■ 張鑫 印雪梅 高興 / 中國航發(fā)動力所

核心機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇級（CDFS）是自適應(yīng)/變循環(huán)發(fā)動機(jī)的一種典型部件，而可變面積前涵道引射器（FVABI）又是核心機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇中不可或缺的特征部件，承擔(dān)著改變發(fā)動機(jī)涵道比的核心功能，其調(diào)節(jié)的精度和可靠性直接關(guān)系到自適應(yīng)/變循環(huán)發(fā)動機(jī)的工作性能。

自適應(yīng)/變循環(huán)發(fā)動機(jī)被公認(rèn)為是未來多任務(wù)、多用途飛行器的首選動力裝置。通過控制調(diào)整相關(guān)部件的幾何形狀、尺寸或位置，改變流路結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變相應(yīng)的熱力循環(huán)參數(shù)，使得發(fā)動機(jī)能夠滿足多任務(wù)、多目標(biāo)的使用需求，在整個飛行包線內(nèi)均可獲取最佳性能。實(shí)現(xiàn)變循環(huán)功能的結(jié)構(gòu)一直是變循環(huán)發(fā)動機(jī)研究的熱點(diǎn)之一，其中的可變面積前涵道引射器（FVABI）更是研究的重點(diǎn)。

前涵道引射器的原理

圖1 早期雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)變循環(huán)發(fā)動機(jī)的工作優(yōu)勢，早期的變循環(huán)發(fā)動機(jī)重點(diǎn)研究的是如何兼顧循環(huán)和機(jī)械設(shè)計的問題。其中，為了增強(qiáng)部分功率下氣流流通能力和降低亞聲速飛行條件下的耗油率，研究人員引入了分布式風(fēng)扇（核心機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇的前身）的設(shè)計（如圖1所示），而可變面積前涵道引射器（FVABI）則是其關(guān)鍵部件。最早的帶分布式風(fēng)扇的雙外涵道變循環(huán)發(fā)動機(jī)是一個全長涵道，以隔開流向排氣噴管的內(nèi)側(cè)和外側(cè)涵道氣流，這就需要一個單獨(dú)的、與之配套的外風(fēng)扇排氣噴管，以及FVABI來調(diào)節(jié)內(nèi)涵道的空氣流量，使得內(nèi)涵道氣流與渦輪出口氣流靜壓可以靈活地匹配。將這一理念拓展應(yīng)用，則可以去掉全長風(fēng)扇外涵道管道和單獨(dú)的噴管，以減輕發(fā)動機(jī)的質(zhì)量和降低噴管的復(fù)雜程度（如圖2所示）。

前涵道引射器的發(fā)展歷程

圖2 不同雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)對比圖

圖3 FVABI的兩種調(diào)節(jié)方式

在美國實(shí)施“超聲速巡航研究”（SCR）計劃的早期，美國國家航空航天局（NASA）通過縮比模型試驗(yàn)證明了同軸環(huán)形噴管在噪聲控制方面的優(yōu)勢。該試驗(yàn)所依賴的大量風(fēng)扇氣流是由關(guān)鍵部件FVABI提供，因此，該試驗(yàn)從側(cè)面首次驗(yàn)證了FVABI概念的可行性。20世紀(jì)70年代中期，GE公司制造并試驗(yàn)了各種各樣的分布式風(fēng)扇，并在美國空軍、海軍和NASA的資助下完成了5項(xiàng)連續(xù)的YJ101/變循環(huán)發(fā)動機(jī)（VCE）測試計劃，以及一系列超過300h的FVABI性能測試試驗(yàn)，目的是驗(yàn)證FVABI與分布式風(fēng)扇相結(jié)合的可靠性、實(shí)際的氣動性能和機(jī)械上的可操作性，試驗(yàn)結(jié)果證明上述目標(biāo)均可達(dá)到，并且涵道工作模式的轉(zhuǎn)變也可在一定速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

帶分布式風(fēng)扇的變循環(huán)發(fā)動機(jī)在20世紀(jì)80年代不斷發(fā)展成熟，并且在90年代以YF120發(fā)動機(jī)的出現(xiàn)為標(biāo)志達(dá)到了發(fā)展高潮。早期的分布式風(fēng)扇都將如何調(diào)節(jié)通過內(nèi)涵道的空氣流量作為一個核心問題，早期的分布式風(fēng)扇基本都具有FVABI，以控制內(nèi)涵道氣體的流動，但該機(jī)構(gòu)的存在在一定程度上增加了發(fā)動機(jī)的質(zhì)量，控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜。因此，在后續(xù)帶分布式風(fēng)扇的變循環(huán)發(fā)動機(jī)的相關(guān)研究中，研究人員希望盡可能在概念設(shè)計時就去掉這個部件。但與此同時，F(xiàn)VABI作為一種重要的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在多種變循環(huán)/自適應(yīng)發(fā)動機(jī)的作用受到越來越廣泛的重視。

前涵道引射器的研究現(xiàn)狀

FVABI典型的調(diào)節(jié)方式主要有兩種，即軸向（平動式）調(diào)節(jié)和俯仰（轉(zhuǎn)動式）調(diào)節(jié)（如圖3所示）。軸向調(diào)節(jié)方式采用軸向線性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，由埋入分流環(huán)機(jī)匣中的作動機(jī)構(gòu)帶動圓筒做軸向伸縮，以增大或減小第一外涵道的出口流通面積；俯仰調(diào)節(jié)方式沿周向布置了多個俯仰調(diào)節(jié)板，通過調(diào)節(jié)其俯仰角度來改變第一、第二外涵道的流通面積。根據(jù)具體的實(shí)現(xiàn)方式，F(xiàn)VABI又大致可分為引射式、作動筒內(nèi)置節(jié)流式和作動筒外置節(jié)流式。

北京航空航天大學(xué)設(shè)計的一種引射式FVABI機(jī)構(gòu)（如圖4所示），采用平動式涵道面積調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，平動錐體為薄壁圓筒狀，兩個液壓作動筒位于外涵道內(nèi)周向均勻分布，通過連桿控制平動錐體前后移動，從而改變涵道流通面積。該型FVABI使用引射器裝置，能夠使氣流摻混較為平緩，有較高的氣動效率；同時，結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)目少，質(zhì)量輕，可靠性高。但該方案在氣流通道中布置了較多的部件，特別是平動錐體占據(jù)了外涵道的較大部分，對外涵道的氣體流動形成了阻礙。

典型的作動筒內(nèi)置節(jié)流式結(jié)構(gòu)形式簡單，采用平動式涵道調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以內(nèi)置于核心驅(qū)動風(fēng)扇機(jī)匣的作動裝置來實(shí)現(xiàn)閥門可控制狀態(tài)的變化，節(jié)省外部空間，且對外涵道的氣流流動影響較小，但作動筒內(nèi)置使得安裝和維修困難等問題顯著。

圖4 一種典型的引射式FVABI機(jī)構(gòu)

圖5 作動筒外置節(jié)流式FVABI

作動筒外置節(jié)流式方案是目前驗(yàn)證階段應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)形式，由北京航空航天大學(xué)樊江等人設(shè)計的一種典型的作動筒外置節(jié)流式結(jié)構(gòu)專利如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)形式的作動筒布置在外機(jī)匣以外，減少了對外涵道的氣動效率的影響，但該結(jié)構(gòu)方案零部件數(shù)目較多，且聯(lián)動機(jī)構(gòu)及拉桿的存在增加了機(jī)構(gòu)質(zhì)量。

從以上研究可以看出，目前我國相關(guān)的技術(shù)研究還多處于理論分析階段，主要集中在性能仿真模型的建立和結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，當(dāng)然也有部分科研單位已經(jīng)開展了部分機(jī)構(gòu)和部件的試驗(yàn)驗(yàn)證，其中中國航發(fā)在相關(guān)計劃的支持下，利用現(xiàn)有發(fā)動機(jī)平臺開展了FVABI結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究，以及變循環(huán)技術(shù)整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 一種先進(jìn)自適應(yīng)發(fā)動機(jī)

前涵道引射器的未來發(fā)展

FVABI的發(fā)展依托于核心機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇理論的發(fā)展，是一個多專業(yè)、多層級的優(yōu)選和迭代過程。為了解決核心機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇處于亞聲速巡航狀態(tài)時增壓損失的問題，方案之一就是在核心機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇上增加一個分離器，該結(jié)構(gòu)也需借助FVABI以實(shí)現(xiàn)。而從下一代發(fā)展變革方向來看，在核心流路和涵道加裝相互獨(dú)立的鉸接靜子葉片等結(jié)構(gòu)形式，可以省去FVABI結(jié)構(gòu)（一種先進(jìn)自適應(yīng)發(fā)動機(jī)采用了涵道出口靜子葉片作為其替代品，如圖6所示），這種布局既保持了較簡單的結(jié)構(gòu)，又為獨(dú)立控制流量及壓力匹配提供了更高的自由度。但不論是選擇繼續(xù)發(fā)展FVABI，還是采用其他替代技術(shù)，都依賴于對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究、評估和驗(yàn)證，特別是FVABI控制風(fēng)扇前段失速裕度的能力水平等。這對FVABI本身的性能（包括調(diào)節(jié)精準(zhǔn)度、輕質(zhì)化、結(jié)構(gòu)緊湊度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等）和發(fā)展迭代周期、技術(shù)成熟度等方面均提出了較高要求。

由于FVABI變幾何結(jié)構(gòu)對緊湊要求的提高以及其傳力路線的特殊性，使得除了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)外其自身也具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求，輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料需求顯得越來越重要。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計、拓?fù)湓O(shè)計等先進(jìn)設(shè)計手段的應(yīng)用對于先進(jìn)制造工藝的需求也更加顯著，例如，增材制造技術(shù)的應(yīng)用對于復(fù)雜、緊湊的輕量化結(jié)構(gòu)布局的實(shí)現(xiàn)意義重大，將是未來發(fā)展的一個重要方向。同時，開展樣件及試驗(yàn)件試制，并從吹風(fēng)試驗(yàn)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)等多層級進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能驗(yàn)證，可以明顯提升部件技術(shù)成熟度，并降低研制風(fēng)險、縮短研制周期。

結(jié)束語

前涵道引射器等可變面積部件作為自適應(yīng)/變循環(huán)發(fā)動機(jī)參數(shù)自主調(diào)節(jié)的關(guān)鍵部件，對于提高任務(wù)包線、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等具有重要的意義。應(yīng)以未來先進(jìn)飛行器動力系統(tǒng)需求為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)地開展前涵道引射器功能、性能需求分析以及相應(yīng)的氣動、結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)設(shè)計技術(shù)研究，提煉設(shè)計方法和流程，并以試驗(yàn)驗(yàn)證為依托進(jìn)一步提高技術(shù)成熟度，填補(bǔ)動力設(shè)計研究體系空白，為未來不同自適應(yīng)/變循環(huán)發(fā)動機(jī)等先進(jìn)動力系統(tǒng)的研制提供關(guān)鍵技術(shù)儲備。