變循環航空發動機

變循環發動機是一種多設計點發動機，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。變循環發動機目前主要的研究方向是在爬升、加速和超聲速飛行時減小涵道比以增大推力，在起飛和亞聲速飛行時增大涵道比以降低耗油率和噪聲。

基本介紹

• 中文名：變循環航空發動機
• 外文名：Variable Cycle Engine
• 提出時間：20實際60年代
• 最早使用：SR-71“黑鳥”使用的J58發動機
• 領域：航空

定義

變循環發動機是一種多設計點發動機，通過改變一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，來調節其熱力循環參數（如增壓比、渦輪進口溫度、空氣流量和涵道比），改變發動機循環工作模式（高推力或低油耗）使發動機在各種飛行情況下都能工作在最佳狀態。與此同時，變循環發動機能以多種模式（包括渦輪模式、渦輪風扇模式和衝壓模式等）工作，因而在亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速飛行狀態下都具有良好的性能，在渦噴/渦扇發動機領域，變循環發動機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。

需求與背景

在未來陸、海、空、天、電多維力量和多維戰場的信息化戰爭中，配裝先進動力系統的航空武器裝備是一個重要環節，是奪取制空權和決定戰爭勝負的決定性因素之一。傳統航空渦輪發動機的熱力循環特性是固定不變的，一種發動機只能在一種模式下工作，並且僅在有限的飛行範圍內具有最好的性能。

航空發動機基本原理都是將燃油的能量轉化為發動機的推力，而後在推動飛機前進的過程中使飛機和空氣互相作用產生向上的升力將飛機拉起。從發動機出現至今，共有螺旋槳發動機、渦扇發動機、渦輪發動機、衝壓發動機四種形態，這四種發動機各有特點，其中渦槳發動機依靠螺旋槳風扇的推力做功推動飛機前進，其飛行效率高，最省油，航程大，但推力卻較小。渦噴發動機依靠向噴管外噴射氣流做功，可以達到很大的推力，但卻非常耗油。

渦扇發動機構造圖

渦扇發動機則是將二者結合起來，設定內外兩個涵道，使得一部分推力來自於渦扇，一部分推力來自於噴口，這樣就取得一個適中的性能，成就了其在音速邊界範圍內的機動性。但總的來說，為了應付空戰需求，發動機需要推力更大些以完成高機動動作，為了進行更遠程的打擊，就需要發動機更省油，這兩個矛盾的要求一直困擾著科學家。

從飛機的發展來看，因為現代戰機的機載設備量急劇攀升，因此重量較以前大大增加，但發動機卻只能在推力和航程中取折中，這就導致了現代飛機作戰航程甚至比不上二戰很多主戰飛機。為了彌補這個差距，就需要進行變循環設計，讓飛機在能夠不同時刻工作在不同的狀態。

發展歷程

變循環發動機概念的提出可以追溯到20世紀60年代，隨著渦輪風扇發動機的問世，它優越的亞音速性能，高的推進效率，使得發動機設計師不斷地追求更大涵道比的發動機。在超音速飛行狀態，由於大涵道比的渦扇發動機耗油率明顯高於等推力級的小涵道比渦扇發動機，因此限制了超音速飛機發動機涵道比的進一步增加，為了使航空發動機在亞音速和超音速狀態下都具有較好的性能，國外航空發動機科學家提出了變幾何和變循環發動機思想。

變循環發動機的優點就是在寬廣的飛行包線內，都能保持很好的效率和較低的耗油率，可以看作將亞音速性能很好的大涵道比渦扇與超音速性能很好的小涵道比渦扇、渦噴取各自優點，結合成一台發動機。實踐證明，變循環發動機技術以其內在的性能優勢，能夠滿足強大的軍事需求，並顯示出巨大的套用發展潛力，已經受到各航空強國的重視、是目前航空動力主流的研究方向。

特別是在先進戰鬥機研究方面，自20世紀60年代以來，戰鬥機一方面朝著多用途方向發展；另一方面，飛機的飛行包線不斷擴大，特別是在20世紀80年代後，人們更加重視飛機機體/推進系統一體化設計，由於變循環發動機在滿足上述指標方面的優勢尤為明顯，於是，對軍用戰鬥機的變循環發動機研究逐步開展起來。國外最早的變循環發動機是美國20世紀60年代初在SR-71“黑鳥”上使用的J58發動機，該發動機可在渦噴發動機模式和衝壓發動機模式之間轉換。

SR-71“黑鳥”上使用的J58發動機

迄今，變循環發動機技術已有50年的探索研究與發展歷程。國外各大航空發動機公司，如英國的羅·羅公司，法國的SNECMA公司、日本的工業科學與技術研究所和美國的GE公司等，均在不斷地進行變循環發動機概念設計和方案設計研究，並進行試驗驗證。

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。

自適應變循環發動機原理圖

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。

變循環發動機的關鍵技術

變循環發動機技術是一項綜合性較強的技術，與傳統渦扇發動機相比技術跨度很大，主要表現為調節參數增加，控制規律更加複雜，對發動機可靠性、維修性也帶來了挑戰。由於增加了核心機驅動風扇，傳力路徑和整機布局也與傳統發動機有很大不同，同時，對變循環的熱力循環機理本身尚存在認識上的欠缺，因此，要使變循環發動機成為現實，需突破總體性能、總體結構、控制系統和機構等一系列關鍵技術，如變循環發動機性能仿真、核心機驅功的風扇級CDFS設計、高效可控渦輪導向器、面積可調涵道導向器、低污染燃燒室、離性能低污染外涵加力燃燒室、反速度場同心環噴管、自適應控制技術、單級高負荷跨音速高壓渦輪和雙級無導葉對轉低壓渦輪等。