■ 史文斌 王詠梅 昌皓 / 中國航發(fā)動力所

自適應發(fā)動機（ACE）可根據(jù)不同任務需求，通過改變多個幾何可調(diào)機構位置并采用自適應控制技術，調(diào)節(jié)風扇及核心機的流量和壓比，使發(fā)動機在包線內(nèi)不同速度和高度點獲得最優(yōu)的性能，兼具小涵道比和大涵道比渦扇發(fā)動機的優(yōu)點。但與此同時，ACE存在工作模式多、狀態(tài)轉(zhuǎn)換復雜和可調(diào)部件多、機構復雜、調(diào)節(jié)范圍寬、可調(diào)變量多等技術難點，對其壓縮系統(tǒng)的構型也提出了更高的要求。

自20世紀60年代起，美國針對變循環(huán)發(fā)動機（VCE）技術的發(fā)展制訂了國家層面的一系列長期研究計劃。在這些計劃的支持下，變循環(huán)發(fā)動機經(jīng)歷了從追求優(yōu)異性能、到經(jīng)濟可承受性再到飛發(fā)一體化和熱管理技術的發(fā)展過程。在這一過程中，GE公司對變循環(huán)發(fā)動機的研究一直處于領先地位，并且具有很強的代表性。截至目前，GE公司已經(jīng)研究探索了四代變循環(huán)發(fā)動機，包括第一代YJ101/VCE驗證機、第二代GE21、第三代YF120和第四代可控壓比發(fā)動機（COPE），以及正在開展的新一代自適應發(fā)動機（ACE）（如圖1所示）。

自適應發(fā)動機的基本原理

常規(guī)航空發(fā)動機在設計過程中，首先要明確主要飛行任務剖面，而后確定工作點和熱力循環(huán)參數(shù)，兼顧飛機其他飛行高度和速度的需求。發(fā)動機的主要熱力循環(huán)參數(shù)如增壓比、涵道比和流量不可調(diào)節(jié)、可調(diào)節(jié)的部件主要是進氣道和噴管，以滿足發(fā)動機對流量的需求。發(fā)動機在設計點上工作效率最高，在非設計點上效率會下降。因此，兼顧設計點與非設計點的工作效率可極大提升發(fā)動機與飛機的性能。

圖1 美國變循環(huán)技術研究發(fā)展歷程

早期的變循環(huán)發(fā)動機的調(diào)節(jié)對象主要是涵道比，針對高速飛行和巡航時的不同需求進行設計，實現(xiàn)階段性控制，能適應的變循環(huán)飛行段有限。理想的變循環(huán)發(fā)動機應該在亞聲速巡航時表現(xiàn)出大涵道比發(fā)動機低油耗的特性，在超聲速飛行時表現(xiàn)出小涵道比發(fā)動機（渦噴發(fā)動機的涵道比為0）高單位推力的特性。如GE公司的YF120雙涵道變循環(huán)發(fā)動機，實現(xiàn)了對核心機流量和涵道比的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機在雙涵道與單涵道工作模式之間的轉(zhuǎn)換，從而使飛機在高速飛行/超聲速巡航和高空亞聲速/空戰(zhàn)機動飛行時都能得到滿足要求的性能。

在此基礎上，GE公司在經(jīng)濟可承受先進渦輪發(fā)動機(VAATE)計劃中提出了自適應發(fā)動機的概念，其特點表現(xiàn)為發(fā)動機的增壓比和涵道比可調(diào)，這兩個關鍵因素將直接影響耗油率和推力。與早期的具有雙涵道的變循環(huán)發(fā)動機相比，自適應變循環(huán)發(fā)動機增加了第三涵道，用于調(diào)節(jié)涵道比。借助第三涵道，發(fā)動機可在飛機進氣道幾何固定的條件下以亞聲速和超聲速工作，多余的空氣進入第三涵道減小飛機進氣道的溢流阻力。自適應變循環(huán)發(fā)動機可以改變空氣流量和單位推力，以適應超聲速巡航、跨聲速和亞聲速巡航飛行的需要。

第三涵道是自適應發(fā)動機的主要結構特征。在三涵道結構中，內(nèi)涵道和第二涵道可以看作是傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動機或類似YF120的雙外涵道變循環(huán)發(fā)動機，而第三涵道是自適應發(fā)動機的獨特結構。第三涵道的氣流不進入核心機，不影響發(fā)動機的正常工作。通過調(diào)整發(fā)動機進口流量大小，改變進氣道的出口背壓，控制進氣道內(nèi)激波的位置，實現(xiàn)可調(diào)進氣道的功能。第三涵道還可以解決進氣道邊界層分離和熱管理上的問題。第三涵道提供的氣流量將根據(jù)發(fā)動機不同任務階段進行控制，通過增加氣流流量提高推進效率和節(jié)省燃油，或者通過增加核心氣流提高推力，或者作為冷卻氣流用于燃油冷卻或飛機系統(tǒng)的散熱。

綜上，自適應技術就是通過改變發(fā)動機部件的幾何形狀、尺寸和位置來調(diào)節(jié)熱力循環(huán)參數(shù)。變循環(huán)或自適應技術并不對發(fā)動機各部件提出很高的單項技術指標，而是要求在變流量、變工況條件下實現(xiàn)風扇、壓氣機和渦輪等部件流場的良好匹配，以及發(fā)動機的控制系統(tǒng)的技術提升，實現(xiàn)各部件的協(xié)調(diào)工作。而自適應發(fā)動機的主要特征包括以下幾點：具有三涵道或第三外涵道特征；安裝性能好，有利于減小發(fā)動機進氣道的溢流阻力，降低進氣道的復雜性；整個飛行包線內(nèi)綜合性能最優(yōu)，根據(jù)任務階段的需要，第三涵道提供額外的質(zhì)量流量提高推進效率和燃油效率，增加核心機流量以獲得更大的推力和冷卻空氣；先進熱管理技術，增強隱身性。

自適應壓縮系統(tǒng)構型

自適應壓縮系統(tǒng)是自適應發(fā)動機的關鍵部件，在結構上具有三涵道或第三外涵道特征。雖然GE 和普惠有各自的自適應壓縮方案，但是涉及的關鍵核心技術均未公開。根據(jù)公開的報道和專利，常見的自適應壓縮系統(tǒng)的布局形式及其衍生型，按照實現(xiàn)第三涵道的不同方式可劃分為以下幾種類型。

Advent自適應發(fā)動機構型

GE公司的Advent發(fā)動機（如圖2所示）的壓縮系統(tǒng)由兩級自適應風扇、核心驅(qū)動風扇和高壓壓氣機組成（壓縮系統(tǒng)流路如圖3所示）。

自適應風扇由兩級分別帶進出口靜子的單級風扇組成，是一種“前后分離”的風扇布局方案。該自適應風扇各級進出口均有一排葉片，通過后風扇靜子幾何調(diào)節(jié)，既可重新調(diào)整兩級風扇的負荷分配從而改變風扇的總壓比，又可起到調(diào)節(jié)涵道比的作用。如需實現(xiàn)更大范圍的涵道比調(diào)節(jié)，可通過在第三外涵道進口設置模式選擇結構來實現(xiàn)，但會造成較復雜的調(diào)節(jié)結構，須對結構復雜性和調(diào)節(jié)能力需求進行平衡。

圖2 Advent發(fā)動機模型

圖3 Advent自適應壓縮系統(tǒng)流路

從噴管結構模型看，第三外涵道的冷氣流圍繞著流經(jīng)渦輪的高溫氣流，在噴管幾何喉道后與高溫氣流摻混排出發(fā)動機，可有效降低排氣溫度，起到抑制紅外信號的作用，提高隱身性能。

總之，Advent發(fā)動機構型具有第三外涵道特征、實現(xiàn)紅外隱身、可變涵道比和變風扇壓比的能力。由于前風扇需要承受或?qū)崿F(xiàn)較寬的流量調(diào)節(jié)范圍，才能具備完全消除進氣道溢流阻力的能力，因此在全包線內(nèi)能否獲得較優(yōu)的安裝性能還存在不確定性。

帶有葉尖風扇的自適應發(fā)動機

GE公司在2003—2005年申請了大量葉尖風扇（Fan on blade，F(xiàn)lade）專利，從相關資料來看，帶有葉尖風扇的自適應發(fā)動機構型（如圖4所示）是GE公司發(fā)展的一個重要方向。這種構型的壓縮系統(tǒng)由兩級自適應風扇、核心機驅(qū)動風扇（CDFS）、高壓壓氣機和有別于其他構型的葉尖風扇組成（流路如圖5所示）。

亞聲速巡航時，自適應風扇調(diào)整導流葉片（IGV）至全開位置，使葉尖風扇涵道（第三外涵道）打開，吸入進氣道溢流，減小飛機溢流阻力；葉尖風扇涵道可以吸入進氣道邊界層氣流，提高核心機進氣氣流品質(zhì)；葉尖風扇涵道氣流可參與熱端部件冷卻，改善發(fā)動機紅外隱身性能。在地面起飛和超聲速巡航時，通過調(diào)整IGV的角度，使葉尖風扇涵道關閉，獲得較大的推力。

葉尖風扇涵道獨立可調(diào)，其氣流流動與主流之間基本無太大干涉，主要受葉尖風扇級的葉尖切線速度影響。由于葉尖風扇葉尖切線速度的限制，整個低壓軸轉(zhuǎn)速受限，為保證一定的風扇壓比，主風扇的級數(shù)不會很少或者主風扇的級數(shù)較少但級負荷較高。葉尖風扇外涵流量調(diào)節(jié)方式可以采用一排或兩排葉片調(diào)節(jié)或涵道出口可調(diào)面積噴管實現(xiàn)?？烧{(diào)葉排數(shù)須從氣動設計方面來考慮，若采用可變彎度導流葉片（VIGV）或IGV，須從氣動和結構平衡考慮流路的設計，可調(diào)葉排越多需要的可調(diào)機構也越多。

圖4 帶有葉尖風扇的自適應發(fā)動機

圖5 葉尖風扇特征的自適應壓縮系統(tǒng)流路

葉尖風扇涵道氣流可有不同的排出方式。一是分排模式，氣流經(jīng)過葉尖風扇增壓后直接排入大氣產(chǎn)生推力；二是外混排模式，在第三外涵道出口設置涵道引射器使氣流與內(nèi)涵氣流摻混，降低內(nèi)涵氣流外圍的紅外信號（與摻混位置有關）；三是內(nèi)混排模式，氣流經(jīng)過葉尖風扇增壓后，通過渦輪后支板流入發(fā)動機內(nèi)涵尾錐，在內(nèi)部高速噴出與內(nèi)涵混合，減小紅外信號。若追求隱身性，比較理想的選擇是同時采取后兩種模式，此時，第三外涵道產(chǎn)生的推力相對較小。

主風扇通常采用常規(guī)風扇或?qū)D(zhuǎn)風扇方案。常規(guī)主風扇的技術比較成熟，但與葉尖風扇結合會帶來質(zhì)量大幅增加、結構設計復雜的問題。若采用對轉(zhuǎn)主風扇，可以減輕質(zhì)量，但存在氣動設計技術風險。無論采用哪種主風扇，為滿足強度設計要求需要增加主風扇轉(zhuǎn)子葉片的厚度，而質(zhì)量會進一步增大。

主風扇進口是否設置VIGV，與發(fā)動機性能要求有關。若設置VIGV，主風扇在中低轉(zhuǎn)速可以獲得較好的穩(wěn)定工作裕度，同時也可作為承力框架在第三外涵道設計支板與進氣機匣VIGV相連，這樣必然增加結構設計的復雜性，在氣動損失可控的情況下，能夠獲得氣動和結構的平衡。

圖6 GE公司下一代自適應發(fā)動機核心機和分流結構

總之，葉尖風扇自適應布局形式具有第三外涵道特征、較好的紅外隱身、可變涵道比和寬廣的流量調(diào)節(jié)能力。但由于葉尖風扇轉(zhuǎn)子位于主風扇外側尺寸較大，整體工作在高切線速度下，激波將貫穿整個葉高，帶來嚴重的強度問題和氣動損失。同時，由于葉尖風扇涵道氣流排出模式的差異，在部分工況下可能僅產(chǎn)生較小的推力，主要實現(xiàn)涵道比的調(diào)節(jié)、消除溢流阻力和抑制紅外信號的作用。對戰(zhàn)斗機而言，葉尖風扇經(jīng)常作為負擔而存在。因此，須綜合考慮全飛行包線內(nèi)的收益和代價來取舍葉尖風扇的布局形式。

GE下一代自適應發(fā)動機

GE公司公開的下一代自適應發(fā)動機的資料顯示，該發(fā)動機主要由3級風扇、7級高壓壓氣機、2級高壓渦輪和2級低壓渦輪組成（如圖6所示）。需要注意的是，這種構型無核心機驅(qū)動風扇，同時高低壓渦輪級數(shù)均為兩級，說明風扇和壓氣機的總增壓比高。

其壓縮系統(tǒng)的主要特點是，第三級風扇轉(zhuǎn)靜子均放置于下壓流路，3個涵道的分流分別在2級靜子和3級轉(zhuǎn)子后完成，3級風扇與下游中介機匣的過渡非常緊湊，分流環(huán)已延伸到第三級靜子前緣，在第三涵道和第二涵道進口處未發(fā)現(xiàn)類似模式選擇閥的結構（如圖7所示）。該布局形式與常規(guī)渦扇發(fā)動機相比，增加了一個涵道，在如此緊湊的結構布局下，可采用多套靜子聯(lián)調(diào)機構或后涵道引射器，實現(xiàn)3個涵道變流量和變壓比的主動調(diào)節(jié)控制。

圖8 GE公司下一代自適應發(fā)動機工作模式

據(jù)GE公司官方網(wǎng)站介紹，該型自適應發(fā)動機有高推力和高效率兩個主要工作模式（如圖8所示）。在高推力模式下，進入發(fā)動機的空氣大部分流經(jīng)核心機和第二涵道，用以產(chǎn)生更大推力，幫助飛行員高效執(zhí)行戰(zhàn)斗任務；在高效率模式下，增加第三涵道的流量以大幅降低燃油消耗，增加飛行距離。

結束語

自適應發(fā)動機技術屬于新一代變循環(huán)技術，三涵道結構是其主要特征，也是實現(xiàn)自適應發(fā)動機綜合性能最優(yōu)、先進熱管理技術等功能的結構基礎。在實現(xiàn)第三涵道的作用上，3種常見的自適應發(fā)動機壓縮系統(tǒng)構型各有優(yōu)缺點，技術可行的自適應發(fā)動機壓縮系統(tǒng)的構型仍需要進行深入研究。