新構(gòu)型高質(zhì)量多模態(tài)渦噴推進系統(tǒng)方案*

■ 盧娟 張翠珍 袁善虎 牟園偉 陳健 劉鋒 王奉明/ 中國航發(fā)研究院

質(zhì)量是航空發(fā)動機發(fā)展永恒的主題,貫穿于發(fā)動機全生命周期，而在設(shè)計階段尤為重要。通過簡化變循環(huán)發(fā)動機結(jié)構(gòu)形式，采用全新的高推力、低油耗、變循環(huán)、高質(zhì)量的多模態(tài)推進系統(tǒng)方案，可提升未來先進變循環(huán)發(fā)動機質(zhì)量可靠性，支持未來飛機“短時加速沖刺、長時閑庭信步”。

從提升裝備作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)質(zhì)量角度出發(fā)，未來戰(zhàn)斗機一方面需要具備遠航久航的能力，才能飛得更遠，實現(xiàn)將拒止區(qū)外延；另一方面需要具有超聲速巡航能力，才能飛得更快，在遇敵情時能快速抵達及敏捷機動作戰(zhàn)；與此同時還需要具備大功率提取能力，以支撐機載高能武器的能量需求。戰(zhàn)斗機上述能力的實現(xiàn)，需要推進系統(tǒng)朝提高高速飛行推力、降低低速巡航耗油率、同時具備寬飛行包線穩(wěn)定工作能力的技術(shù)方向發(fā)展。而對于固定幾何形狀的發(fā)動機而言，高推力與低油耗通常是一對設(shè)計矛盾，無法同時兼顧，正是在這樣的技術(shù)發(fā)展趨勢推動下，變循環(huán)發(fā)動機的概念應(yīng)運而生，對航空發(fā)動機的發(fā)展具有非常重要的意義，對發(fā)動機智能化發(fā)展起到了推進作用。

項目研究

變循環(huán)發(fā)動機可在一臺發(fā)動機上，通過改變發(fā)動機一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，實現(xiàn)不同的熱力循環(huán)，使得發(fā)動機在整個飛行過程中兼顧不同類型發(fā)動機的特點，發(fā)揮發(fā)動機最大潛能。目前變循環(huán)主流技術(shù)方案大多采用多涵道調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)發(fā)動機工作循環(huán)的改變，但與此同時，由于引入眾多調(diào)節(jié)機構(gòu)，導(dǎo)致發(fā)動機結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，工程實現(xiàn)難度大且可靠性難以保證，并且附加的系統(tǒng)質(zhì)量使性能收益大打折扣，這也正是美國F-22 戰(zhàn)斗機在動力選型中選擇了固定循環(huán)的F119發(fā)動機，而放棄變循環(huán)的F120 發(fā)動機的一個重要考量因素。

創(chuàng)新團隊面向未來航空發(fā)動機研制需求，立足簡化變循環(huán)結(jié)構(gòu)形式，開展了面向質(zhì)量的航空發(fā)動機創(chuàng)新研究，提出了一種兼顧高推力與低油耗的高質(zhì)量、變循環(huán)多模態(tài)推進系統(tǒng)。

方案提出

針對傳統(tǒng)構(gòu)型的航空發(fā)動機安裝推力部分區(qū)域損失較大(局部區(qū)域高達20%～30%)，而三涵道自適應(yīng)發(fā)動機結(jié)構(gòu)又過于復(fù)雜且工程可實現(xiàn)性差的問題，創(chuàng)新團隊提出如下思路：一是將視角從單純發(fā)動機擴展到整個推進系統(tǒng)，力求實現(xiàn)較低的全速域安裝損失；二是使發(fā)動機工作模態(tài)更加豐富化，高速飛行時以大推力模態(tài)工作，低速飛行以低油耗模態(tài)工作，力求降低全域飛行耗油率；三是在滿足性能、功能的同時使結(jié)構(gòu)盡量簡化，力求收益付出比最大。

由發(fā)動機工作原理可知，壓比變化是實現(xiàn)發(fā)動機變循環(huán)功能的重要基礎(chǔ)。本方案打破傳統(tǒng)發(fā)動機都是靜子可調(diào)的調(diào)節(jié)方式，提出采用轉(zhuǎn)子葉片可調(diào)的設(shè)計思路，如圖1所示意，實現(xiàn)了風(fēng)扇壓比調(diào)節(jié)范圍可達（1.0～1.4）∶1。

圖1 轉(zhuǎn)子葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)示意[1]

通過轉(zhuǎn)子葉片角度的調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)發(fā)動機壓比改變。但與此同時，由于壓比變化改變了發(fā)動機的抽吸能力，導(dǎo)致流量最佳匹配關(guān)系被破壞，帶來溢流損失。為此，通過設(shè)置溢流減阻通道，采用進氣錐、前后流量調(diào)節(jié)閥、可調(diào)幾何部件等聯(lián)合調(diào)節(jié)，實現(xiàn)進氣道與主機流量智能匹配控制，解決了溢流問題，降低了全包線安裝推力損失，實現(xiàn)了寬速域高效推進。根據(jù)飛行狀態(tài)不同，通過轉(zhuǎn)子葉片角度調(diào)節(jié)可實現(xiàn)推進系統(tǒng)總壓比在（1.0～1.4）∶1、涵道比在地面（0.2～0.9）∶1、在空中（0.6～1.3）∶1范圍內(nèi)可調(diào)，兼顧了高速大推力與低速低油耗兩種工作模態(tài)。

創(chuàng)新效能

創(chuàng)新團隊以轉(zhuǎn)子葉片可調(diào)為核心創(chuàng)新點，通過智能感知作戰(zhàn)任務(wù)需求的控制算法與匹配規(guī)律，將發(fā)動機巡航省油工作模態(tài)與機動作戰(zhàn)大推力工作模態(tài)耦合，同時采用進氣道與發(fā)動機流量智能匹配與調(diào)節(jié)技術(shù)控制安裝推力損失，可實現(xiàn)發(fā)動機高效提供匹配作戰(zhàn)任務(wù)的最佳推力和油耗，將高效工作區(qū)間進行大幅度拓展，如圖2所示。

圖2 高效工作區(qū)間拓展示意

本項目提出的大推力與低油耗工作模態(tài)“合體”的新構(gòu)型，可支持未來飛機“短時加速沖刺、長時閑庭信步”作戰(zhàn)效能的實現(xiàn)，項目創(chuàng)新點主要有兩個：一是采用轉(zhuǎn)子葉片可調(diào)實現(xiàn)了壓比可變，進而實現(xiàn)發(fā)動機多工作模態(tài)智能耦合，兼顧機動作戰(zhàn)大推力、待戰(zhàn)巡航低油耗；二是提出了最佳有效推力智能尋優(yōu)策略，采用進氣道流量與主機流量聯(lián)合調(diào)節(jié)，避免溢流，實現(xiàn)了寬域飛行低安裝推力損失。

對比美國的三涵道自適應(yīng)發(fā)動機，團隊提出的新構(gòu)型多模態(tài)推進系統(tǒng)在功能上與其相當(dāng)，涵道比實現(xiàn)了大范圍可變，全域耗油率降低了12%，有效地提升了發(fā)動機工作品質(zhì)。此外，在構(gòu)型上也具有明顯優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)大為簡化，發(fā)動機固有可靠性得到提高，本方案的具體構(gòu)型優(yōu)勢體現(xiàn)為：一是省去第三涵道，徑向尺寸更為緊湊；二是采用進氣道與發(fā)動機聯(lián)合調(diào)節(jié)，簡化了控制邏輯與作動機構(gòu)；三是幾何調(diào)節(jié)變量較美國三涵道方案由11個減少為7個，變量數(shù)降低36%；四是省去核心機驅(qū)動風(fēng)扇，核心機結(jié)構(gòu)相對簡單；五是省去涵道風(fēng)扇，避免了封嚴等問題。

目前，創(chuàng)新團隊先后開展了概念探索、總體匹配及部分關(guān)鍵技術(shù)研究，積累了一定研究基礎(chǔ)，但總體而言技術(shù)成熟度偏低。為助推創(chuàng)新概念落地，進一步促進技術(shù)成熟度提升，后續(xù)擬選取成熟的渦扇發(fā)動機為驗證平臺，開展原理技術(shù)驗證方案研究及對關(guān)鍵零部件進行功能演示驗證，為后續(xù)開展驗證機設(shè)計提供技術(shù)支撐。

結(jié)束語

高推重比、多用途、經(jīng)濟適用性是航空發(fā)動機發(fā)展的必然趨勢，大力發(fā)展變循環(huán)/自適應(yīng)發(fā)動機技術(shù)是應(yīng)對未來航空動力發(fā)展需求的必由之路。創(chuàng)新團隊提出的新型高效多模態(tài)推進系統(tǒng)，在兼顧提升飛機遠航久航、機動作戰(zhàn)能力的同時，可降低全域安裝推力損失及耗油率，屬“原創(chuàng)類”概念，相關(guān)創(chuàng)新研究促進了航空動力自主創(chuàng)新發(fā)展，為未來航空發(fā)動機發(fā)展貢獻出中國智慧提供了一種中國方案。