大涵道比涡扇发动机总体性能需求分析研究

大涵道比涡扇发动机总体性能需求分析研究

袁月薇，蒋琇琇，彭振宇

中国航发沈阳发动机研究所，110016

摘要：本文以替代民用客机进口动力、满足飞机使用需求为目标，在飞机方暂未提出明确指标需求的情况下，根据发动机研制使用目标，开展总体性能需求分析研究，经初步分析发动机总体技术方案具有一定可行性与先进性，可满足飞机使用需求。

关键词：航空发动机，性能，需求分析

引言

航空发动机的研制过程是一项复杂的系统工程，具有难度高、周期长、投入大的特点，航空发动机需求管理的目的，是在全生命周期内保证利益攸关者的需求被充分地理解和执行，保证研制的最终产品能够满足客户需求。需求管理主要包括利益攸关者需求定义、需求分析、需求确认、需求分配、需求验证等五项技术活动。本文以某大涵道比涡扇发动机总体技术方案为基础，开展大涵道比涡扇发动机总体性能需求分析研究。

1 利益攸关者分析

利益攸关者需求定义，是根据用户及其它利益攸关者的要求、期待的服务以及具体项目任务目标，定义特定条件下系统应具备的能力。本文大涵道比涡扇发动机研制以民用客机为配装对象，以替代进口动力、满足飞机使用需求为目标，总体性能专业的利益攸关者主要类型包括：1）上层系统，即飞机方；2）相关规定，主要包括国家适航规定；3）组织决策者；4）运行系统。

2 需求分析

需求分析，是为保证最终能够提供满足利益攸关者需求的高品质产品，从专业技术角度（包括设计、生产、装配、试验、维护）出发，分析已定义的利益攸关者需求。飞机方暂未提出明确指标需求，根据发动机研制使用目标，识别利益攸关者对发动机总体性能需求共计22项。以下以部分总体性能需求为例进行需求分析研究。

2.1 海平面、标准大气、静止条件下，无飞机引气和功率提取时，最大起飞状态推力

需求类别：性能需求。

需求指标：分析用户的使用场景特点，飞机以适应中国西部高原高温机场起降和复杂航路越障为目标，要求飞机具有较高的起飞性能，其中起飞距离短，要求发动机起飞推力相对较大；且飞机发展目标是基本型、加长型、货运型和公务机型系列发展，对发动机推力覆盖范围要求较高。综合考虑以上两方面因素，本方案发动机起飞推力可在进口动力基础上略加提高。

2.2 无飞机引气和功率提取时，高空巡航状态推力及耗油率

需求类别：性能需求。

需求指标：高空巡航状态为客机长时间使用的工作状态，其推力需满足使用要求，且民航运输机的经济性是重要参数之一，巡航状态追求低耗油率。本方案发动机研制目标是尽快研制出一型产品替代进口动力，受限于核心机性能水平，且为了缩短研制周期，发动机性能优化受限，因此在基本满足飞机使用性能基础上，经济性指标需适当放宽，后续可随着发动机改进改型等发展优化经济性指标。

2.3 地面起动温度及高度范围

需求类别：性能需求。

需求指标：根据飞机进口动力设计指标，发动机在压力高度-610m～4500m之间、环境温度-40℃～55℃之间完成地面起动。本方案地面起动能力不应低于上述要求。以本方案核心机为基础研制的发动机地面起动能力满足飞机使用需求，本方案发动机地面起动能力与之相当，地面起动高度及温度范围初步分析可满足飞机使用需求。

2.4 风扇直径

需求类别：约束条件。

需求指标：本方案发动机以替代原进口动力为目标，应尽量减少发动机外廓尺寸变化。与原进口动力相比，本方案推力指标略高，风扇直径应适当增大。本方案发动机呈尾吊式布局，分别安装在飞机后机身两侧，发动机气流对飞机性能影响相对较小，发动机装机位置不受距地面高度限制，但风扇直径尺寸增大后发动机重量随之增加。综合考虑以上因素与发动机设计水平，本方案发动机论证阶段风扇直径可暂定不大于1450mm。经初步总体性能方案设计，采用1级宽弦风扇，风扇直径1420mm，能够保证足够的风扇进口空气流量，实现起飞状态足够的推力，满足风扇直径限制要求。

2.5 空中起动包线

需求类别：性能需求。

需求指标：原进口动力空中起动包线为：H≤4.6千米，230千米/小时≤V表≤590千米/小时；4.6千米

2.6 海平面、静止条件下，无飞机引气和功率提取时，最大起飞状态推力保持能力

需求类别：性能需求。

需求指标：飞机起降目标使用场景为中国西部高温机场，因此，发动机起飞状态推力保持能力要求相对较高。原进口动力海平面静止条件下最大起飞状态推力保持至ISA+15℃，根据飞机使用环境，分析国内高温机场大气环境温度变化情况，本方案发动机起飞状态推力保持能力应不低于原进口动力。

2.7 海平面、标准大气、静止条件下，无飞机引气和功率提取时，推力瞬变能力

需求类别：性能需求。

需求指标：CCAR33中明确要求“在不超过5秒时间内，保证从固定最小飞行慢车功率控制杆位置的功率或推力增加至95%额定起飞功率或推力。该5秒钟的功率或推力响应必须在仅使用发动机运转所必须的引气和附件载荷的稳定静态下产生。”即在海平面、标准大气、静止条件下，发动机从空中慢车状态加速至95%起飞状态推力的时间不超过5秒。为满足加速性时间要求，总体性能方案设计过程中需考虑慢车状态推力、起飞状态推力、加速过程控制规律等设计内容。

2.8 排放污染物

需求类别：约束条件。

需求指标：CCAR34部34.21条明确规定了新TFJ类发动机气态排出物标准。

“2002年4月19日及其后制造的额定输出等于或大于26.7千牛（6000磅）的每台新的TFJ类航空燃气涡轮发动机排出的气态排出物不得超过：

碳氢化合物：19.6克/千牛额定输出；

一氧化碳：118克/千牛额定输出；

氮氧化合物：（32+1.6）rPR））克/千牛额定输出。”

2.9噪声水平

需求类别：约束条件。

需求指标：CCAR36R1中明确规定了运输类大飞机噪声级标准。本方案发动机与同等推力级别发动机相比，核心机流量相对较大，涵道比相对较小，外涵喷流速度相对较高，发动机噪声级有不满足CCAR36R1要求的风险。在总体技术方案设计过程中需开展风扇、喷管等部件噪声预测及降噪设计。

3 总结

本文以替代民用客机进口动力、满足飞机使用需求为目标，在飞机方暂未提出明确指标需求的情况下，根据发动机研制使用目标，开展了利益攸关者识别及其需求分析，初步分析发动机总体技术方案具有一定可行性与先进性，可满足飞机使用需求。