航空公司运营经济性对飞机动力装置设计的影响

航空公司运营经济性对飞机动力装置设计的影响

郎　振¹　唐洪刚¹　王　鹏¹　郑　晨¹

（1．上海飞机设计研究院动力燃油系统设计研究部，上海　200235）

摘要：当前燃油价格的飞涨对航空公司的运营成本产生了剧烈的冲击，由此引发的航空公司运营对经济性的要求给飞机动力装置设计产生了深刻的影响。为了改善燃油消耗性能和维修性，本文对飞机动力装置在设计上所采用的新技术和受到的影响进行了研究。关键词：经济性；涵道比；耗油率；排放污染；噪声污染

Effect of Airline Operating Economics on the Design of Powerplant

Lang Zhen¹ Tang Honggang¹ Wang Peng¹ Zheng Chen¹

(1.Powerplant and Fuel Systems Department,Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai 200235)

Abstract:The sfc of the Jet engines make a great impact on Airlines,and affect the design of modern powerplant system of aircraft.In the paper,the effect of powerplant system on the economics requirements by Airlines is investigated.

Key words:Economy Analysis;sfc;Estimation Methodology

现代飞机的动力装置系统的设计中，经济性因素在飞机设计决策时越来越受到飞机科研工作者的重视。优良的飞机应当具备优异的经济性，飞机动力装置系统的设计的经济性核心指标是耗油率（sfc），以及相应的维修性和可靠性。

1　当前航空公司运营经济性的背景

自2001年以来的航空运输呈现出以下正面发展：

劳动生产率上升65%；

分销成本下降30%；

非燃油成本下降18%。

（以上数据来源，国际航空运输协会IATA）

从近30年的趋势来看，燃油价格一直呈上升趋势，自2003年以来燃油价格的飞涨迅速地抵消了上述的航空公司的正面影响：

2001年航空业燃油消耗430亿美元，占运营成本的13%；

2007年航空业燃油消耗1 360亿美元，占运营成本的29%；

2008年航空业燃油消耗约1 860亿美元，占运营成本的约36%；

2009年航空业燃油消耗约2 330亿美元，占运营成本的约40%。

（以上数据来源，国际航空运输协会IATA）

以2005年和2008年的航空公司直接现金运营成本作比较，由于燃油消耗已成为影响航空公司运营经济性的头号因素，航空公司运营经济性首先要考虑的是燃油消耗问题，对飞机动力装置设计而言，最主要影响是对发动机燃油消耗率提出了新的需求。

2　经济性对动力装置系统设计的影响

由于燃油价格飞涨而导致的严峻问题，飞机动力装置系统设计受到了航空公司运营经济性的巨大影响，新一代的飞机发动机必须以优异的耗油率来满足未来航空公司运营的需求（见图1），必须是能较目前运营中的同级别飞机所配置的最先进发动机的耗油率降低10%～15%，并同时保持相当高的可靠性，维修性，还要将重量控制在一个合理范围内。

图1　航空发动机sfc的变化趋势

2．1　经济性对飞机动力装置操纵及控制系统的影响

当前先进航空发动机普遍采用全权限数字电子控制（FADEC）系统和电传操纵的油门台来对发动机进行操纵，这样使得控制响应速度快，调节精度高，能够更灵活更充分地发挥发动机的潜力，并有效地改善燃油消耗。

2．1．1　经济性对飞机动力装置操纵系统的影响

早期的飞机动力装置操纵系统采用的是油门杆组件拉动钢索后通过一系列的机械液压器件操纵发动机。这种传统的机械液压式控制系统重量大、精度差，而且维修复杂。新一代的动力装置操控系统采用的是集成了燃油控制开关、导光板的一体化油门台，能够提供给发动机的FADEC推力控制命令，完成发动机的正向和反向推力控制，而燃油控制开关提供离散信号给飞机系统用于发动机燃油控制。

油门台依据驾驶舱操纵理念的不同，有两种类型：非随动式油门台（见图2），随动式油门台（见图3），从当前情况看，随动式油门台的应用更为广泛。

图2　A380上的非随动式油门台

图3　B787上的随动式油门台

新一代油门台设计应具有手动操作和自动油门操作的功能。在手动操作模式下，正推力杆和反推力杆将由飞行员根据飞机的推力需求进行手动操作。自动油门只能应用于正推力控制，而不能控制反推力杆的移动。在自动油门的模式下，如果油门台有随动功能，则油门台的每一个推力杆都有独立的闭环自动油门伺服机构接收来自飞机ARINC429总线信号。当自动油门接通时，推力杆将随着飞机的自动油门速率控制指令自动移动到对应的位置；如果油门台没有随动功能，推力杆不会根据自动油门的控制命令而自动移动位置。

现代油门台的设计须包含以下组成部分：两个正推力杆组件；两个反推力杆组件；具备随动功能的自动油门装置（随动式油门台特有）；两个燃油控制开关；自动油门断开按钮以及起飞/复飞等按钮；一体化导光板。

现代油门台设计必须满足维修性要求，结构布局良好，便于维修和维护，油门台须设计成为航线可更换件（LRU），当由一个手持普通标准工具的熟练工人进行更换时，更换时间能控制在20分钟之内。

现代油门台同时必须具备较高的可靠性，平均无故障间隔MTBF的值为应达到10 000飞行小时以上。

经济性对飞机动力装置操纵器件的影响主要体现在：采用一体化设计的电传操纵的油门台为发动机全权控制提供支持；采用一体化LRU设计有效地改善维修性和可靠性。

2．1．2　经济性对飞机动力装置控制系统的影响

传统的液压机械调节系统的动力装置控制系统已经难以满足飞机对耗油率（sfc）的要求，采用发动机全权控制系统可显著地改善耗油率。电传操纵的发动机全权控制系统相较于液压机械调节系统的优点体现在高响应速度、高调节精度，使发动机控制更加灵活，在同等条件下可以增加发动机推力，同时整体上重量更轻，维修便捷，可靠性高。

为了实现对发动机推力控制的高精度、高灵活性、高响应速度，以提高耗油性能和维修性及适应性，现代发动机的控制系统设计概述如下：

采用最新一代的双通道全权限数字电子控制器（FADEC），实现发动机推力管理、反推力控制、过渡态控制、变几何控制、起动/点火/停车控制、超温和超速保护、驾驶舱指示和告警、发动机状态监控、故障诊断、限时派遣、软件可现场加载等功能，同时能综合传统的发动机振动监控功能（如有条件下可综合进先进的发动机健康管理系统功能）。

全权限数字式发动机控制器根据油门杆指令和飞机飞行条件给燃油计量装置提供燃油控制规律，燃油流量控制根据N1转速变化率制定。

经济性对飞机动力装置控制系统设计的影响，最主要体现在以下几个方面：

飞机动力装置控制系统要采用以N1物理转速为控制参数，按照N1物理转速控制规律给定推力值，这种方式控制精度高，有利于精确控制所需推力，从而改善油耗。

飞机动力装置控制系统的内部控制逻辑要采用极其科学合理的算法以提高运算能力，提高响应速度和控制精度，以利于燃油规律的控制更加精准而改善油耗。

飞机动力装置控制系统应采用闭环控制，以提高控制精度。

飞机动力装置控制系统的推力管理模式要能够集成不同的推力模式，使得飞机在不同航线的不同飞行剖面内的各个阶段都能将推力控制得以优化，使得最推力控制更加合理，油耗控制更优；飞机动力装置控制系统的推力管理模式同时要设计成具有精确的减推力起飞功能，以保证飞机能以最经济的起飞推力起飞。

飞机动力装置控制系统须设计成采用可调放气阀门技术，能够调节低压压气机的放气量，使得在不同工作状态下发动机得到最佳的低压压气机压比，从而改善非设计点的油耗。

2．2　经济性对动力装置健康管理系统设计的影响

为了达到降低发动机维护成本和燃油消耗率，提高飞机的派遣率和可靠性，以及优化发动机性能的目的，发动机健康管理系统应设计成能够通过分析每个航段发动机的各个部件的性能趋势，得出发动机性能趋势和故障报告供发动机制造商和航空公司维护发动机使用。

2．3　经济性对动力装置系统发动机本体设计的影响

为了改善燃油经济性，飞机设计重点是需从发动机设计上发掘潜力，以B787飞机为例，与现役同级别飞机相比油耗降低20%，其中发动机油耗降低的影响约占8%。

为了改善发动机油耗，发动机本体设计在以下面受到了重大影响：

提高涵道比。降低发动机耗油率的最直接方法是提高涵道比，相较于代表20世纪60年代技术CF6的涵道比为4．31～5．9，代表20世纪七八十年代技术的CFM56系列的涵道比为5．1～6．6，代表20世纪90年代技术的GE90的涵道比为8．4，而当前最新一代的发动机已接近11。

加大风扇尺寸，目前最新一代的发动机风扇直径已接近2m，采用宽弦扫掠风扇叶片的先进气动降噪设计，风扇机匣内壁进行降噪处理，风扇转子叶片和风扇机匣均采用三维编织树脂压模复合材料制造，以控制风扇直径，使提高涵道比的限制得以缓解。与传统的钛合金风扇叶片相比，三维编织树脂压模技术可减轻风扇叶片重量，进而使得风扇轮盘、风扇机匣、风扇结构等的重量随之减轻。

高压压气机气动设计上采用先进的全三维非定常设计技术来提高效率。

积极采用新材料，新工艺，以更合理的设计严苛控制重量。

2．4　经济性对动力装置吊挂和短舱设计的影响

为了改善燃油经济性，飞机设计中除高标准地严苛要求在动力装置的设计中降低耗油率并严格控制其重量外，对动力装置的吊挂和短舱外形设计减阻减重也提出了高要求。

受此影响，飞机的动力装置安装可采用吊挂和短舱于采用全新的推进系统一体化（integrated propulsion system）设计理念来实现减阻减重的目的。

采用全新的推进系统一体化设计理念，并选用了新的发动机、短舱，所以对吊挂结构而言，需要采用全新的结构形式。推进器的一体化设计贡献的油耗降低中，一半的油耗降低贡献是直接由吊挂设计创造的。新型的IPS挂架形式，吊挂可采用六面体盒装设计或四面体盒装设计，宽度相对于传统挂架增加两成；系统布置不同于传统吊挂，所有的系统管路全部布置在挂架结构件外，挂架后缘由发动机内涵道直接斜拉连接到机翼上，简化挂架结构，减小挂架摩擦面积，以达到相当可观的减阻效果，并同时保证了飞机良好的力矩、抖振、低速等特性。

推进器的一体化设计还需要同时配以与传统的“D-Duct”不同的全新的“O-Duct”飞机反推力短舱结构。与传统的、通过铰链与吊挂相连不同，“O-Duct”反推力结构与吊挂相连采用的是滑轨的形式，同时作为整体“O”形结构，取消了下侧中间的锁扣装置。“O-Duct”飞机反推力短舱的阻气门的运动机构中与传统结构相比，阻力杆不再暴露在外涵道气流中，从而能得到更好的气动性能，同时由于去掉了下侧分墙结构，使得外涵道里的气动阻力更小，减少了气压损失，并减少了重量。

采用先进CFD方法，通过对机翼/发动机一体化设计、发动机安装位置优化、吊挂设计，综合平衡高低速特性、力矩特性、分离特性等因素，使得机翼、吊挂/发动机一体化气动设计能达到与相同级别同类机型相当的气动特性，并能够取得相当可观的同比减阻效果。

2．5　经济性对动力装置排放设计的影响

为了控制发动机排放对环境造成的影响，国际民航组织（ICAO）的航空环境保护委员会（CAEP）制定了民用飞机污染排放的条款。2008年，ICAO标准修订在CAEP4的基础上把NO_x的排放量降低了12%，为CAEP6阶段。由于国际上，特别是欧共体国家对排放的规定更为严格，对超标排放征收罚款乃至禁止该型飞机过境，排放对航空公司已经成为一个很现实经济性问题。当前新一代飞机对动力装置的要求全部排放需满足CAEP6并留有约一半的裕度。

为了有效改善排放，飞机动力装置系统的设计就需要采用更先进的技术，比如第二代双环预混旋流（TAPS II）燃烧室及预旋雾化贫油燃烧等技术，使得NO_x排放能满足比CAEP6降低五成的严苛要求。

3　结论

燃油价格的飞涨对航空公司的运营成本产生了剧烈的冲击，使得飞机动力装置系统设计的各方面都受到航空公司运营经济性的深刻影响。飞机动力装置系统的设计在将来的设计中可以在选用电传操纵；发动机全权控制；具有高涵道比高效燃烧室的高性能发动机；推进器的一体化设计等新技术的基础上，贯彻以降低燃油消耗率为核心的经济性设计理念，并在高可靠性、高维修性和重量中寻求最佳平衡点。

参考文献

[1] 赵坚行.民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势[C].中国航空学会2007年学术年会,2007.

[2] Benzakien M J.GEAE Propulsion Vision for the 21st Century[C].北京:航空百年高层学术论坛论文集,2003.

[3] Mongia H C.TAPS-A4th Generation Propulsion Combustor Technology for Low Emissions[J].AIAA,2003:2003-2657.

[4] 赵坚行.动力装置的排气污染与噪声[M].北京:科学出版社,1995.