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、涡轮入口温度、空气流量和涵道比),改变发动机循环工作模式(高推力或低油耗)使发动机在各类飞行情形下都能工作在最正确状态。
与此同时,变循环发动性能以多种模式(包括涡轮模式、涡轮风扇模式和冲压模式等)工作,因此在亚声速、跨声速、超声速和精湛声速飞行状态下都具有良好的性能。
在涡喷/涡扇发动机领域,VCE研究的重点是改变涵道比,如发动机在爬升、加速和超声速飞行时涵道比减小,接近涡喷发动机的性能,以增大推力;
在起飞和亚声速飞行时,加大涵道比,以涡扇发动机状态工作,降低耗油率和噪声[4]。
在以后陆、海、空、天、电多维力量和多维战场的信息化战争中,配装先进动力系统的航空武器装备是一个重要环节,是夺取制空权和决定战争输赢的决定性因素之一。
VCE概念的提出能够追溯到20世纪60年代,随着涡轮风扇发动机的问世,它优越的亚音速性能,高的推动效率,使得发动机设计师不断地追求更大涵道比的发动机。
在超音速飞行状态,由于大涵道比的涡扇发动机耗油率明显高于等推力级的小涵道比涡扇发动机,因此限制了超音速飞机发动机涵道比的进一步增加。
为了使航空发动机在亚音速和超音速状态下都具有较好的性能,国外航空发动机科学家提出了变几何和VCE思想[4-5]。
VCE的优势确实是在宽广的飞行包线内,都能维持专门好的效率和较低的耗油率,能够看做将亚音速性能专门好的大涵道比涡扇与超音速性能专门好的小涵道比涡扇、涡喷取各自优势,结合成一台发动机。
实践证明,VCE技术以其内在的性能优势,能够知足壮大的军事需求,并显示出庞大的应用进展潜力(见图1),已经受到了各航空强国的重视,是目前航空动力主流的研究方向。
专门是在先进战斗机研究方面,自20世纪60年代以来,战斗机一方面朝着多用途方向进展;
另一方面,飞机的飞行包线不断扩大,专门是在2O世纪80年代后,人们加倍重视飞机机体/推动系统一体化设计。
由于VCE在知足上述指标方面的优势尤其明显,于是,对军用战斗机用的VCE研究慢慢开展起来。
国外最先的VCE是美国20世纪60年代初在SR-71“黑鸟”上投入利用的J58发动机[6],该发动机可在涡喷发动机模式和冲压发动机模式之间转换,是到目前为止投入生产的变循环发动机。
迄今,VCE技术已有50年的探讨研究与进展历程(1960~2020年)。
国外各大航空发动机公司,如英国的罗•罗公司、法国的SNECMA公司、日本的工业科学与技术研究所和美国的GE公司等,均在不断地进行变循环发动机概念设计和方案设计研究,并进行实验验证。
从初期的VCE概念提出,到目前具有实际利用功能的VCE
F120、F136的研制成功,VCE设计概念和设计方式大致经历了5次大的技术进展,开发出了具有代表性的5代VCE,别离是YJ10一、GE2一、GE37、可控压比发动机(COPE——Controlledpressureratioengine)和Advent发动机(表1)[7-8]。
GE公司的F120是第一台通过飞行实验验证的(双外涵)变循环发动机。
此刻F120发动机的JSF改型F136发动机作为JSF(F-35)轻型多用途联合解决机的备用推动系统正处于进展、研制和完善中。
变循环发动机技术的新进展
1ADVENT(自适应发动机)打算
自适应发动机是国外正在进展的先进变循环发动机。
国外研究的变循环发动机的方案要紧有单涵道、双涵道、串联/并联式选择放气变循环等类型。
目前,国外正在进展带第三个涵道的自适应发动机(AdaptiveVariableCycleEngine
ADVENT),其技术特点是第三个涵道内的气流温度较低,可用于提取更多的功率和实现更好的热治理,也可减小安装阻力,改良进气道总压恢复,降低排气温度,减少红外信号。
这不仅为以后军民用飞机带来航时、航程、速度和隐身等方面的庞大收益,同时能够知足传感器、武器和通信设备对发动机功率提取的更高要求。
美国空军研究实验室(AFRL)估量,自适应发动机的燃油效率将比F135发动机的高25%,能够使飞机的作战半径增加25%~30%,续航时刻增加30%~40%。
能够知足下一代战斗机、轰炸机、战术战机、超声速客机和精湛声速飞行器等多种军民用飞行平台的动力需求,是当前世界航空发动机领域的进展重点。
ADVENT打算是IHPTET打算后续打算VAATE第二时期的一个标志性打算,打算进展的技术将使发动性能够独立地改变通过风扇和核心机的空气流量和压比,实现大幅度的变循环功能。
国内外普遍以为,自适应发动机将成为是航空涡轮发动机进展史上又一个重大里程碑,其意义相当于涡喷发动机向涡扇发动机的跨越,是真正的“游戏规那么改变者”,其进展将引发航空推动领域的一场革命,也将实现航空航天领域的深度融合与跨越式进展[9]。
自适应发动机是在GE公司第四代VCECOPE基础上进展的,是VCE的第5个进展时期。
它在COPE布局上又增加了一个部件,即在发动机外围又增设一个涵道,有一个从主风扇出来的单独流道,而且采纳一个“Flade”级——接在转子叶片上的风扇(fan-on-blade),这是接在风扇外围的一排短的转子叶片,后面有单独可调静子[10]。
在超声速运输机上,这种设计理念能够使发动机改变其空气流量和单位推力,以适应超声速巡航、跨声速加速和亚声速巡航要求,使发动机兼有民用飞机高涵道比涡扇发动机和战斗机低涵道比涡扇发动机的特点。
因此此款发动机适用于多种飞行平台,包括超声速、亚声速的解决/
运输及情报、监视和侦查平台。
另外,进展多用途的发动机不仅可降低研制本钱,而且也是目前无人机动力进展的必由之路。
因为这些飞机的生产数量一样可不能大到足以支持进展一种新的发动机的境界。
目前,美国海军正在考虑将ACE用于其无人空战系统(UCAS-N)及改装F/A-18E/F和EA-18G飞机。
ADVENT打算对准以后战斗机发动机,将进展的技术有:
单独可变流量和压比的辅助风扇;
高温多转子机械系统;
高剩余功率、流量和压比可变的核心机;
可在大流量范围工作的高效涡轮;
综合的热治理技术;
进/排气综合改良技术。
ADVENT打算中要研究的关键部件是低压系统,和如何通过风扇流量转变来改变涵道比的技术。
通过这种改变使发动机实现变循环特性,从而保证飞机在起飞时具有较大推力,在巡航状态具有低耗油率。
自适应发动机以后的路还很长。
依照美国国家航空航天局(NASA)对技术完备或成熟程度(TRL)共9级的概念和分类,其中达到TRL=5说明技术已经完成了部件验证。
TRL=6说明完成了验证机实验,技术已经能够用于型号原型机的研制。
TRL=9就已是批生产、成熟并具有利用体会的技术。
例如,先进的F135发动机的有关技术部份达到了9级水平并已经用于型号,而自适应通用发动机技术需要通过验证机来达到6级的水平,通过30连年来研究的变循环技术才能用于有效型号发动机的设计[11-12]。
目前,国外自适应发动机技术已进入加速进展时期,欧美在自适应发动机技术研究方面取得了冲破性进展。
2007年4月,GE公司和美国罗•罗公司各博得美国空军研究实验室的ADVENT项目第一时期合同,其中GE公司和罗•罗公司别离取得的亿美元和亿美元合同。
要紧工作包括概念探讨、关键部件技术研发和实验,并开始整机的初步设计和详细设计、分析,和风险减少研究。
其中GE公司负责核心机设计,罗•
罗公司负责低压系统设计,关键部件的实验包括全环燃烧室实验、陶瓷基复合材料部件的研究与实验,并完成一台核心机实验。
在ADVENT打算第一时期,技术重点放在使耗油率降低25%和降低用于热治理的冷却空气温度的开发上。
依照打算安排,美国军方最初希望在第一时期终止后,最终的VCE设计由单个的承包商完成。
可是,在2020年10月,美国空军决定由罗•罗公司和GE公司继续参与ADVENT打算第二时期工作,罗•罗公司继续承担其负责部件的实验和整机集成技术,GE公司继续研制核心机。
这一时期的工作将完成达到技术成熟度TRL6的发动机详细设计,开发一台风扇流量和压比可变的自适应发动机技术验证。
该打算中的全尺寸验
证机估量在2021年进行地面验证,验证成熟的技术有可能用于2018~2020年间推出的VCE上[13-14]。
2012年9月,美国空军选择了GE和P&
W公司参与为其4年的自适应发动机技术发展(AETD)计划,将变循环发动机技术的发展推向了一个新的阶段,ADVENT和AETD计划的成功实施将使自适应发动机技术完全成熟,并可能提早进入工程与制造发展阶段(EMD)。
2RTA(革新涡轮加速器)计划
格林公司组合循环发动机技术是在NASA革新涡轮加速器(Revolutionary
TurbineAccelerator,RTA)计划下发展。
组合式发动机结合了各单一发动机的优点,使其能够在宽的马赫数—高度范围内高效率工作。
其研究难点主若是发动机各要素之间的匹配性。
关于完全一体化的组合循环发动机目前还处于研究实验时期。
组合循环发动机从结构上分要紧有以下2种:
基于涡轮的组合循环(TBCC)和基于火箭的组合循环(RBCC)。
其中,基于涡轮的组合循环发动机要紧有涡轮火箭发动机和涡轮冲压发动机。
TBCC将成为21世纪从地面起降的空天飞机的动力,可使以后的精湛声速飞行器象飞机一样工作,而且可重复利用(大于1000次任务,每一年可飞行100次),用途多样,有灵活的发射和着陆点,耐久性高,单位推力大,能采纳一般的燃料和润滑剂、本钱低。
目前,美国、日本和印度等国都在进展TBCC技术,并预备在2006年以后进行地面实验验证[15-16]。
革新涡轮加速器(RTA)项目,研究用于入轨飞行器低速段的涡轮基推动系统,涡轮基推动系统的应用有可能使太空飞行更接近于飞机的飞行,从而大幅度降低发射费用,提高平安性,并可利用现有的机场地面设施,引发太空飞行的革命性转变。
近期,RTA可用于精湛声速巡航导弹和第一代解决战斗机,中期RTA与冲压发动机组合可用于全世界快速抵达/解决机,远期可用于进入太空的动力。
RTA打算将在目前涡轮发动机(如J58,最高飞行M数3)的基础上,到2021年使飞行马赫数增加25%,推重比提高250%,部件寿命周期提高2倍。
到2021年,使M数提高35%,推重比提高375%,关键部件寿命提高4倍。
RTA发动机的推重比将为15~20,M4~5。
目前,美国GE公司已经取得了缩尺地面实验用发动机的合同,正在进展一种中等尺寸的(直径89~102cm)的发动机用于地面实验,威廉斯国际公司和艾利逊先进进展中心(AADC)正在竞争φ
48cm的用于X-43B的发动机合同。
2003年,决定了X-43B飞行验证机用小发动机的合同商。
在2005~2006年,最终决定所选择的RBCC或TBCC发动机系统。
中等尺寸的RTA地面实验发动机(GTE)将评估和验证M4以上的涡轮机械和达到M4所需的先进技术。
RTA的GTE将为全尺寸的50%~60%,而且验证机将采纳所有辅助部件如燃油热互换器。
GTE要紧评估M4以上的涡轮加速器的以下特性:
发动机循环性能和适用性、高马赫数下的风车运转、全尺寸RTA的技术验证、高马赫数涡轮部件的靠得住性和耐久性、热治理问题、涡论向冲压的模态转换、与发动机进气道和喷管的综合、燃油系统和冷却系统、发动机操纵系统。
在美国引领着先进VCE技术向前进展的同时,近30年来,国外其他航空发动机公司也在不断地进行VCE概念设计和方案设计研究,并进行实验验证,如英国的罗•罗公司、法国的SNECMA公司、日本的工业科学与技术研究所等,并取得了必然的研究功效[17]。
进入20世纪90年代后,美国、欧洲和日本又掀起研究超声速(Ma=3)和精湛声速(Ma≥5)科技推动系统的热潮。
英国罗•罗提出可选择舍弃VCE。
法国SNECMA公司提出了中间风扇的MCV99VCE方案,风扇设在压气机出口处,有辅助进气供词气,由单独的涡轮带动,该涡轮又由压气机引气驱动。
在起飞和亚声速巡航时、外涵道、辅助进气门和压气机引气门打开,风扇系统工作,呈涡扇模式。
在超声速巡航时,这3个门都关闭,以涡喷模式工作。
变循环发动机的关键技术研究
VCE技术是一项综合性较强的技术,与传统涡扇发动机相较技术跨度专门大,要紧表现为调剂参数增加,操纵规律加倍复杂,对发动机靠得住性、维修性也带来了挑战。
由于增加了核心机驱动风扇,传力途径和整机布局也与传统发动机有专门大不同。
同时,对变循环的热力循环机理本身尚存在熟悉上的欠缺。
因此,要使VCE成为现实,需冲破整体性能、整体结构、操纵系统和机构学等一系列关键技术,如VCE性能仿真、核心机驱动的风扇级CDFS设计、高效可控涡轮导向器、面积可调涵道导向器、低污染燃烧室、高性能低污染外涵加力燃烧室、反速度场同心环喷管、VABI和多变量智能操纵系统(自适应操纵技术),单级高负荷跨声速高压涡轮和双级无导叶对转低压涡轮等,为VCE的研制提供技术支持[18-19]。
高负荷跨声速高压涡轮气动设计与双级无导叶对转低压涡轮的优化需要完美的多学科组合,包括气动、传热和结构动力学。
从高压涡轮来的跨声速气流的强迫响应需要与低压涡轮的气动性能、冷却和结构响应综合考虑。
从变循环发动机涡轮系统打算取得的数据将用来修正设计程序,使低压涡轮设计的重量轻、效率高和抗高周疲劳能力强。
终止语
在航空发动机的百年进展历程中,航空发达国家持续研究新型动力装置以知足先进飞机的需要,由此先进VCE技术应运而生。
VCE是正在研究进展中的五代机的重要动力特点。
VCE技术成功解决了战机对单位推力和低耗油率之间的矛盾,能够在同一台发动机上实现涡喷工作模式和涡扇工作模式,使发动机在超声速和亚声速飞行时都有优良特性。
与涡喷、涡扇发动机相较,变循环发动机在超声速和亚声速混合飞行任务中综合性能优势明显,高单位面积推力的涡喷循环模式工作,以知足飞行器高速、高机动性飞行;
低耗油率的涡扇循环模式工作,以知足长时刻续航且对飞行速度无严格要求。
因此具有广漠的军事需求,对军机或民机都是超级有效。
VCE被誉为是以后飞行器的最正确动力装置之一。
在美国IHPTET等打算的壮大支持下,VCE技术取得专门大的进展。
目前,美国的VCE已进入工程有历时期,GE公司研制的配装YF22飞机的F120双涵道VCE的成功研制已经充分证明了VCE技术的先进性和可行性,其相关技术的成熟度达到了7级左右。
目前,我国正在举国家之力,尽力冲破航空发动机进展的瓶颈。
在这种环境下要研制出先进VCE,技术难度相当大。
鉴于VCE优良的技术特性、壮大的军事需求和实际应用的重要性,咱们应高度重视这项新技术的探讨研究。
通过度析国外在VCE领域的研究功效,借鉴国外的成功体会,结合国内已有的研究基础,制定顶层研究方案,冲破VCE工作原理、结构设计、建模和计算、关键技术(核心机驱动风扇级、变面积涵道引射器、可调涡轮导向器和自适应操纵技术等),探讨VCE研究的零部件和整机实验条件和技术要求条件,把握其实验方式,为VCE的验证机与工程研制提供技术储蓄与支持,最终实现我国先进航空动力的跨越式进展。
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