通过测试,展翅翱翔

作者:Gerrit Sals,性能与测试间工程师,Lufthansa Technik AG,德国Hamburg

喷气发动机测试间仿真帮助LUFTHANSA TECHNIK显著提升喷气发动机性能。通过模拟高度复杂的测试间,工程师可以将结果应用于喷气发动机本身,同时能获得与发动机在工作环境下的各项指标非常接近的测试结果。然后,工程师可以针对发动机的热力学性能进行精心优化,以减少燃油消耗和磨损情况,从而显著节省成本并大幅延长发动机寿命。

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Lufthansa Technik test cell

Test cell partition diagram
测试间被划分为五个模型,通过接口相互连接,可支持复杂模型的仿真。

一架典型商用喷气式飞机的发动机进行一次大修可能花费大约200万美元,因为专家团队要对多达40,000个部件进行检查、维修或更换。飞机每经过2,000至10,000次飞行后,就有必要对发动机进行一次大修。大修的工作范围大相径庭,需要维修或更换的发动机部件千差万别。工作范围非常关键,因为它在很大程度上决定了大修的成本和经过大修之后发动机的性能。Lufthansa Technik正在努力改善发动机的大修过程,其具体做法是:对每台发动机进行非常详细的仿真,以便将具体组件的状况与发动机操作行为之间的关系进行量化。工程师团队与客户密切沟通,利用仿真结果确定准确的工作范围。在这个量身定制的工作范围内,工程师能够提高发动机的热力学性能,减少燃油消耗和磨损情况,从而降低后期的维护成本。此外,仿真信息让工程师极富洞察力,从而充分利用在热力学性能以及成本方面具有重要影响的部件,例如,修理昂贵的涡轮叶片可有效延长运行时间。

直到最近,这些仿真工作都还只是基于在空中或跑道上运行的发动机,而与此形成强烈对比的是,喷气式发动机的诊断与验收测试则在具有明显不同工作条件的测试间中完成。Lufthansa Technik工程师长久以来的愿望是,发动机仿真能够像在喷气发动机测试间中的操作一样。这就需要模拟测试间,以便将结果用于发动机建模。然而,测试间的尺寸巨大、结构复杂,较大的长度和速度范围以及从零到跨音速的气流马赫数等因素决定了仿真工作充满挑战。

Lufthansa Technik工程师最近解决了这些难题,他们对公司的一个测试间进行仿真,并根据物理测试结果对仿真结果进行验证。当工程师团队将测试间仿真结果作为输入进行发动机仿真,工程师就能更好地理解测试间诊断测试的结果,并且更准确地预测不同大修工序对于验收测试的影响。令人高兴的结果是,工程师能够显著改善发动机性能、确定更精准的大修工作范围以及减少后续的成本。

“仿真信息让工程师极富洞察力,有助于实现最长的发动机寿命。”

优化大修过程

Boundary conditions
外边界条件

Lufthansa Technik AG是一家全球领先的飞机维护、维修和大修服务供应商。为了改进发动机效率,同时避免发动机大修过程中不必要的工作,工程师一定要详细了解发动机内部的相互作用。Lufthansa Technik会对重要组件时刻保持监控,以便根据具体状况进行更换。通过准确了解单个组件的状况如何影响发动机的整体表现,工程师得以进一步提升效率。通过建立组件状况与发动机工作性能之间的联系,工程师能够在大修中针对性地解决关键组件问题。

Lufthansa Technik工程师需要进行三个级别的仿真,从而确定组件状况与发动机工作性能之间的因果关联。最高级别是整个发动机的仿真,工程师利用热力学循环商用分析软件确定发动机的一般参数,例如推力、燃油消耗以及排气温度(EGT)。第二级是根据多条平均线方法进行整个发动机的流体仿真。第三级是对发动机各部分进行详细的ANSYS CFX计算流体动力学(CFD)仿真。

最近,Lufthansa Technik工程师开始进一步改善这个流程,他们对 公司的试验装置进行仿真,从而获得发动机仿真的边界条件。95%的情况下,内部边界条件由周期分析导出,而周期分析又是以测试间数据为重要基础。工程师采用测试间3D流场中获得的数据,可仿真具体条件下的行为,例如通过考虑风扇入口气流来确定湿度、雨水和侧风的影响。这样一来,他们就能更好地预测组件条件与测试间性能之间的关系。由于测试间几何结构相当复杂,因此需要将其分成五个模型,通过接口相互连接,以便相邻模型之间能够互相提供边界条件。

通过对测试间进行分区,工程师可以减少模型的复杂性和尺寸,并实现模块化方法,将单独组件装配起来即可方便构建不同的仿真配置。CFX 灵活的通用网格接口(GGI)可帮助实现这种模块化方法。A部分包含测试间的入口和入口分流器;B部分包含导流板;C部分包含测试室、湍流屏、推力试验台、发动机和喷气短管;D部分包含排气管和出口分流器。测试台周围的区域被称为环境,需要单独进行建模。此外,湍流屏和喷气篮分别作为子域被纳入仿真。

测试间建模

Axial velocity simulation
静态条件(上)和侧风条件(下)时测试室内的轴向速度

工程师使用ANSYS网格剖分中的ANSYS ICEM CFD Hexa功能,单独生成每个网格部分。创建网格是这个仿真过程中的最大挑战。在整个网格生成过程中,Lufthansa Technik工程师使用网格诊断和修复工具始终保持高水平的网格质量。A、B、D部分以及环境均生成的是六面体H型网格结构,因为六面体网格能够完美平衡精度与资源要求。此外还可以方便地进行小的修改。另一方面,这个模型最关键的区域C部分则是生成的六面体O型网格结构,从而能够实现最大的精度。接口能有效减少计算时间,因为无需通过B部分中的导流板几何结构传播结构化六面体O型网格。

空气通过入口进入测试间,在通过分流器时加速。导流板使垂直流产生偏转,不会造成显著加速。在下游区域,气流通过湍流屏,导致总压力下降,并且让空气流更均匀。然后,发动机为空气流注入能量,从而增加温度、速度和发动机的总压力。它会导致空气加速绕过发动机,这也被称为喷射器效果。然后,废气通过喷气短管、喷气篮和排气管离开测试间。

Fluid flow simulation
静态条件(上)和侧风条件(下)下通过仿真预测得到的测试间流体流动情况。这有助于工程师更好地理解真实条件下的测试间,以便顺利开展喷气式发动机的大修工作。

工程师将两种不同的环境条件作为边界条件,并对测试进行仿真。第一种条件是假设测试间的入口和出口没有空气运动,第二种条件是假设入口和出口有20m/s的侧风。测试中没有使用不同的风向和风速,但对CFD模型稍作调整以将侧风考虑在内,并利用仿真评估这些调整。只有在侧风仿真时才需要外部边界条件,包括前面的入口,后面的出口,模型左侧、顶部及右侧的开口等。模型的内部出口边界(发动机入口)取决于模型的内部入口边界(发动机出口)。根据发动机排气喷管的静态压力和总温度,上述边界的质量流通过函数进行耦合。该函数由热动力循环分析导出。这种设置方式能提高模型的精度,因为发动机根据测试间的流体条件会相应改变工作点。

验证仿真

Simulated and measured pressure
喷气短管中压力的仿真值与测量值对比结果达到了令人满意的契合度。

为更好地理解测试间的结果,测试间仿真需要确定发动机入口和出口的边界条件。然而,Lufthansa Technik工程师想要验证整个模型,包括预测求解域中任意点的压力和速度,以便将得到的信息用于评估测试间变更方案。验证测试间模型的方法是,将喷气短管中不同点上的静态压力仿真结果与测试间测量值进行比较。仿真结果与测试结果相差无几(四个不同点上从–0.05%至–1.33%)。不过,Lufthansa Technik工程师正着力改善精度方面,具体做法是精细调节喷射篮和更下游区域中的网格。

随后,将测试间模型用作发动机仿真的边界条件;发动机仿真也是确定发动机大修工作范围的重要环节。精确的测试间发动机仿真可帮助工程师进一步提高发动机大修之后的性能,并改善工作范围的确定过程,从而有望大幅节省成本。例如,客户可能会规定大修后的发动机必须在测试间达到特定的EGT。Lufthansa Technik工程师能够更好地评估不同工作范围对测试台上EGT测量值的影响。此外,测试间模型还可用来改进测试间设计,并评估特定测试中不同传感器布局方式的影响。

利用仿真技术,Lufthansa Technik不仅能为客户改进喷气式发动机的性能,还能精细调节内部过程以降低成本。仿真精度不仅降低了风险,同时让公司更具竞争力优势,无往不胜。

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