變循環發動機調節機構研究現狀

■ 解俊琪 賈志剛 袁善虎 / 中國航發研究院

變循環發動機是指通過改變、調節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。要實現上述定義中的“改變”“調節”功能，則需要采用相關的調節機構，其重要性不言而喻。

從20世紀50年代起，變循環發動機方案就被提出，經過不斷的研究、改進和優化，方案已日趨成熟（如圖 1所示）。變循環發動機通過改變發動機一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，實現不同的熱力循環，使得發動機在不同飛行條件下可分別工作于渦噴和渦扇兩種模式，在整個飛行過程中，綜合渦噴發動機大推力和渦扇發動機低油耗的優勢，滿足飛行器在較寬飛行包線內的性能需求，為解決新一代戰斗機的動力瓶頸提供了一個全新的解決思路。

變循環發動機在滿足不同任務需求時，須采用調節機構完成對發動機流量的再分配，以實現發動機性能的變化。為實現不同工作狀態下的流量分配及各部件的協同工作的特殊結構主要包括：核心機驅動風扇、模式轉換閥、涵道引射器（前涵道引射器和后涵道引射器）、靜葉調節機構和可調尾噴管等。本文針對上述局部可調機構（模式轉換閥、涵道引射器、靜葉調節機構），闡述其調節機理及發展現狀。

模式轉換閥

圖1 GE公司的YF120變循環發動機

模式轉換閥是用來調節發動機的渦噴工作模式或渦扇工作模式的結構，典型的模式轉換閥位于外涵道進口：當發動機在相對高速飛行狀態工作時，閥門能調到關閉位置，迫使外涵道氣流進入核心機，發動機處于渦噴模式；當發動機在相對低速飛行狀態工作時，閥門能調到打開位置，使部分經過風扇的氣流流入外涵道，發動機處于渦扇模式。目前，模式轉換閥從工作機理上可以分為被動控制方案和主動控制方案兩種。

以一種典型的被動控制方案的模式轉換閥為例（如圖 2所示），其閥門由一系列固定在外機匣內壁的圓周分布的鉸接片組成，在閥門后中部通過彈簧與外機匣內壁相連。在實際工作中，通過風扇后與外涵氣流之間壓差產生的作用力和彈簧的彈性力來控制閥門開度，以改變發動機工作模式。當風扇后氣流壓力大于外涵氣流壓力與彈簧的作用力之和時，模式轉換閥沿位于前端的鉸鏈旋轉打開，發動機外涵道打開；反之，發動機外涵道關閉。

主動控制模式轉換閥以北京航空航天大學設計的一種機構[1]為例（如圖3所示）。該機構包括液壓作動筒、同步環、連桿、閥門等結構，液壓作動筒與同步環相連，閥門一端鉸接在機匣上，另一端通過連桿以鉸接的方式與同步環相連。實際工作中，采用液壓作動筒控制同步環沿發動機軸向平移，同步環的移動帶動連桿的轉動，進而控制閥門沿鉸接在機匣上的鉸鏈轉動，從而實現外涵道的開關。整個機構結構簡單，零件數目少、質量輕、可靠性高。

圖2 模式轉換閥的一種被動控制方案

圖3 主動控制的模式轉換閥結構

相比被動控制的模式轉換閥，主動控制的方案有幾個比較明顯的優勢：控制的效果更加穩定；通過閥門片的型面設計可有效降低氣流在此處的壓力損失；通過封嚴部分的設計可保證在閥門關閉時存在的氣流泄漏足夠小。

可調涵道引射器

可調涵道引射器（VABI）是一種有效的可調面積混合器，用于核心流和涵道流分開/摻混的分界面處，可改變二者的相對比例。VABI分為前涵道引射器和后涵道引射器，分別位于外涵道進口和出口處，用于調節外涵道進、出口面積的大小。由于該機構具有特殊的工作要求，在設計時需要考慮以下幾點[2]：盡可能減少調節機構在幾何截面方向的面積，以減少對氣流的阻礙；盡可能減少機構所需要的運動空間，以節省外涵道有限的空間；盡可能減少驅動器的數目，以減小輸入的耦合性；盡可能保證機構運動的一致性和對中性，以提高機構剛度。根據調節機構的運動方式，目前已研制的VABI 機構可分為平動式、轉動式、螺旋式三種。

平動式涵道引射器

平動式涵道引射器是指通過一系列操作，由作動系統帶動環狀閥門沿發動機軸向移動的調節機構。通常情況下，平動式調節機構的結構相對簡單，且可按照氣動要求準確連續地改變內外涵之間的連通面積；但考慮到密封問題，閥門與機匣之間間隙較小，在運動過程中會存在較大的摩擦問題；并且其作動系統安裝位置的不同也會帶來相應的安裝、拆卸、維修等問題。

前涵道引射器多采用平動式結構。例如，瓦根克內希特提出的內置機匣平動式前涵道引射器[3]，通過在機匣內部設置通道，將作動系統和閥門結構內置于機匣內部，由作動器控制閥門沿發動機軸向移動，實現內外涵通道的開合；該結構方便簡單，節省空間，但會為安裝、拆卸和維修帶來不便。另外一種平動式前涵道引射器（如圖4所示）則通過多個均布在機匣上的作動器推動活塞桿來控制平動錐體沿軸向移動，實現外涵道進口面積的調節。該機構結構簡單、零件數目少、質量輕、可靠性高。

平動式后涵道引射器與前涵道引射器的工作原理基本相同。例如，GE公司提出的方案（如圖5所示）：在內機匣上設置多個氣流孔，在內機匣外部設置套筒，置于外機匣外部的作動器通過穿過外機匣的曲軸帶動連桿控制套筒沿軸向移動，進而調節孔的有效面積，實現外涵道出口面積的調節。

圖4 一種平動式前涵道引射器結構

圖5 GE公司提出的后涵道引射器結構

轉動式涵道引射器

轉動式涵道引射器由一系列閥門片沿垂直于發動機軸向的鉸鏈旋轉來實現面積的調節。一般情況下，其結構較為簡單，但由較多的閥門片組成，閥門片之間存在較大的封嚴問題，且每個閥門片需要單獨驅動，驅動系統的數量較多。調節過程中，理論上僅能在開/關兩個計算位置進行準確的控制，對中間狀態較難進行準確的控制。

如約翰·西蒙斯提出的一種轉動式前涵道引射器[4]（如圖 6所示）：該機構采用內置于機匣的作動裝置提供動力，作動器一端鉸接在機匣上，另一端鉸接在閥門片中部的凸臺上，閥門片的一端鉸接于機匣邊緣，通過調節作動器可調節閥門片沿位于機匣上的鉸鏈轉動，最終控制內外涵的連通方式，實現發動機的變循環。

北京航空航天大學提出的一種轉動式后涵道引射器結構[5]（如圖 7所示）。該機構調節原理為：液壓作動器帶動平動錐體沿軸線移動，平動錐體的移動帶動鉸接于其前側的連桿四移動，同時連桿三的兩端分別鉸接于機匣和連桿四，連桿四的移動會同時帶來連桿三和連桿四的轉動，進而帶動鉸接于連桿三上的連桿二、位于滑道內的作動環和鏈接于滑道上的連桿一軸向移動，最終帶動斜槽沿鉸接于機匣的直角轉動，調節內外涵道的連通面積。該方案的特點在于其通過一組作動機構可同時調節平動錐體的軸向移動和斜槽的轉動，根據不同的涵道比需求調節外涵的流通能力，滿足不同的發動機工作狀態。

圖6 一種轉動式前涵道引射器結構

圖7 一種轉動式后涵道引射器結構

圖8 GE公司提出的后涵道引射器結構

螺旋式涵道引射器

螺旋式涵道引射器主要通過執行機構沿周向旋轉來改變其沿軸向的位置，主要應用于后涵道。GE公司提出的一種方案[6]（如圖8所示）：工作過程中，由液壓作動筒通過連桿帶動穿過機匣壁的曲柄沿壁孔轉動，曲柄的另一端與套筒鉸接，從而通過調節液壓系統可帶動套筒沿發動機機匣軸向旋轉，進而控制位于機匣的孔的有效工作面積，實現調節目的。

壓氣機靜葉調節機構

圖9 空間多連桿式壓氣機靜葉可調機構

圖10 齒輪傳動式壓氣機靜葉調節機構

為了使發動機在各種工作環境和狀態下都具有良好的性能，必須相應改變發動機的進氣量和壓氣機各級的增壓比。而壓氣機的靜葉角度對發動機進氣量和各級增壓比起著至關重要的作用，因此壓氣機靜葉可調對變循環發動機來說十分重要。

目前已研制的壓氣機靜葉調節機構的思維主要有兩種：空間多連桿式，通過空間連桿機構使聯動環沿軸線做螺旋運動，帶動葉片繞自身軸旋轉，從而實現葉片角度的調節；齒輪傳動式，通過空間連桿機構，使葉片繞自身軸旋轉，然后通過齒輪傳動帶動同一級的其他葉片旋轉，從而實現葉片角度的調節。

空間多連桿式壓氣機靜葉調節機構

如圖9所示為空間多連桿式調節機構的典型示意圖[7-8]。液壓缸通過活塞桿帶動曲柄轉動，曲柄帶動聯動桿運動，動桿通過連接的多個拉桿分別帶動不同級的聯動環螺旋運動，并通過與靜子葉片之間的搖臂帶動靜子葉片旋轉，以實現可調的目的。在林清松等[9]提出的專利方案中搖臂是可調的，即在聯動環僅有周向運動的情況下可實現葉片可調。

齒輪傳動式壓氣機靜葉調節機構

如圖10所示為齒輪傳動式壓氣機靜葉可調機構典型結構[10-11]。該結構由液壓缸通過搖臂帶動某一級的兩個葉片轉動，該葉片的轉動會帶動位于靜子葉片另一端的齒輪轉動，并通過齒輪轉動帶動同一級的所有葉片轉動，實現調節。

結束語

變循環發動機通過可調機構來改變在不同飛行條件下的循環方式和性能參數，以滿足寬速域內的性能需求。為了實現變循環發動機在工作過程中的精準調節，可靠性高、結構簡單、質量輕的可調機構必不可少。通過把握目前的可調機構研究現狀，有助于開拓思路，揚長避短，為加快變循環發動機的發展提供技術支撐。