民用發動機空中慢車性能設計方法

曾濤

（上海飛機設計研究院，上海201210）

民用發動機空中慢車性能設計方法

曾濤

（上海飛機設計研究院，上海201210）

空中慢車是應用于飛機空中下降過程的最小推力狀態。為實現飛機與發動機性能的優化匹配，空中慢車需要在設計階段綜合考慮飛機性能和用戶系統、發動機自身運行特性3方面的要求，包括飛機正常下降率、引氣、功率提取、發動機附件運行和本體運行限制等設計需求。通過空中慢車設計需求分析并結合發動機推力控制模式，給出了基于引氣壓力的慢車設計方法和設計流程，并根據型號應用經驗討論了設計中的常見問題和對應處理方法。

空中慢車；性能設計；民用飛機；民用發動機

0　引言

發動機慢車是發動機用以維持低推力穩定運行的最小轉速狀態［1］。根據使用階段的不同，慢車可分為地面慢車、空中慢車、進近慢車和著陸慢車等類型。其中空中慢車也稱之為下降慢車或飛行慢車，主要應用于飛機空中下降過程。發動機慢車性能設計不僅與發動機設計緊密關聯，也與飛機性能和系統正常運行緊密關聯［2-3］。

為實現飛機與發動機性能的優化匹配，需要在設計階段綜合考慮空中慢車狀態各設計因素。目前可查到的關于慢車性能設計方法的公開文獻較少，在國內相關設計手冊［4-6］中也未見慢車設計方法的詳細說明。

本文以某型國產客機設計經驗為基礎，給出了民用飛機空中慢車設計的一般方法和流程。

1　空中慢車運行特點

空中慢車通常應用于飛機空中下降過程。此時飛機并無特定推力需求，但仍需從發動機提取引氣和功率以維持飛機機上用戶系統的正常運行；如果慢車推力過高，會對飛機下降率產生影響；空中慢車設計還必須滿足發動機附件系統和自身運行限制的需求以保證發動機自身持續穩定運行。綜上所述，空中慢車可定義為滿足飛機引氣需求、功率提取需求、正常下降率要求、發動機附件需求和發動機運行限制等設計要求的最小可用推力等級。

2　空中慢車設計需求

2.1飛機引氣需求

飛機引氣需求來源于飛機引氣下游用戶系統，通常包括空調、機翼防冰和短艙防冰系統等。以典型的雙發客機為例，包括2個空調包、兩側機翼防冰系統及短艙防冰系統。各用戶系統引氣需求可歸納為引氣的流量、總溫和總壓3種要求。

飛機引氣需求受2個因素影響：飛行狀態條件和用戶系統運行狀態。飛行狀態條件包括飛行高度、環境溫度和結冰條件；用戶系統運行狀態是指飛機用戶系統在正常和故障運行狀態下的系統狀態組合。對于雙發客機，慢車設計需考慮的典型運行狀態通常包括：雙發雙引氣無防冰、雙發雙引氣有防冰、單發單引氣無防冰、單發單引氣有防冰、雙發單引氣無防冰及雙發單引氣有防冰等。在慢車設計中，需考慮以上所有運行狀態在各飛行條件下的引氣需求，以保證下游飛機用戶系統的正常運行，進而保證飛機運行安全。由于不同運行狀態對引氣流量、壓力和溫度需求差異較大，為實現慢車推力與飛機需求的優化匹配，通常需要為不同運行狀態設計不同的慢車等級。

2.2飛機功率提取需求

功率提取需求來自于飛機液壓泵和發電機的功率需求。與引氣需求相似，功率提取的數值與環境溫度和飛機系統運行狀態有關?？罩新嚨脑O計中需要考慮以下因素對功率提取的影響，其中包括：（1）環境溫度；（2）單發失效影響；（3）正常工作狀態需求；（4）瞬時過載工作狀態需求。

2.3飛機正常下降率需求

在飛機下降過程中，若推力過大，會直接導致飛機下降航跡角減小，進而導致飛機下降率減小，下降時間延長。以某型飛機為例，在特定飛行狀態下，若慢車推力增大50%，下降時間將延長約25%。合理的慢車推力設計可以支持飛機飛行管理系統對運行航跡進行優化［9］，慢車推力過大將導致飛機運行經濟性降低，從而嚴重影響飛機任務策略的實施［7-8］。

2.4發動機本體運行和附件需求

空中慢車設計還必須考慮發動機本體的運行特性，滿足發動機穩定運行需求，不能熄火和出現不良工作特性；發動機需驅動燃油泵、滑油泵、PMA（用于發動機自身供電）等附件以維持自身正常運行，在空中慢車設計中也需滿足發動機附件系統的運行需求。

3　空中慢車設計方法與流程

發動機慢車推力控制有3種典型模式：引氣壓力控制、N1控制和N2控制［10］。引氣壓力控制以發動機引氣口處的供氣壓力為控制目標，主要用于滿足特定引氣需求；N1控制以發動機低壓轉速為控制目標，主要用于滿足特定推力需求；N2控制以發動機高壓轉速為控制目標，主要用于滿足功率提取和發動機附件特定運行需求。

3種控制模式對應空中慢車設計需考慮的3方面：飛機用戶需求、飛機性能需求及發動機自身運行需求。以進近慢車為例，進近慢車的主要設計需求來源于發動機復飛加速要求，通?；贜1控制進行設計。通過對各設計需求的綜合比較可知，引氣需求是空中慢車設計需求中的最高值，因此空中慢車一般基于引氣壓力控制模式進行設計。

以引氣壓力控制模式為基礎，空中慢車的設計轉化為慢車壓力目標的設計。綜合考慮設計需求和型號應用經驗，制定設計流程如下。

（1）綜合空調、機翼防冰、短艙防冰等系統的引氣需求，確定不同運行狀態下引氣的流量、總溫和總壓需求，并在飛行包線內選定多個狀態點作為設計檢查點；

（2）基于引氣總壓要求制定慢車壓力設計目標。典型的引氣壓力目標如圖1所示，從圖中可見，對不同運行狀態設計了不同的壓力目標曲線；

圖1　引氣壓力目標

（3）基于慢車壓力設計目標和發動機運行限制完成全包線空中慢車推力等級初步設計；

（4）對全包線慢車進行引氣流量檢查，確保在各運行狀態下引氣流量要求均被滿足，如有狀態流量不滿足，則對發動機壓力進行調整直至流量要求被滿足；

（5）基于引氣流量校核后的慢車設計完成慢車推力計算，供飛機性能評估使用；

（6）基于引氣流量校核后的慢車設計完成慢車供氣特性計算，供各引氣用戶系統評估使用；

（7）根據飛機性能和引氣用戶系統反饋對慢車壓力進行調整，直至所有設計需求均被滿足；

（8）基于飛機功率提取需求和發動機附件系統運行需求對慢車推力性能進行校核，校核后完成空中慢車設計。

對應設計流程如圖2所示。

圖2　空中慢車設計流程

4　常見問題及處理方法

4.1發動機供氣流量不足

空中慢車為低推力狀態，發動機核心機總流量偏低，在一定嚴酷狀態下（如雙發單引氣防冰狀態）可能存在發動機最大供氣能力仍不能滿足飛機流量需求的情況。針對該問題，通常的解決方法如下：

（1）提高慢車壓力目標以增大發動機慢車推力；（2）調整供氣口位置以獲得更大的供氣流量；（3）調整發動機供氣口流道設計以提高發動機最大供氣能力。

4.2供氣總溫不足

在某些運行狀態（如防冰條件）下，飛機引氣對供氣總溫有特定要求，而慢車狀態下發動機總溫偏低，可能存在供氣總溫不滿足飛機需求的情況。針對該問題，通常的解決辦法如下：

（1）提高慢車壓力目標以增大發動機慢車推力；

（2）調整供氣口位置以獲得更高的供氣總溫。

4.3發動機設計帶來的總壓波動

如前所述，空中慢車的控制通常是以引氣壓力為控制目標。而在實際運行中，在引氣口處可能并無壓力傳感器，基于氣路其他位置的壓力對引氣壓力進行間接控制。某型發動機氣路壓力布置如圖3所示。從圖中可見，在高壓引氣口處未設置壓力傳感器，而在燃燒室出口處設有氣路壓力傳感器。該設計下的發動機空中慢車引氣壓力控制是以燃燒室出口壓力作為參考進行?；谠囼灪湍Ｐ头治龅玫綒饴穳毫鞲衅魈帀毫透邏阂龤饪谔帀毫Φ年P系曲線，在實際運行中，發動機以傳感器處壓力為參考換算得到引氣壓力，進而進行壓力控制。由于傳感器壓力和引氣口壓力的關系曲線存在一定誤差，導致發動機實際供氣壓力與設計目標值出現偏差。其解決方法是通過試驗驗證和數據分析確定關系曲線的誤差分布情況，然后基于誤差分布情況對引氣壓力進行調整以保證所有運行情況下供氣壓力均滿足飛機需求。

圖3　某型發動機氣路壓力布置

5　結束語

民用發動機空中慢車設計作為發動機性能設計的一部分。為實現飛機與發動機性能的優化匹配，空中慢車設計需綜合考慮飛機引氣、功率提取、正常下降率、發動機附件和運行限制等要求，一般采用引氣壓力控制模式。因此，空中慢車的設計流程通?；谝龤庑枨笾贫噳毫δ繕?，并根據飛機性能、引氣和功率提取的需求等在全飛行包線范圍內對初步慢車設計進行校核，校核調整后最終完成空中慢車設計。

本文中的設計流程和方法主要是基于型號經驗得到，希望能為相關設計人員提供一定的參考。

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（編輯：張寶玲）

Design Method of Commercial Aircraft Engine Flight Idle

ZENG Tao
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210）

Flight idle is the minimum thrust level in aircraft descent phase.In order to optimzie the aircraft/engine integration，the design requirements of aircraft performance，aircraft customer system and engine operating characteristics shall be considered in flight idle design，which include aircraft normal descent rate，bleeding，power extraction，engine accessory and engine operating requirements. Combination the analysis of flight idle design requirements with engine thrust control modes flight idle design method and process are provided based on bleeding pressure.Several common design issues and method in the design practice are also discussed.

flight idle；performance design；commercial aircraft；commercial aircraft engine

V 235.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.02.011

2015-04-12

曾濤（1985），男，碩士，工程師，從事民用飛機動力裝置系統集成設計工作；E-mail：zengtao@comac.cc。

引用格式：曾濤.民用飛機發動機空中慢車性能設計方法［J］.航空發動機，2016，42（2）：57-60.ZENGTao.Design method ofcommercial aircraft engine flightidle［J］.Aeroengine，2016，42（2）：57-60.