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变循环喷气发动机
更新时间: 2015.07.21 浏览次数:

CE是通过改变发动机一些部件的几何形状、尺寸或位置来改变其热力循环的燃气涡轮发动机。利用变循环改变发动机循环参数,如增压比、涡轮前温度、空气流量和涵道比,可以使发动机在各种飞行和工作状态下都具有良好的性能。

    简介从飞机/发动机设计理念可知,对于持续高马赫数飞行任务,需要高单位推力的涡喷循环。反之,如果任务强调低马赫数和长航程,就需要低耗油率的涡扇循环。当任务兼有超声速飞行和亚声速飞行或存在多设计点时,麻烦就出现了。为任务的某一部分设计的循环在飞行包线其他地方的性能就差。在燃油消耗几乎均分在超声速和亚声速飞行的混合任务中或在多工作点是必须的情况下,变循环发动机(VCE)显示出巨大的潜力。
    发展历史:由于受超声速客机和大飞行包线多任务战斗机需求的驱动,早在20世纪60年代国外就开始VCE的研究。1971年,美国航宇局(NASA)开始实施超声速巡航研究(SCR)计划,该计划的头3年,发动机承包商从上百个方案中优选出能够满足亚声速和超声速飞行相互矛盾要求的两种VCE,即GEAE公司的双涵道发动机(DBE)和普惠公司的变流路控制发动机(VSCE)。为了将研究工作集中在这两种VCE上,NASA在1976年制定了单独的超声速推进技术研究计划。到1981年计划结束时,相对1971年的GE4(GE当时研制的一种超声速运输机用发动机),经验证的VCE的超声速巡航耗油率下降10%,跨声速耗油率有类似的改善,亚声速的耗油率改善达24%,而重量仅为GE4的75%。
VSCE具有常规外涵加力涡扇发动机的流路,但采用独特的主燃烧室控制程序,并广泛采用变转速和变几何的风扇、压气机以及变几何的主喷管和副喷管,以控制其工作时的涵道比。在亚声速巡航状态,外涵不开加力,发动机以一种常规分排中等涵道比(约1.5)涡扇发动机工作,因而具有比较好的亚声速巡航性能。起飞、加速和超声速巡航时,需要大的推力,因而打开外涵加力。起飞开加力时噪声增大,但因采用同心环反速度场喷管而得以降低。结果,起飞时的噪声相当于常规涡扇发动机的噪声水平。在超声速巡航时,通过提高涡轮前温度和变几何,加大高压转子转速,这样,涵道比减小,对加力的需求也减小,其耗油率接近设计良好的涡喷发动机。
1985年后,美国的VCE研究工作纳入NASA的高速推进研究计划(HSPR),DBE和VSCE两种方案继续得到发展。进入90年代后,美国、欧洲和日本又掀起研究超声速(M3)和高超声速客机推进系统的热潮。罗-罗公司提出可放气的VCE。法国斯奈克玛公司提出了中间风扇的MCV99VCE方案。
1989年,日本开始着手为期10年的超声速和高超声速推进系统研究计划(HYPR),并于1999年完成,总投资约3亿美元。计划的目标是为超声速运输机和高速运输机的推进系统打下技术基础。通过研究和试验马赫数5的组合循环发动机(CCE)验证了其可行性。CCE由VCE(代号为HYPR-T)和以甲烷为燃料的冲压发动机组成。HYPR-T的方案与GE公司的DBE类似。
1996年12月到1997年2月,HYPR-T发动机的模拟高空试验在GE的模拟高空试验台上进行,模拟的速度为马赫数3,高度20700米。通过试验,成功地验证了发动机的适用性。在试验中,涡轮前温度达到1873K,涵道比从0.6成功地变化到0.9。通过改变低压涡轮导向器的角度,在高速高温状态下的推力增加15%。
VCE研究的另一个驱动力来自战斗机方面。
自20世纪60年代以来,战斗机一方面朝着多用途方向发展,另一方面,飞机的飞行包线不断扩大,从低亚声速待机到高亚声速和超声速巡航和机动(开加力或不开加力),飞行高度从海平面到15千米~17千米,作战半径达1000千米~2000千米。VCE正好能满足这种多飞行状态的性能要求。
据模拟计算结果,对于罗-罗公司选择的放气VCE,虽然重量增加50千克,但它仍可使飞机起飞总重和任务油耗分别降低2.33%和3.36%;对于GE公司的双涵VCE,任务油耗可降低2%~3.5%,而且,在亚声速飞行时,VCE的涡轮前温度在某些点上可降低300K以上,这可用来进一步降低耗油率或延长涡轮寿命。特别是在20世纪70年代后,更加重视飞机机体/推进系统一体化设计,VCE还能降低溢流和后体阻力,其优势更为明显。于是,对军用目的VCE的研究逐步开展起来。