自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)及壓縮系統(tǒng)構(gòu)型簡析

■ 史文斌 王詠梅 昌皓 / 中國航發(fā)動(dòng)力所

自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)（ACE）可根據(jù)不同任務(wù)需求，通過改變多個(gè)幾何可調(diào)機(jī)構(gòu)位置并采用自適應(yīng)控制技術(shù)，調(diào)節(jié)風(fēng)扇及核心機(jī)的流量和壓比，使發(fā)動(dòng)機(jī)在包線內(nèi)不同速度和高度點(diǎn)獲得最優(yōu)的性能，兼具小涵道比和大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。但與此同時(shí)，ACE存在工作模式多、狀態(tài)轉(zhuǎn)換復(fù)雜和可調(diào)部件多、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)節(jié)范圍寬、可調(diào)變量多等技術(shù)難點(diǎn)，對其壓縮系統(tǒng)的構(gòu)型也提出了更高的要求。

自20世紀(jì)60年代起，美國針對變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（VCE）技術(shù)的發(fā)展制訂了國家層面的一系列長期研究計(jì)劃。在這些計(jì)劃的支持下，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了從追求優(yōu)異性能、到經(jīng)濟(jì)可承受性再到飛發(fā)一體化和熱管理技術(shù)的發(fā)展過程。在這一過程中，GE公司對變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究一直處于領(lǐng)先地位，并且具有很強(qiáng)的代表性。截至目前，GE公司已經(jīng)研究探索了四代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，包括第一代YJ101/VCE驗(yàn)證機(jī)、第二代GE21、第三代YF120和第四代可控壓比發(fā)動(dòng)機(jī)（COPE），以及正在開展的新一代自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)（ACE）（如圖1所示）。

自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理

常規(guī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)過程中，首先要明確主要飛行任務(wù)剖面，而后確定工作點(diǎn)和熱力循環(huán)參數(shù)，兼顧飛機(jī)其他飛行高度和速度的需求。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要熱力循環(huán)參數(shù)如增壓比、涵道比和流量不可調(diào)節(jié)、可調(diào)節(jié)的部件主要是進(jìn)氣道和噴管，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對流量的需求。發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)上工作效率最高，在非設(shè)計(jì)點(diǎn)上效率會(huì)下降。因此，兼顧設(shè)計(jì)點(diǎn)與非設(shè)計(jì)點(diǎn)的工作效率可極大提升發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)的性能。

圖1 美國變循環(huán)技術(shù)研究發(fā)展歷程

早期的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)對象主要是涵道比，針對高速飛行和巡航時(shí)的不同需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)階段性控制，能適應(yīng)的變循環(huán)飛行段有限。理想的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該在亞聲速巡航時(shí)表現(xiàn)出大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)低油耗的特性，在超聲速飛行時(shí)表現(xiàn)出小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)（渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比為0）高單位推力的特性。如GE公司的YF120雙涵道變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對核心機(jī)流量和涵道比的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在雙涵道與單涵道工作模式之間的轉(zhuǎn)換，從而使飛機(jī)在高速飛行/超聲速巡航和高空亞聲速/空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)都能得到滿足要求的性能。

在此基礎(chǔ)上，GE公司在經(jīng)濟(jì)可承受先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(VAATE)計(jì)劃中提出了自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，其特點(diǎn)表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓比和涵道比可調(diào)，這兩個(gè)關(guān)鍵因素將直接影響耗油率和推力。與早期的具有雙涵道的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)增加了第三涵道，用于調(diào)節(jié)涵道比。借助第三涵道，發(fā)動(dòng)機(jī)可在飛機(jī)進(jìn)氣道幾何固定的條件下以亞聲速和超聲速工作，多余的空氣進(jìn)入第三涵道減小飛機(jī)進(jìn)氣道的溢流阻力。自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可以改變空氣流量和單位推力，以適應(yīng)超聲速巡航、跨聲速和亞聲速巡航飛行的需要。

第三涵道是自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特征。在三涵道結(jié)構(gòu)中，內(nèi)涵道和第二涵道可以看作是傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)或類似YF120的雙外涵道變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，而第三涵道是自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。第三涵道的氣流不進(jìn)入核心機(jī)，不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流量大小，改變進(jìn)氣道的出口背壓，控制進(jìn)氣道內(nèi)激波的位置，實(shí)現(xiàn)可調(diào)進(jìn)氣道的功能。第三涵道還可以解決進(jìn)氣道邊界層分離和熱管理上的問題。第三涵道提供的氣流量將根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同任務(wù)階段進(jìn)行控制，通過增加氣流流量提高推進(jìn)效率和節(jié)省燃油，或者通過增加核心氣流提高推力，或者作為冷卻氣流用于燃油冷卻或飛機(jī)系統(tǒng)的散熱。

綜上，自適應(yīng)技術(shù)就是通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)部件的幾何形狀、尺寸和位置來調(diào)節(jié)熱力循環(huán)參數(shù)。變循環(huán)或自適應(yīng)技術(shù)并不對發(fā)動(dòng)機(jī)各部件提出很高的單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，而是要求在變流量、變工況條件下實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪等部件流場的良好匹配，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的技術(shù)提升，實(shí)現(xiàn)各部件的協(xié)調(diào)工作。而自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特征包括以下幾點(diǎn)：具有三涵道或第三外涵道特征；安裝性能好，有利于減小發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的溢流阻力，降低進(jìn)氣道的復(fù)雜性；整個(gè)飛行包線內(nèi)綜合性能最優(yōu)，根據(jù)任務(wù)階段的需要，第三涵道提供額外的質(zhì)量流量提高推進(jìn)效率和燃油效率，增加核心機(jī)流量以獲得更大的推力和冷卻空氣；先進(jìn)熱管理技術(shù)，增強(qiáng)隱身性。

自適應(yīng)壓縮系統(tǒng)構(gòu)型

自適應(yīng)壓縮系統(tǒng)是自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，在結(jié)構(gòu)上具有三涵道或第三外涵道特征。雖然GE 和普惠有各自的自適應(yīng)壓縮方案，但是涉及的關(guān)鍵核心技術(shù)均未公開。根據(jù)公開的報(bào)道和專利，常見的自適應(yīng)壓縮系統(tǒng)的布局形式及其衍生型，按照實(shí)現(xiàn)第三涵道的不同方式可劃分為以下幾種類型。

Advent自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型

GE公司的Advent發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖2所示）的壓縮系統(tǒng)由兩級自適應(yīng)風(fēng)扇、核心驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)組成（壓縮系統(tǒng)流路如圖3所示）。

自適應(yīng)風(fēng)扇由兩級分別帶進(jìn)出口靜子的單級風(fēng)扇組成，是一種“前后分離”的風(fēng)扇布局方案。該自適應(yīng)風(fēng)扇各級進(jìn)出口均有一排葉片，通過后風(fēng)扇靜子幾何調(diào)節(jié)，既可重新調(diào)整兩級風(fēng)扇的負(fù)荷分配從而改變風(fēng)扇的總壓比，又可起到調(diào)節(jié)涵道比的作用。如需實(shí)現(xiàn)更大范圍的涵道比調(diào)節(jié)，可通過在第三外涵道進(jìn)口設(shè)置模式選擇結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，但會(huì)造成較復(fù)雜的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，須對結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和調(diào)節(jié)能力需求進(jìn)行平衡。

圖2 Advent發(fā)動(dòng)機(jī)模型

圖3 Advent自適應(yīng)壓縮系統(tǒng)流路

從噴管結(jié)構(gòu)模型看，第三外涵道的冷氣流圍繞著流經(jīng)渦輪的高溫氣流，在噴管幾何喉道后與高溫氣流摻混排出發(fā)動(dòng)機(jī)，可有效降低排氣溫度，起到抑制紅外信號的作用，提高隱身性能。

總之，Advent發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型具有第三外涵道特征、實(shí)現(xiàn)紅外隱身、可變涵道比和變風(fēng)扇壓比的能力。由于前風(fēng)扇需要承受或?qū)崿F(xiàn)較寬的流量調(diào)節(jié)范圍，才能具備完全消除進(jìn)氣道溢流阻力的能力，因此在全包線內(nèi)能否獲得較優(yōu)的安裝性能還存在不確定性。

帶有葉尖風(fēng)扇的自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)

GE公司在2003—2005年申請了大量葉尖風(fēng)扇（Fan on blade，F(xiàn)lade）專利，從相關(guān)資料來看，帶有葉尖風(fēng)扇的自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型（如圖4所示）是GE公司發(fā)展的一個(gè)重要方向。這種構(gòu)型的壓縮系統(tǒng)由兩級自適應(yīng)風(fēng)扇、核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇（CDFS）、高壓壓氣機(jī)和有別于其他構(gòu)型的葉尖風(fēng)扇組成（流路如圖5所示）。

亞聲速巡航時(shí)，自適應(yīng)風(fēng)扇調(diào)整導(dǎo)流葉片（IGV）至全開位置，使葉尖風(fēng)扇涵道（第三外涵道）打開，吸入進(jìn)氣道溢流，減小飛機(jī)溢流阻力；葉尖風(fēng)扇涵道可以吸入進(jìn)氣道邊界層氣流，提高核心機(jī)進(jìn)氣氣流品質(zhì)；葉尖風(fēng)扇涵道氣流可參與熱端部件冷卻，改善發(fā)動(dòng)機(jī)紅外隱身性能。在地面起飛和超聲速巡航時(shí)，通過調(diào)整IGV的角度，使葉尖風(fēng)扇涵道關(guān)閉，獲得較大的推力。

葉尖風(fēng)扇涵道獨(dú)立可調(diào)，其氣流流動(dòng)與主流之間基本無太大干涉，主要受葉尖風(fēng)扇級的葉尖切線速度影響。由于葉尖風(fēng)扇葉尖切線速度的限制，整個(gè)低壓軸轉(zhuǎn)速受限，為保證一定的風(fēng)扇壓比，主風(fēng)扇的級數(shù)不會(huì)很少或者主風(fēng)扇的級數(shù)較少但級負(fù)荷較高。葉尖風(fēng)扇外涵流量調(diào)節(jié)方式可以采用一排或兩排葉片調(diào)節(jié)或涵道出口可調(diào)面積噴管實(shí)現(xiàn)。可調(diào)葉排數(shù)須從氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面來考慮，若采用可變彎度導(dǎo)流葉片（VIGV）或IGV，須從氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)平衡考慮流路的設(shè)計(jì)，可調(diào)葉排越多需要的可調(diào)機(jī)構(gòu)也越多。

圖4 帶有葉尖風(fēng)扇的自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)

圖5 葉尖風(fēng)扇特征的自適應(yīng)壓縮系統(tǒng)流路

葉尖風(fēng)扇涵道氣流可有不同的排出方式。一是分排模式，氣流經(jīng)過葉尖風(fēng)扇增壓后直接排入大氣產(chǎn)生推力；二是外混排模式，在第三外涵道出口設(shè)置涵道引射器使氣流與內(nèi)涵氣流摻混，降低內(nèi)涵氣流外圍的紅外信號（與摻混位置有關(guān)）；三是內(nèi)混排模式，氣流經(jīng)過葉尖風(fēng)扇增壓后，通過渦輪后支板流入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵尾錐，在內(nèi)部高速噴出與內(nèi)涵混合，減小紅外信號。若追求隱身性，比較理想的選擇是同時(shí)采取后兩種模式，此時(shí)，第三外涵道產(chǎn)生的推力相對較小。

主風(fēng)扇通常采用常規(guī)風(fēng)扇或?qū)D(zhuǎn)風(fēng)扇方案。常規(guī)主風(fēng)扇的技術(shù)比較成熟，但與葉尖風(fēng)扇結(jié)合會(huì)帶來質(zhì)量大幅增加、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜的問題。若采用對轉(zhuǎn)主風(fēng)扇，可以減輕質(zhì)量，但存在氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。無論采用哪種主風(fēng)扇，為滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求需要增加主風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的厚度，而質(zhì)量會(huì)進(jìn)一步增大。

主風(fēng)扇進(jìn)口是否設(shè)置VIGV，與發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求有關(guān)。若設(shè)置VIGV，主風(fēng)扇在中低轉(zhuǎn)速可以獲得較好的穩(wěn)定工作裕度，同時(shí)也可作為承力框架在第三外涵道設(shè)計(jì)支板與進(jìn)氣機(jī)匣VIGV相連，這樣必然增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，在氣動(dòng)損失可控的情況下，能夠獲得氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)的平衡。

圖6 GE公司下一代自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)和分流結(jié)構(gòu)

總之，葉尖風(fēng)扇自適應(yīng)布局形式具有第三外涵道特征、較好的紅外隱身、可變涵道比和寬廣的流量調(diào)節(jié)能力。但由于葉尖風(fēng)扇轉(zhuǎn)子位于主風(fēng)扇外側(cè)尺寸較大，整體工作在高切線速度下，激波將貫穿整個(gè)葉高，帶來嚴(yán)重的強(qiáng)度問題和氣動(dòng)損失。同時(shí)，由于葉尖風(fēng)扇涵道氣流排出模式的差異，在部分工況下可能僅產(chǎn)生較小的推力，主要實(shí)現(xiàn)涵道比的調(diào)節(jié)、消除溢流阻力和抑制紅外信號的作用。對戰(zhàn)斗機(jī)而言，葉尖風(fēng)扇經(jīng)常作為負(fù)擔(dān)而存在。因此，須綜合考慮全飛行包線內(nèi)的收益和代價(jià)來取舍葉尖風(fēng)扇的布局形式。

GE下一代自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)

GE公司公開的下一代自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的資料顯示，該發(fā)動(dòng)機(jī)主要由3級風(fēng)扇、7級高壓壓氣機(jī)、2級高壓渦輪和2級低壓渦輪組成（如圖6所示）。需要注意的是，這種構(gòu)型無核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，同時(shí)高低壓渦輪級數(shù)均為兩級，說明風(fēng)扇和壓氣機(jī)的總增壓比高。

其壓縮系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是，第三級風(fēng)扇轉(zhuǎn)靜子均放置于下壓流路，3個(gè)涵道的分流分別在2級靜子和3級轉(zhuǎn)子后完成，3級風(fēng)扇與下游中介機(jī)匣的過渡非常緊湊，分流環(huán)已延伸到第三級靜子前緣，在第三涵道和第二涵道進(jìn)口處未發(fā)現(xiàn)類似模式選擇閥的結(jié)構(gòu)（如圖7所示）。該布局形式與常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，增加了一個(gè)涵道，在如此緊湊的結(jié)構(gòu)布局下，可采用多套靜子聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)或后涵道引射器，實(shí)現(xiàn)3個(gè)涵道變流量和變壓比的主動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

圖8 GE公司下一代自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式

據(jù)GE公司官方網(wǎng)站介紹，該型自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)有高推力和高效率兩個(gè)主要工作模式（如圖8所示）。在高推力模式下，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣大部分流經(jīng)核心機(jī)和第二涵道，用以產(chǎn)生更大推力，幫助飛行員高效執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)；在高效率模式下，增加第三涵道的流量以大幅降低燃油消耗，增加飛行距離。

結(jié)束語

自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)屬于新一代變循環(huán)技術(shù)，三涵道結(jié)構(gòu)是其主要特征，也是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能最優(yōu)、先進(jìn)熱管理技術(shù)等功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在實(shí)現(xiàn)第三涵道的作用上，3種常見的自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)構(gòu)型各有優(yōu)缺點(diǎn)，技術(shù)可行的自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)的構(gòu)型仍需要進(jìn)行深入研究。