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。
图1 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
优化大修过程
图2 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。