變循環發動機關鍵部件特征分析

■ 王子堯 董芃呈 / 中國航發研究院

變循環發動機主要通過對氣流的合理分配與各部件的協同工作改變發動機熱力循環模式。因此，部件協同是變循環發動機實現預定功能的基礎，而具備改變自身工作狀態能力的部件在其中起著至關重要的作用，是變循環發動機的關鍵部件。

隨著未來作戰任務復雜性的不斷提高與飛行包線的不斷拓展，航空發動機要具備多種動力功能，可根據任務主動調節自身工作狀態，實現動力模式靈活切換，并且在全飛行包線內具有最佳的綜合推進效率。為了適應復雜多變任務需求，變循環發動機應運而生（如圖1所示），它通過調整發動機一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，改變發動機循環參數，實現不同特征的熱力循環。發動機的調節變量越多、熱力循環參數的調節范圍越大，發動機工作模式變化就越靈活，極大地增強了發動機對復雜多變任務的適應能力。

圖1 變循環發動機示意圖

變循環發動機關鍵部件方案概況

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

可變風扇系統

變循環發動機與常規渦扇發動機一個最顯著的區別：變循環發動機將風扇分成前、后兩個部分，前段風扇位于低壓軸上，后段風扇位于低壓軸或高壓軸上，兩段風扇組成可變風扇系統；可變風扇系統配合后段風扇機匣以及模式選擇閥、前涵道引射器等調節機構，形成發動機雙外涵構型，即前、后兩段風扇有各自的出口涵道，并帶有可調進口導葉，可在寬廣的飛行范圍內更好地控制各涵道的空氣流量。按照后段風扇的驅動方式，可變風扇系統可分為低壓軸驅動可變風扇與高壓軸驅動可變風扇。

表1 變循環發動機方案相關專利

圖2 低壓軸驅動可變風扇系統方案

低壓軸驅動可變風扇

以一種低壓軸驅動可變風扇的構型為例（如圖2所示），前、后兩段風扇均連接在低壓軸上，前段風扇出口具有第二外涵道，后段風扇出口具有第一外涵道與內涵道。由于兩段風扇均由低壓軸驅動，風扇轉速可保持在較低的水平，易于滿足風扇轉子強度限制，便于進一步改型設計。

高壓軸驅動可變風扇

后段風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動風扇一致，只是驅動方式不同。由于采用高壓軸驅動，該方案更有利于充分利用高壓渦輪的做功能力及發動機整體的能量匹配。然而，CDFS與高壓壓氣機同在高壓軸上，CDFS實際上等效于高壓壓氣機的一部分，由于二者高度耦合，使得CDFS的控制規律更為復雜，設計難度較高。

風扇葉尖風扇

Flade是在可變風扇系統基礎上發展出的一類可調部件。在典型雙外涵變循環發動機布局基礎上，從風扇向外延伸出一個單獨流道，并且采用一個連接在風扇轉子葉片上的風扇級，即Flade。Flade有單獨可調靜子，可獨立改變進入風扇和核心機的空氣流量和壓比，使得發動機循環變化范圍進一步拓展，并且減少了在亞聲速和超聲速工作時可能產生的過大的溢流阻力，從而改善發動機的安裝性能。然而，Flade與風扇轉子葉片相連，其徑向位置及葉片安裝會引起應力提升，使得其轉速受到Flade轉子強度限制。根據Flade在發動機可變風扇系統中的設置位置，可分為前置Flade與后置Flade兩種類型。

圖3 一種自適應循環發動機構型

前置Flade

前置Flade是自適應循環發動機區別于其上一代變循環發動機最鮮明的標志。自適應循環發動機基于Flade與CDFS等關鍵部件，配合模式選擇閥及前涵道引射器等涵道調節機構，形成三外涵構型，可寬范圍調整發動機涵道比，實現比常規變循環發動機更多的動力模式，進一步提升發動機的任務適應性。然而，前置Flade方案與發動機風扇耦合程度很高，二者控制律設計復雜；此外，Flade葉尖轉子的強度要求限制了發動機低壓系統的轉速，大大增加了低壓系統的設計難度。

圖4 后置Flade方案

后置Flade

后置Flade是自適應循環發動機中前置Flade方案的衍生方案。該方案中后段風扇轉子葉片帶有一環狀結構，將流道一分為二，分別連通第一外涵道與內涵道，形成Flade構型（如圖4所示）。后段風扇的導葉也可相應分成上、下兩段，并且可以獨立調節。與常規后段風扇方案相比，該方案通過上、下兩段導葉分調，進一步增強了發動機內、外涵道流量及壓比的分配能力。然而，與前置Flade不同，后置Flade位于發動機內部，受流道空間限制，結構設計難度較高。

渦輪葉尖風扇

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

后置自由渦輪葉尖風扇

后置自由渦輪葉尖風扇方案是在現有變循環發動機方案基礎上，在發動機尾部加裝渦輪葉尖風扇部件，由低壓渦輪后燃氣與外涵道氣流驅動（如圖5所示）。該方案中后置自由渦輪葉尖風扇作為獨立部件，可實現較低轉速，易于滿足葉尖風扇轉子強度要求；對原有發動機方案影響較小，易于與已有發動機方案進行耦合設計。但該方案需要獨立支承結構，設計相對復雜。

低壓渦輪葉尖風扇

該方案中低壓渦輪葉尖風扇連接在低壓軸上，設置在原低壓渦輪之后，由原低壓渦輪后燃氣驅動（如圖6所示）。由于低壓渦輪葉尖風扇作為低壓系統的一部分，可以采用原低壓渦輪的支承系統，無須進行獨立設計。但是，該方案低壓渦輪葉尖風扇的轉速即低壓轉子轉速，相比另外兩種方案轉速更高，對葉尖風扇轉子強度提出了更高的要求；渦輪葉尖風扇與低壓系統緊密耦合，調節原理與控制規律更為復雜。

圖5 后置自由渦輪葉尖風扇方案

圖6 低壓渦輪葉尖風扇方案

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扇前置，由風扇后壓縮空氣直接驅動，即構成前置空氣渦輪（如圖7所示）。該方案中空氣渦輪作為獨立部件，可實現較低轉速，易于滿足葉尖風扇轉子強度要求；此外，合理調節空氣渦輪部件，有利于提升壓縮系統喘振裕度；空氣渦輪所處的區域位于發動機前端，溫度低、結構設計空間大，便于開展適應性設計。但空氣渦輪結構相對復雜，并且與風扇部件深度耦合，工況變化大、變化規律復雜，設計難度大，設計風險高，需要全新的設計理念與準則。

結束語

綜合上述變循環發動機關鍵部件，其設計思想可歸納為將傳統發動機的壓縮、膨脹等主要功能部件的功能進行分解、重組，進一步增強發動機流量調節能力，促使發動機在較寬范圍內改變工作狀態，以滿足不同任務需求。部件功能的分解、重組基于新構型實現，如壓縮功能分解催生基于風扇分段的可變風扇系統設計、壓縮與膨脹功能融合催生渦輪葉尖風扇設計等。而以可變風扇系統、Flade、渦輪葉尖風扇等為代表的關鍵部件及其相關改進設計仍將是未來變循環發動機創新發展的關鍵。