孿生體可以反映的主要性能參數包括發動機單位推力和單位燃油消耗率，實時控制參數主要包括的壓氣機增壓比、風扇增壓比、涵道比、渦輪進口總溫等。數字孿生體可以實時預測發動機總體性能，包括設計點熱力循環分析、非設計條件下的性能分析，如速度特性、高度特性以及節流特性，（在給定油門桿位置、飛行高度、大氣條件以及調節規律的情況下，推力和耗油率等參數隨飛行馬赫數的變化關系成為發動機速度特性；給定油門桿位置、飛行馬赫數、大氣條件以及調節規律的情況下，推力和耗油率等參數隨飛行高度的變化關系成為發動機高度特性；給定飛行馬赫數、飛行高度、大氣條件以及調節規律的情況下，推力和耗油率等參數隨油門桿位置的變化關系成為發動機節流特性。通常用轉子轉速、渦輪前總溫或主燃燒室供油量等參數代表油門桿位置，用發動機推力與耗油率之間的變化關系描述發動機的節流特性）。發動機性能分析還包括過渡工作狀態分析，即發動機從一個穩定的工作狀態迅速地過渡到另一個穩定工作狀態的過程，包括起動過程、加速過程、減速過程、接通加力與斷開加力等。

在數字孿生體的界面中，通過傳感器測量得到發動機的飛行高度、飛行Ma數以及燃油供給量，這次實時參數傳輸給數字孿生體后，孿生體會計算得到發動機進口總溫、總壓以及出口背壓，以及相應截面的參數，包括轉子轉速，發動機進口流量、壓氣機增總壓比，壓氣機喘振裕度，渦輪前溫度，發動機推力等重要參數。

 

圖3 航空發動機總體性能數字孿生的參數調試界面

此外，數字孿生體還可以實現對單個或多個參數的虛擬驗證。對于發動機復雜的調節規律，例如n=nmax=const發動機物理轉速保持最大值不變；渦輪前總溫保持最大值不變；發動機尾噴管臨界截面可調時的組合調節規律等，在孿生體運行過程中，可以加入script腳本文件，控制燃油供給，也可以利用控制元件來調節，仿真發動機在設計條件或非設計條件下的穩態仿真過程，也可以進行過渡工作狀態的非定常過程仿真。

圖4  11km、Ma=0.85時壓氣機和渦輪運行狀態點

航空發動機主要部件的數字孿生體

除了總體性能的數字孿生體外，還可以搭建各子部件的數字孿生體，從而反映各部件的詳細性能特征。

圖5為燃燒室的數字孿生體。根據火焰筒每段的具體參數，給定相應的換熱面積，搭建燃燒室內的流動和換熱網絡：添加燃燒模型計算燃燒室燃氣的溫度；添加對流換熱元件計算火焰筒外壁面和冷空氣的換熱過程；分別用軸向導熱元件和徑向導熱元件計算薄壁火焰筒的導熱過程；用氣膜冷卻元件模擬冷卻孔形成的氣膜冷卻換熱過程；采用輻射換熱元件模擬燃氣和火焰筒之間的輻射換熱過程。搭建完成后，燃燒室的數字孿生體可以根據實時的燃燒室入口參數，反映出不同面積的冷卻孔的冷卻效果及溫度分布。

圖5 T56發動機燃燒室的數字孿生體

圖6是某葉片輪盤腔室的數字孿生過程示意圖，空氣通過圖中虛線所示的引流孔進入葉片輪盤內部腔室結構后沿著設計流路流出：進口總溫為650K，總壓為13bar，引流孔總流量為20kg/s；出口靜壓為8.1bar；轉速為3000rpm；30個傾斜引流孔沿輪盤周向均布，孔的結構參數孔徑以及傾斜引流孔角度α和β未知。建模過程中，采用旋轉通道模擬傾斜引流孔；采用轉子-靜子盤腔元件模擬輪盤腔室結構。采用數字孿生體可以進行敏感性分析功能，對引流孔直徑d、進氣角α、β進行分析等。

 

圖6 渦輪盤腔二次氣流系統的數字孿生體

作者簡介

 

安世亞太公司仿真業務部總經理，中國化工學會過程模擬及仿真專業委員會委員。

長期從事計算機輔助設計（CAE）軟件的技術支持、項目咨詢和產品管理工作，在仿真軟件（Fluent，CFX，Flownex，Twinmesh，Rocky等）的技術應用方面積累了豐富的經驗。