基本介紹
- 中文名：航空發動機變循環
- 外文名：Aero engine variable cycle
簡介,工作原理,研發歷史,美國,中國,研究意義,未來發展,
簡介
變循環發動機，是指在一台發動機上，通過改變發動機的一些部件的幾何形狀、尺寸或者位置，來實現不同熱力循環的燃氣渦輪發動機。
利用變循環改變發動機循環參數，如增壓比、渦輪前溫度、空氣流量和涵道比，可以使發動機在各種工作狀態下都具有良好的性能。
在渦噴/渦扇發動機方面，研究的重點是改變涵道比，如發動機在爬升、加速和超聲速飛行時涵道比減小，接近渦噴發動機的性能，以增大推力；在起飛和亞聲速飛行時，加大涵道比，以渦扇發動機狀態工作降低耗油率和噪聲。
在渦軸發動機方面，重點研究可調面積渦輪，以改變發動機空氣流量，降低部分功率下的耗油率。
工作原理
飛機發動機技術提升的核心在於——如何提高燃油使用效率。噴氣式飛機原理是將空氣吸入發動機後和燃油混合加熱，而後高溫高壓氣體向後噴出，按照牛頓第三定律，飛機就可以獲得一個反推力。但這個高溫高壓氣體本身就擁有很大的能量，也就是說，這些能量被白白浪費掉了，但有時候為了機動性則不得不這樣做，以往的飛機，往往是渦噴就只能是渦噴模式工作，是渦扇就只能渦扇模式工作。而在飛機航行的整個過程中，往往有很多路程是不需要使用這種高油耗率的工作方式的。而在靠近戰場時，為了接敵，則需要高速機動，為了機動空戰則需要跨音速飛行模式。於是變循環發動機就是把這三種模式結合起來，合理規劃，達到了最佳的使用效果。
發動機一般從前往後結構以此為進氣道——壓氣機——燃燒室——渦輪——噴口。對應的過程是空氣吸入——空氣壓縮增壓——空氣混合燃燒——帶動渦輪旋轉——尾部噴出做功。變循環發動機則採用渦輪風扇體制，將氣流分在三個涵道，但這三個涵道可以變換大小口徑，通過組合搭配成就最佳的工作模式，在需要經濟巡航時，2個調節板向下調節，擋住通過燃燒室的氣流，使發動機工作在螺旋槳模式，當需要進行跨音速機動時，調節板1向下，而向上，組成一個渦扇發動機。當要進行超音速巡航時，調節板1、2均向上偏，使其成為一台渦噴發動機。假如發動機使用了任務規劃體制，還可以根據不同的任務使用電腦規劃發動機的作用方式達到最佳作戰效能。
這個措施看起來簡單，但在工程上實現起來是十分難的，發動機工作在高溫高壓和極高轉速的情況下，最好不要有任何的結構變換，否則會帶來發動機部件的損傷導致發動機出現安全問題，擋板的偏移也會帶來氣流的瞬時畸變，導致發動機工作不穩定甚至停車。根據研製該技術的GE公司官網宣傳資料，使用這一技術後，在同等燃油的情況下飛機的滯空時間可以提高50%，航程增加33%，減少25%的燃油消耗率，達到60%的燃油熱吸收率。
研發歷史
美國
20世紀70年代，美國開始加大力度研究軍用變循環發動機。GE公司研製了從YJ101第一代變循環驗證機到GE21、GE33即後來的YF120，以及可控壓比發動機等一系列變循環預研驗證機。尤其是YF120還參加了美國第四代動力的選型，是世界上第一種經飛行驗證的戰鬥機用變循環發動機。YF120在F-22項目中競爭失敗後，在其核心機基礎上衍生了常規循環渦扇發動機F136。
2011年，美國海軍已經啟動了研發變循環發動機技術項目，該發動機將在未來裝備F/A-18E/F“超級大黃蜂”的替代機型。
2012年11月，通用電氣（GE）和普惠公司獲得了價值超過6.8億美元的演示驗證變循環戰鬥機發動機契約，該契約由美國空軍研究實驗室（AFRL）的自適應發動機技術研發（AETD）項目資助，將在2013年進行自適應風扇發動機的驗證機試車。
中國
中國發動機研製是生產一代、研製一代、預研一代、探索一代。據中航發動機副總裁張健稱，中國發動機研製的技術目標時間表已經排到了2030年。
研究意義
從航空工業發展的角度來說，我國證實已經進行變循環發動機研究的意義在於，一方面意味著中國航空動力研製的科研管理和規劃更加科學和合理，符合航空工業產品研製的客觀規律，更加重視基礎科研和預先研究，而不是等到有具體的型號需求才開始進行科研工作，導致研製周期長、風險大、成本高；另外一方面，意味著中國航空動力的研製步伐已經逐漸追趕上美國等西方航空強國，在常規循環發動機研製碩果纍纍的情況下積極開展新循環方式的發動機基礎研究，對於保持中國航空動力工業的可持續發展和追趕世界最先進水平具有相當重大的價值。從中國空軍未來型號發展對於航空發動機的需求來說，類似YF120的變循環渦扇發動機能夠提供更大的高空、高速推力，可以有效提升作戰飛機的超巡、攔射能力，同時能夠提供更經濟的中低空、亞音速耗油率，對於提升作戰飛機經濟性有明顯幫助。從未來民航客機的發展來看，未來的洲際超音速客機同樣需要變循環發動機來提供持續超音速飛行能力，亞音速客機更是對於單位油耗相當敏感，因為這關係到民航公司的運營成本。因而，我國從事變循環發動機的科研、軍事、商業價值非常巨大，可以有效提升我國的綜合國力和競爭力。
未來發展
自適應發動機是國外正在發展的先進變循環發動機。國外研究的變循環發動機的方案主要有單涵道、雙涵道、串聯/並聯式選擇放氣變循環等類型。目前，國外正在發展帶第三個涵道的自適應發動機（AdaptiveVariableCycleEngine,ADVENT），其技術特徵是第三個涵道內的氣流溫度較低，可用於提取更多的功率和實現更好的熱管理，也可減小安裝阻力，改進進氣道總壓恢復，降低排氣溫度，減少紅外信號。這不僅為未來軍民用飛機帶來航時、航程、速度和隱身等方面的巨大收益，同時可以滿足感測器、武器和通信設備對發動機功率提取的更高要求。美國空軍研究實驗室（AFRL）預計，自適應發動機的燃油效率將比F135發動機的高25%，可以使飛機的作戰半徑增加25%~30%，續航時間增加30%~40%。可以滿足下一代戰鬥機、轟炸機、戰術戰機、超聲速客機和高超聲速飛行器等多種軍民用飛行平台的動力需求，是當前世界航空發動機領域的發展重點。
