常规布局涡扇发动机实现变循环功能的技术途径初探

结合常规布局涡扇发动机特点,通过热力循环参数分析,对现有涡扇发动机实现变循环功能的技术途径进行了初步分析,为利用现有发动机开展变循环技术研究、实现变循环功能及提高发动机的任务适应性提供参考。     

3 外涵变循环发动机循环参数匹配模拟

3外涵技术能使发动机涵道比调节范围更宽,使其在所有推力范围和全包线下性能最优。分析了带核心机驱动风扇级（CDFS）的3外涵变循环发动机工作机理,利用稳态性能数值仿真程序,开展了3外涵变循环发动机循环参数匹配模拟研究,得到发动机循环参数取值范围。研究结果表明：3外涵变循环发动机工作范围更广,重点是通过改变其涵道比来实现压比的变化和发动机模态的转变,最终实现3外涵变循环发动机的优越性能。     

变循环涡扇冲压组合发动机发展现状及关键技术分析

总结了国内外变循环涡扇冲压组合发动机的发展现状,对比分析了有/无能量传递构型的变循环涡扇冲压组合发动机的工作原理及优缺点。提炼了变循环涡扇冲压组合发动机的关键技术,包括总体性能仿真技术、高速宽工况风扇设计技术、加力/冲压燃烧室设计技术、热管理系统设计技术以及模态转换设计技术。基于国内需求和相关技术研究现状,给出了变循环涡扇冲压组合发动机后续重点研究方向的建议,包括发动机总体性能设计与仿真工具、发动机多设计点多学科耦合设计方法、发动机热管理系统设计与仿真建模以及关键部件的设计与试验。     

美国自适应发动机研究的进展与启示

为借鉴和参考美国自适应循环发动机的研究与研制经验,综述了美国变循环发动机演变至自适应发动机的3个发展阶段,重点介绍了其在多用途经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)研究计划下的自适应通用发动机技术(ADVENT)分计划、自适应发动机技术验证(AETD)分计划、自适应发动机过渡(AETP)分计划和空中优势自适应推进技术(ADAPT)分计划的开发与验证情况。分析总结出美国自适应发动机具有以下特点:技术先进且应用前景广泛,代表未来发展方向;变循环与自适应循环技术均不成熟,还需深入验证;技术研究采用竞争策略实施。     

用于超声速民机的变循环发动机研究进展

虽然自"协和"式民机退出蓝天后,在役民机止步于高亚声速,但是研究人员追寻超声速民用运输的脚步却从未停止,并且自第1代超声速民机以后,对超声速民机的研究就从未脱离过变循环发动机的技术探索。叙述了国外超声速民机用变循环发动机的发展历程,着重介绍了美国超声速巡航研究(SCR)计划、美国高速研究(HSR)计划、欧洲超声速研究(ESRP)计划、日本高超声速运输机推进系统研究(HYPR)计划、美国商业超声速(CST)计划下的变循环发动机研制情况,总结了各计划下变循环发动机的结构特点、性能优势及发展目标,论述了进/发匹配、低噪声、低排放等超声速民机用变循环发动机的关键技术及研究进展,为中国超声速民机用变循环发动机的发展提供一定的参考。     

FLADE变循环发动机模态转换过程特性分析

为对带FLADE(Fan on Blade)的变循环发动机总体性能进行评估,发展了FLADE部件计算方法以及带FLADE的双外涵变循环发动机稳态性能计算模型,加入反映转子惯性效应和部件容积效应的动力学方程,建立了变循环发动机过渡态性能计算模型。分析了FLADE变循环发动机在双外涵与单外涵模式之间的模态转换过渡态特性,重点研究了几何参数调节及其不同组合形式对FLADE变循环发动机模态转换过程的影响。结果表明,带FLADE的双外涵变循环发动机的模态转换过程只与FLADE导叶角度和FLADE喷管面积有关,且两者应同时放大或关小;FLADE的开/关对风扇外涵气流及核心机的影响较小。     

基于循环参数分析的涡轮基组合动力系统用高速涡轮发动机构型方案

在涡轮基组合动力系统的使用场景中,高速涡轮发动机为了实现起飞、跨声速、模态转换等状态下的性能指标,需要扩展使用速域范围,兼顾多状态推力性能,对于发动机构型和循环参数选取提出了特殊的要求。开展基于循环参数分析的高速涡轮发动机构型方案设计,通过分析高速涡轮发动机在不同速域下的使用需求,明确发动机的技术特征,并从性能、结构、技术发展趋势等多角度对高速涡轮发动机构型进行分析,针对双转子涡扇构型的高速涡轮发动机开展循环参数分析,明确压比、涵道比和涡轮前温度对发动机不同工况性能的影响。结果表明：变循环是高速涡轮发动机的理想构型方案。现阶段应基于双转子涡扇构型逐步集成变循环特征部件,并通过合理的循环参数匹配,实现高低速性能的兼顾。     

变循环发动机

首先对变循环发动机(VCE)发展作了简要的回顾，接着，重点介绍了通用电气公司的VCE的发展情况．最后，对实现VCE所需突破的一系列关键技术进行了叙述。     

基于蜂群算法的变循环发动机最小耗油率优化

性能寻优控制是使变循环发动机满足长寿命、低油耗和大推力需求的主要途径,也是实现飞机推进系统综合控制的关键技术.基于双外涵变循环发动机非线性数学模型,在满足发动机各部件物理约束条件和推力条件下,采用人工蜂群算法对变循环发动机典型亚声速巡航点(H=11 km,Ma=0.8)耗油率进行了寻优分析,找到了耗油率最小条件下发动机6个几何可调参数、5个发动机循环参数最优值.结果表明:亚声速巡航点的耗油率在优化后比优化前降低了4.5％,从而证实人工蜂群算法能够完成变循环发动机多维优化问题.     

变循环发动机稳态控制规律设计的新方法

变循环发动机(VCE)具有较多的可调参数,为了进行变循环发动机的多变量稳态控制规律优化设计,提出了用于变循环发动机稳态控制规律优化设计的一种新方法-逆算法。该方法基于敏感性系数矩阵,采用可调参数替换传统部件级性能计算模型中的独立变量,在给定变循环发动机主要状态参数和部件参数的条件下,实现了可调参数的求解,进一步完成发动机稳态控制规律的优化设计。对比表明,逆算法的计算精度和收敛速度与传统算法一致,收敛性得到了改善。对带有核心机驱动风扇(CDFS)的双外涵变循环发动机亚声速巡航的节流状态控制规律优化后,使得巡航推力下的安装耗油率比定几何的双外涵和单外涵发动机分别下降7.8%和16.4%,而地面安装耗油率最大降低约3.4%。结果表明,逆算法是变循环发动机稳态控制规律优化设计的一种有效途径。     

自适应多用途发动机与循环发动机

2007年美国空军研究实验室开始"自适应多用途发动机技术"( ADVENT)项目,为此美国空军研究实验室的工程师们制定了一个为期5年的时间表,希望在2012年进行技术验证.以自适应通用发动机技术为基础的发动机可能到2014年开始研制,从而达到2017年时比2000年的基准发动机水平在经济可承受性方面提高10倍的目标.虽然受金融危机的影响美国空军放弃了许多在研的项目,但至目前为止还没有美国空军放弃该项目的报道,但金融危机必然对其研制进度产生了一定的影响.     

先进变循环发动机技术研究

现代航空发动机技术走过了百年的辉煌历程,已经发展得非常成熟.今天,传统的航空动力技术将面临严峻的挑战,世界航空动力技术呈现出强劲的加速发展态势,将引发第三次动力"革命".为适应未来新一代先进战机的更高、更强、更狠、更霸的发展需要和对成本、速度、环境和燃料高效利用等方面的高要求,一些主要航空国家持续实施先进航空发动机研究和发展战略计划,加速研发以变循环及组合发动机为特征的第五代航空发动机[1].     

GE公司变循环发动机的发展

综述了GE公司自20世纪60年代至今所研制的5代变循环发动机(VCE)的发展历程、性能特点和结构特征。对第1代VCE的可调面积涵道引射器的结构及性能、第2代VCE的核心驱动风扇级的演变历程及结构特征和第5代变循环发动机的"叶片上的风扇"(FLADE)结构形式进行了详细描述,对目前已经研制成功但尚未工程应用的F120变循环发动机进行了介绍。     

用于发动机的波转子增压循环技术

波转子增压循环技术是一项可提高发动机压比,从而提高发动机的效率和单位功率的技术。国外早在1942年就提出波转子增压循环发动机的概念,其研究工作迄今从未终止过。到目前为止,美、英、法等国对波转子增压循环发动机的研究包括:发动机的初步设计、对一般布局进行详细的循环分析、确定验证机的性能水平,同时还进行了波转子的机械设计和初步的传热、应力、结构与动力学分析。     

带有闭式布雷顿循环的预冷发动机特性研究

为获取带有闭式布雷顿循环的预冷发动机的飞行包线及性能,同时为提高发动机工程实现可行性,本文基于带有闭式布雷顿循环的预冷发动机基础循环及现有部件技术水平,构建了一种适度预冷发动机方案。对该方案下发动机沿着SABRE3飞行轨迹下的性能和部件匹配规律进行了分析。然后通过对发动机的高度、速度、调节特性进行研究,得到了该方案下发动机的飞行包线及整个包线内的性能。计算结果表明,本文所提出的适度预冷方案与SABRE3方案相比,核心机的比冲基本相当,但单位推力有所降低,工程可实现性提高;通过分别控制氦循环最低、最高温度为目标值,可保证发动机各部件在马赫数0~5的整个飞行过程中均处于稳定工作区间内,发动机比冲在1359 s~2099 s之间,地面点单位推力最大,达到1.9 kN/(kg/s);特性研究发现发动机推力与比冲在高度0~15 km、马赫数1~3之间最高,而单位推力最高的区域主要集中在包线的左侧低马赫数区,随马赫数的增加逐渐降低;发动机对氦压气机前温度的调节十分敏感,而对氦涡轮前温度的调节敏感性较低。综合研究表明,本文所给出的适度预冷方案的预冷发动机具有较好的宽域工作能力。     

波转子增压循环发动机技术

首先介绍了波转子和波转子增压循环发动机的基本概念,然后回顾了波转子技术的发展历史,最后介绍了国外波转子增压循环发动机的研究和发展现状。     

涡轮基双燃烧室超燃组合循环发动机方案研究

针对临近空间飞行器及空天飞行器使用需求,提出了涡轮基双燃烧室超燃组合循环发动机(Turbine-based dual-combustor scramjet combined cycle propulsion,TBDC)概念,由成熟涡轮与双燃烧室超燃冲压发动机并联组成,Ma0～2.5以涡轮模态为主,Ma2.5～6+主要由双燃烧室超燃冲压发动机提供推力。分析了双燃烧室超燃冲压发动机启动马赫数低、工作包线下边界宽域特点对解决涡轮基与冲压级模态转换过程中普遍存在的"推力陷阱"的有效性和双燃烧室技术应用于组合发动机的可行性,研究了双燃烧室发动机适应组合发动机一体化构形和性能保持、统筹组合发动机可调进气功能拓展双燃模态工作边界的技术途径,完成了组合发动机典型状态点性能仿真和关键技术梳理。研究表明,涡轮基双燃烧室超燃组合循环发动机有望在Ma2.5～3实现模态转换、推力顺畅接力,适应Ma0～6+高速宽域飞行需求。     

涡轮基组合动力技术发展分析

在高超声速推进系统中,涡轮基组合动力装置凭借宽广的飞行范围和良好的比冲性能,成为临近空间飞行器的主要候选动力装置。历经几十年发展,其在关键技术方面取得了诸多突破,目前正向着工程研制方向迈进。通过对国外TBCC动力技术的发展路径、技术特点、研制经验进行系统分析,认为TBCC动力技术研究主要围绕高速涡轮发动机、冲压发动机以及组合循环发动机的技术验证开展。用于TBCC动力的涡轮发动机首选是现有发动机的改进,未来可能在继承涡轮发动机先进技术的基础上,针对高马赫数任务场景等特点进行适应性设计,发展高速涡轮发动机;冲压发动机技术进展显著,但还需向大尺寸方向发展;模态转换技术虽然取得一定突破,但还需深入验证。基于未来临近空间飞行器的需求,立足于现有技术基础和可预见的技术方向,分析提出了TBCC动力技术发展建议：提前开展关键技术预研、基于现有资源发展演示验证平台及进行基于技术发展需求的飞发协同设计。