美国自适应变循环发动机研究的进展与启示
自适应(循环)发动机(Adaptive Cycle Engine, ACE)根据飞机不同任务需求,通过改变多个可调几 何机构位置、并采用自适应控制技术,自动改变风扇、 核心机流量和压比,使发动机在包线内不同速度和高 度点获得最优的性能,并与飞机的组合性能达到最 佳,是先进的变循环发动机。由于其具有包线内综合 性能好、耗油量低且飞机航程长、进气流量自动匹配、 飞/发组合性能好、隐身性能好及有利于热管理设计 等优势,深得世界航空发动机先进国家,特别是美国 的高度重视。但是由于其存在工作模式多而状态转换复杂、可调部件多而机构复杂且调节范围宽、可调变 量多等技术难点,研究难度很大。2016年以来,美国 《航空周刊》网站陆续报道了自适应发动机的一些最 新进展和未来计划,更加激发了对自适应发动机研制 的关注-4。
总结美国自适应发动机的研制特点十分必要,本 文回顾和分析了美国自适应循环发动机研制计划的 发展背景、进展和取得的成果。
1自适应发动机的由来与发展 自适应发动机是变循环发动机的延伸和发展,如 图1所示。
1.1变循环发动机的发展 对于变循环发动机的研究早在20世纪60年代 就已经开始,到80年代,对多种方案进行了探索研 究,包括可调增压压气机(VAPCOM)发动机(1960~ 1965年);涡喷和涡扇复合模式(1965~1970年);改 进的涡喷和涡扇组合模式(1973~1974年);串/并联 模式的变循环方案(1973~1975年);3转子可调涵道 比变循环一MOBY方案(1973~1974年);最初的双 循环单外涵变循环方案(1974~1976年);3股排气最 初的双外涵变循环结构(1974~1976年);单、双外涵 变循环方案简化(1976~1978年);进一步简化的核 心驱动风扇结构(1975~1981年)等。虽然由于种种 原因大多数方案无法实际应用,但是为变循环发动机 未来发展提供了宝贵的经验和教训。
变循环发动机的实质性研究始于20世纪80年 代,并逐渐演变为只有GE公司独家研制。80年代后 期在DBE-GE21、DBE-GE23发动机的基础上形成世 界上第1种经飞行验证的双外涵道变循环发动 机——F120发动机。90年代到21世纪初,在综合高 性能涡轮发动机技术(IHPTET)研究计划下,GE和 Allison公司以XTC16/XTC76/XTC77核心机验证机和 XTE76/XTE77发动机验证机为平台,开发和验证了 双外涵变循环涡喷/涡扇发动机技术——可控压比 发动机(COPE)技术。该阶段研究为下一阶段的自适 应发动机研究积累了大量宝贵经验。
1.2自适应发动机的发展 1.2.1ADVENT研究计划 ADVENT研究计划是在美国政府结束IHPTET 研究计划后,为了长期保持涡轮发动机技术与产品在 世界的领先优势,在VAATE研究研究计划下实施的 技术开发与验证计划。VAATE研究计划总目标是在
2017年达到的技术水平使经济可承受性提高到F119 发动机的10倍。由于技术难度高,美国高层经过充分 论证后,将VAATE研究计划的技术验证分为2个阶 段进行。第1阶段是ADVENT研究计划,第2阶段 是AETD研究计划同。
ADVENT研究计划的目标:开发能够独立改变风 扇/核心机的空气流量和压比的技术,制造1台双外 涵变循环涡喷/涡扇发动机技术验证机,通过提高性 能和增加自适应功能实现在起飞和机动期间所需的 大推力和在执行远程、持久攻击和侦察任务的亚声速 飞行期间所需的低燃油消耗,以满足高速和长航时的 未来战斗机等不同平台/不同任务要求。
ADVENT研究计划共分为2个阶段,第1阶段 (2007年8月~2009年)为方案探索研究阶段,重点 进行发动机初步设计和详细设计以及风险降低试验, 主要进行全台发动机初步设计和关键部件(自适应风 扇)与技术的台架试验验证;第2阶段(2009~2012 年)为详细设计阶段,重点开展核心机和风扇设计、硬 件加工和试验,主要进行发动机验证机详细设计和制 造,以及关键部件的试验,包括全环燃烧室试验、陶瓷 基复合材料部件的研究与试验,并进行核心机试验。
计划在2009年进行台架试验,在2012年进行发动机 验证机地面验证,最终使发动机新技术达到技术成熟 度6级;在2013年之后,在ADVENT研究计划下开 发的双外涵变循环涡喷/涡扇发动机开始进入工程 研制阶段,到2020~2022年投入使用同。
至此,该计划从2007年开始到2012年结束,为 期5年,由美国空军组织管理,投入经费约5.24亿美 元,由RR和GE公司承担技术开发与验证。
此外,该计划于2007年1月由美国空军向工业 界发布有关革新发动机验证计划的招标书;于2007 年8月由美国空军从GE、PW公司和RR北美技术分 公司3家承包商中选择了GE公司和RR北美技术 分公司,并分别与二者签订研究合同,进行自适应发 动机初始和详细设计与分析以及风险降低研究。
RR公司北美技术分公司于2008年6月初完成 初步设计评审(PDR),并开始进行自适应风扇系统的 台架试验;于2009年10月接受美国空军对ADVENT 研究计划第1阶段所取得成果的评估,同年得到美国 空军授权继续制造1台全尺寸发动机验证机;于 2011~2012年进行发动机核心机试验。但并未公开
披露核心机试验结果和进一步进展。
GE公司的ADVENT研究计划吸收了GE/Ali- son公司在IHPTET研究计划下开发和验证的可控压 比发动机的技术,并在发动机外围增加1个从主风扇 出来的单独外流道和1个“转子叶片上的风扇 (FLADE)”,如图2所示。其开发和验证的技术包括: 单独可变流量和压比的辅助风扇,高温多转子机械系 统,高剩余功率、流量和压比可变的核心机,可在大流 量范围工作的高效涡轮,综合的热管理技术,进/排 气综合改进技术。采用这些技术的自适应发动机将使 超声速作战平台具有长待机时间和高速冲刺的能力; 使亚声速作战平台的起飞性能提高,航程更长;使机 动性飞机的起降距离缩短,航程更长;使无人作战/情 报、监视和侦察系统的待机时间延长;改进多种空中 系统的作战机动性,同时改进热管理和生存性。
GE公司于2009年10月接受美国空军对AD- VENT研究计划第1阶段所取得成果进行评估;2010 年10月获得制造1台全尺寸发动机验证机的合同, 2013年开始进行发动机核心机试验,比美国空军设 定的温度目标高54℃,达到了经过美国空军确认的 “喷气发动机推进史上最高的压气机和涡轮联合工作 温度记录”,并验证了“预冷冷却技术”;2013年11月 至2014年7月,开展了首台ADVENT研究计划验证 机的试验,试验时数超过100h;2015年2月,与美国 空军一起完成ADVENT研究计划中发动机的详细评 审。ADVENT研究计划发动机结构和模型如图3所 示。此外,ADVENT研究计划中的一些核心机技术还 应用到LEAP-X大涵道比民用发动机上。
一向在军用航空发动机领域呼风唤雨的PW公 司虽未能赢得ADVENT研究计划合同,但并未就此 放弃,仍自筹资金投资变循环发动机研制,以 PW9000发动机为平台,创新研究自适应涡轮和自适 应风扇技术。2012年7月PW公司高层透露,PW公 司在2013年第1季度对改进于F135发动机的自适 应风扇和全新的核心机进行了试验。其采用的3流道 结构可以提供1股相对冷的第3股气流用于信号管 理,这就意味着多余的空气能够用于冷却热端部件以 减少红外信号,或者进入核心机和加力燃烧室来增大 推力。
1.2.2AETD研究计划 AETD研究计划是VAATE研究计划的第2阶 段,即ADVENT研究计划的后续计划。
AETD研究计划的目的是促进采用3流道结构 的自适应发动机技术的成熟,为未来3a内可能开始 工程研制的美国空军下一代战斗机或轰炸机等多种 作战平台提供动力。与ADVENT研究计划所采用的 小尺寸核心机相比,AETD研究计划中的发动机将采 用尺寸更大的核心机,瞄准美国海军第6代战斗机 F/A-XX、空军第6代战斗机F-X、未来轰炸机和其他 战术战斗机的应用,以满足未来的军用飞机超声速或 不开加力超声速飞行的动力需求;将提高发动机燃油 效率、耐久性和宽广范围内的推力性能,进而延长进 人反介入/区域拒止(A2/AD)环境的多种平台的不加 油航程。此外,AETD研究计划将增加ADVENT研究 计划中没有的加力燃烧室和排气系统,包括开发和验 证能使压力较低的第3涵道气流与高速的核心机和 外涵道气流有效混合的排气系统、高度综合的控制隐 身的蛇形排气系统等,以进一步提高燃油效率、提高 功率提取能力、改善热管理和进气道总压恢复,同时 减小安装阻力。AETD研究计划开发和验证的自适应 发动机与F135发动机相比,燃油效率降低20%,净 推力增大5%,加力推力增大10%,航程延长30%,并 且只需少量修改,就可为F-35战斗机提供动力。
AETD研究计划分2个阶段进行,第1阶段到 2015年中期结束,计划完成初始发动机设计,以及全 环形燃烧室、高压压气机和陶瓷基复合材料部件的试 验;第2阶段到2016年结束,计划完成风扇和核心机 试验,使首台发动机试验最早于2017年进行。AETD 研究计划安排在2013年2月进行初始概念评审,