■ 王子堯 董芃呈 / 中國航發(fā)研究院

變循環(huán)發(fā)動機(jī)主要通過對氣流的合理分配與各部件的協(xié)同工作改變發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)模式。因此，部件協(xié)同是變循環(huán)發(fā)動機(jī)實現(xiàn)預(yù)定功能的基礎(chǔ)，而具備改變自身工作狀態(tài)能力的部件在其中起著至關(guān)重要的作用，是變循環(huán)發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件。

隨著未來作戰(zhàn)任務(wù)復(fù)雜性的不斷提高與飛行包線的不斷拓展，航空發(fā)動機(jī)要具備多種動力功能，可根據(jù)任務(wù)主動調(diào)節(jié)自身工作狀態(tài)，實現(xiàn)動力模式靈活切換，并且在全飛行包線內(nèi)具有最佳的綜合推進(jìn)效率。為了適應(yīng)復(fù)雜多變?nèi)蝿?wù)需求，變循環(huán)發(fā)動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生（如圖1所示），它通過調(diào)整發(fā)動機(jī)一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，改變發(fā)動機(jī)循環(huán)參數(shù)，實現(xiàn)不同特征的熱力循環(huán)。發(fā)動機(jī)的調(diào)節(jié)變量越多、熱力循環(huán)參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍越大，發(fā)動機(jī)工作模式變化就越靈活，極大地增強(qiáng)了發(fā)動機(jī)對復(fù)雜多變?nèi)蝿?wù)的適應(yīng)能力。

圖1 變循環(huán)發(fā)動機(jī)示意圖

變循環(huán)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件方案概況

變循環(huán)發(fā)動機(jī)的相關(guān)研究起步于20世紀(jì)70 年代，經(jīng)過40 余年的積累已逐步形成多樣化方案，促進(jìn)了變循環(huán)發(fā)動機(jī)的技術(shù)發(fā)展。表1 匯總了典型變循環(huán)發(fā)動機(jī)方案的相關(guān)專利，從中可以看出，以GE 航空集團(tuán)、美國國家航空航天局（NASA）、羅羅公司、雷神技術(shù)公司（RTX）等為代表的美歐航空界提出了基于不同關(guān)鍵部件的變循環(huán)發(fā)動機(jī)方案。變循環(huán)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件主要包括核心機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇（CDFS）、風(fēng)扇葉尖風(fēng)扇（Flade）、渦輪葉尖風(fēng)扇、輔助渦輪系統(tǒng)、外涵道燃燒室、中壓渦輪導(dǎo)葉等。關(guān)鍵部件方案類型多、分布廣，從低壓系統(tǒng)（如Flade）到高壓系統(tǒng)（如CDFS），從壓縮部件（如可變風(fēng)扇系統(tǒng)）、渦輪（如輔助渦輪系統(tǒng)）到燃燒室（如外涵道燃燒室），遍布發(fā)動機(jī)整機(jī)范圍。在眾多關(guān)鍵部件方案中，出現(xiàn)頻率較高的方案按照功能特征可大致歸納為可變風(fēng)扇系統(tǒng)、Flade 與渦輪葉尖風(fēng)扇。

可變風(fēng)扇系統(tǒng)

變循環(huán)發(fā)動機(jī)與常規(guī)渦扇發(fā)動機(jī)一個最顯著的區(qū)別：變循環(huán)發(fā)動機(jī)將風(fēng)扇分成前、后兩個部分，前段風(fēng)扇位于低壓軸上，后段風(fēng)扇位于低壓軸或高壓軸上，兩段風(fēng)扇組成可變風(fēng)扇系統(tǒng)；可變風(fēng)扇系統(tǒng)配合后段風(fēng)扇機(jī)匣以及模式選擇閥、前涵道引射器等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，形成發(fā)動機(jī)雙外涵構(gòu)型，即前、后兩段風(fēng)扇有各自的出口涵道，并帶有可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉，可在寬廣的飛行范圍內(nèi)更好地控制各涵道的空氣流量。按照后段風(fēng)扇的驅(qū)動方式，可變風(fēng)扇系統(tǒng)可分為低壓軸驅(qū)動可變風(fēng)扇與高壓軸驅(qū)動可變風(fēng)扇。

表1 變循環(huán)發(fā)動機(jī)方案相關(guān)專利

圖2 低壓軸驅(qū)動可變風(fēng)扇系統(tǒng)方案

低壓軸驅(qū)動可變風(fēng)扇

以一種低壓軸驅(qū)動可變風(fēng)扇的構(gòu)型為例（如圖2所示），前、后兩段風(fēng)扇均連接在低壓軸上，前段風(fēng)扇出口具有第二外涵道，后段風(fēng)扇出口具有第一外涵道與內(nèi)涵道。由于兩段風(fēng)扇均由低壓軸驅(qū)動，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可保持在較低的水平，易于滿足風(fēng)扇轉(zhuǎn)子強(qiáng)度限制，便于進(jìn)一步改型設(shè)計。

高壓軸驅(qū)動可變風(fēng)扇

后段風(fēng)扇位于高壓軸上的方案即CDFS（如圖3所示），其基本功能與低壓軸驅(qū)動風(fēng)扇一致，只是驅(qū)動方式不同。由于采用高壓軸驅(qū)動，該方案更有利于充分利用高壓渦輪的做功能力及發(fā)動機(jī)整體的能量匹配。然而，CDFS與高壓壓氣機(jī)同在高壓軸上，CDFS實際上等效于高壓壓氣機(jī)的一部分，由于二者高度耦合，使得CDFS的控制規(guī)律更為復(fù)雜，設(shè)計難度較高。

風(fēng)扇葉尖風(fēng)扇

Flade是在可變風(fēng)扇系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出的一類可調(diào)部件。在典型雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)布局基礎(chǔ)上，從風(fēng)扇向外延伸出一個單獨流道，并且采用一個連接在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片上的風(fēng)扇級，即Flade。Flade有單獨可調(diào)靜子，可獨立改變進(jìn)入風(fēng)扇和核心機(jī)的空氣流量和壓比，使得發(fā)動機(jī)循環(huán)變化范圍進(jìn)一步拓展，并且減少了在亞聲速和超聲速工作時可能產(chǎn)生的過大的溢流阻力，從而改善發(fā)動機(jī)的安裝性能。然而，F(xiàn)lade與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片相連，其徑向位置及葉片安裝會引起應(yīng)力提升，使得其轉(zhuǎn)速受到Flade轉(zhuǎn)子強(qiáng)度限制。根據(jù)Flade在發(fā)動機(jī)可變風(fēng)扇系統(tǒng)中的設(shè)置位置，可分為前置Flade與后置Flade兩種類型。

圖3 一種自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)構(gòu)型

前置Flade

前置Flade是自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)區(qū)別于其上一代變循環(huán)發(fā)動機(jī)最鮮明的標(biāo)志。自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)基于Flade與CDFS等關(guān)鍵部件，配合模式選擇閥及前涵道引射器等涵道調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，形成三外涵構(gòu)型，可寬范圍調(diào)整發(fā)動機(jī)涵道比，實現(xiàn)比常規(guī)變循環(huán)發(fā)動機(jī)更多的動力模式，進(jìn)一步提升發(fā)動機(jī)的任務(wù)適應(yīng)性。然而，前置Flade方案與發(fā)動機(jī)風(fēng)扇耦合程度很高，二者控制律設(shè)計復(fù)雜；此外，F(xiàn)lade葉尖轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度要求限制了發(fā)動機(jī)低壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，大大增加了低壓系統(tǒng)的設(shè)計難度。

圖4 后置Flade方案

后置Flade

后置Flade是自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)中前置Flade方案的衍生方案。該方案中后段風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片帶有一環(huán)狀結(jié)構(gòu)，將流道一分為二，分別連通第一外涵道與內(nèi)涵道，形成Flade構(gòu)型（如圖4所示）。后段風(fēng)扇的導(dǎo)葉也可相應(yīng)分成上、下兩段，并且可以獨立調(diào)節(jié)。與常規(guī)后段風(fēng)扇方案相比，該方案通過上、下兩段導(dǎo)葉分調(diào)，進(jìn)一步增強(qiáng)了發(fā)動機(jī)內(nèi)、外涵道流量及壓比的分配能力。然而，與前置Flade不同，后置Flade位于發(fā)動機(jī)內(nèi)部，受流道空間限制，結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較高。

渦輪葉尖風(fēng)扇

渦輪葉尖風(fēng)扇即在渦輪外圍連接一排短的轉(zhuǎn)子葉片，實現(xiàn)與Flade相似的調(diào)節(jié)效果。與Flade相比，該方案由渦輪帶動渦輪葉尖風(fēng)扇對外涵道氣流進(jìn)行增壓，代替風(fēng)扇執(zhí)行部分增壓功能，有助于降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，同時保證較輕的質(zhì)量和較高的可靠性；此外，由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下降，風(fēng)扇直徑可以增加，有利于增大涵道比。通過改變渦輪葉尖風(fēng)扇的前后位置、驅(qū)動連接方式和級數(shù)等，可以產(chǎn)生較多衍生方案，如后置自由渦輪葉尖風(fēng)扇、低壓渦輪葉尖風(fēng)扇與前置空氣渦輪等。

后置自由渦輪葉尖風(fēng)扇

后置自由渦輪葉尖風(fēng)扇方案是在現(xiàn)有變循環(huán)發(fā)動機(jī)方案基礎(chǔ)上，在發(fā)動機(jī)尾部加裝渦輪葉尖風(fēng)扇部件，由低壓渦輪后燃?xì)馀c外涵道氣流驅(qū)動（如圖5所示）。該方案中后置自由渦輪葉尖風(fēng)扇作為獨立部件，可實現(xiàn)較低轉(zhuǎn)速，易于滿足葉尖風(fēng)扇轉(zhuǎn)子強(qiáng)度要求；對原有發(fā)動機(jī)方案影響較小，易于與已有發(fā)動機(jī)方案進(jìn)行耦合設(shè)計。但該方案需要獨立支承結(jié)構(gòu)，設(shè)計相對復(fù)雜。

低壓渦輪葉尖風(fēng)扇

該方案中低壓渦輪葉尖風(fēng)扇連接在低壓軸上，設(shè)置在原低壓渦輪之后，由原低壓渦輪后燃?xì)怛?qū)動（如圖6所示）。由于低壓渦輪葉尖風(fēng)扇作為低壓系統(tǒng)的一部分，可以采用原低壓渦輪的支承系統(tǒng)，無須進(jìn)行獨立設(shè)計。但是，該方案低壓渦輪葉尖風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速即低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，相比另外兩種方案轉(zhuǎn)速更高，對葉尖風(fēng)扇轉(zhuǎn)子強(qiáng)度提出了更高的要求；渦輪葉尖風(fēng)扇與低壓系統(tǒng)緊密耦合，調(diào)節(jié)原理與控制規(guī)律更為復(fù)雜。

圖5 后置自由渦輪葉尖風(fēng)扇方案

圖6 低壓渦輪葉尖風(fēng)扇方案

圖7 前置空氣渦輪方案

前置空氣渦輪

這種方案是將渦輪葉尖風(fēng)扇前置，由風(fēng)扇后壓縮空氣直接驅(qū)動，即構(gòu)成前置空氣渦輪（如圖7所示）。該方案中空氣渦輪作為獨立部件，可實現(xiàn)較低轉(zhuǎn)速，易于滿足葉尖風(fēng)扇轉(zhuǎn)子強(qiáng)度要求；此外，合理調(diào)節(jié)空氣渦輪部件，有利于提升壓縮系統(tǒng)喘振裕度；空氣渦輪所處的區(qū)域位于發(fā)動機(jī)前端，溫度低、結(jié)構(gòu)設(shè)計空間大，便于開展適應(yīng)性設(shè)計。但空氣渦輪結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，并且與風(fēng)扇部件深度耦合，工況變化大、變化規(guī)律復(fù)雜，設(shè)計難度大，設(shè)計風(fēng)險高，需要全新的設(shè)計理念與準(zhǔn)則。

結(jié)束語

綜合上述變循環(huán)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件，其設(shè)計思想可歸納為將傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的壓縮、膨脹等主要功能部件的功能進(jìn)行分解、重組，進(jìn)一步增強(qiáng)發(fā)動機(jī)流量調(diào)節(jié)能力，促使發(fā)動機(jī)在較寬范圍內(nèi)改變工作狀態(tài)，以滿足不同任務(wù)需求。部件功能的分解、重組基于新構(gòu)型實現(xiàn)，如壓縮功能分解催生基于風(fēng)扇分段的可變風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計、壓縮與膨脹功能融合催生渦輪葉尖風(fēng)扇設(shè)計等。而以可變風(fēng)扇系統(tǒng)、Flade、渦輪葉尖風(fēng)扇等為代表的關(guān)鍵部件及其相關(guān)改進(jìn)設(shè)計仍將是未來變循環(huán)發(fā)動機(jī)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵。