變循環(huán)發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

■ 解俊琪 賈志剛 袁善虎 / 中國航發(fā)研究院

變循環(huán)發(fā)動機(jī)是指通過改變、調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的一些部件的幾何形狀、尺寸或者位置，來實(shí)現(xiàn)不同熱力循環(huán)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。要實(shí)現(xiàn)上述定義中的“改變”“調(diào)節(jié)”功能，則需要采用相關(guān)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其重要性不言而喻。

從20世紀(jì)50年代起，變循環(huán)發(fā)動機(jī)方案就被提出，經(jīng)過不斷的研究、改進(jìn)和優(yōu)化，方案已日趨成熟（如圖 1所示）。變循環(huán)發(fā)動機(jī)通過改變發(fā)動機(jī)一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，實(shí)現(xiàn)不同的熱力循環(huán)，使得發(fā)動機(jī)在不同飛行條件下可分別工作于渦噴和渦扇兩種模式，在整個飛行過程中，綜合渦噴發(fā)動機(jī)大推力和渦扇發(fā)動機(jī)低油耗的優(yōu)勢，滿足飛行器在較寬飛行包線內(nèi)的性能需求，為解決新一代戰(zhàn)斗機(jī)的動力瓶頸提供了一個全新的解決思路。

變循環(huán)發(fā)動機(jī)在滿足不同任務(wù)需求時，須采用調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成對發(fā)動機(jī)流量的再分配，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)性能的變化。為實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)下的流量分配及各部件的協(xié)同工作的特殊結(jié)構(gòu)主要包括：核心機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇、模式轉(zhuǎn)換閥、涵道引射器（前涵道引射器和后涵道引射器）、靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和可調(diào)尾噴管等。本文針對上述局部可調(diào)機(jī)構(gòu)（模式轉(zhuǎn)換閥、涵道引射器、靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)），闡述其調(diào)節(jié)機(jī)理及發(fā)展現(xiàn)狀。

模式轉(zhuǎn)換閥

圖1 GE公司的YF120變循環(huán)發(fā)動機(jī)

模式轉(zhuǎn)換閥是用來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的渦噴工作模式或渦扇工作模式的結(jié)構(gòu)，典型的模式轉(zhuǎn)換閥位于外涵道進(jìn)口：當(dāng)發(fā)動機(jī)在相對高速飛行狀態(tài)工作時，閥門能調(diào)到關(guān)閉位置，迫使外涵道氣流進(jìn)入核心機(jī)，發(fā)動機(jī)處于渦噴模式；當(dāng)發(fā)動機(jī)在相對低速飛行狀態(tài)工作時，閥門能調(diào)到打開位置，使部分經(jīng)過風(fēng)扇的氣流流入外涵道，發(fā)動機(jī)處于渦扇模式。目前，模式轉(zhuǎn)換閥從工作機(jī)理上可以分為被動控制方案和主動控制方案兩種。

以一種典型的被動控制方案的模式轉(zhuǎn)換閥為例（如圖 2所示），其閥門由一系列固定在外機(jī)匣內(nèi)壁的圓周分布的鉸接片組成，在閥門后中部通過彈簧與外機(jī)匣內(nèi)壁相連。在實(shí)際工作中，通過風(fēng)扇后與外涵氣流之間壓差產(chǎn)生的作用力和彈簧的彈性力來控制閥門開度，以改變發(fā)動機(jī)工作模式。當(dāng)風(fēng)扇后氣流壓力大于外涵氣流壓力與彈簧的作用力之和時，模式轉(zhuǎn)換閥沿位于前端的鉸鏈旋轉(zhuǎn)打開，發(fā)動機(jī)外涵道打開；反之，發(fā)動機(jī)外涵道關(guān)閉。

主動控制模式轉(zhuǎn)換閥以北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的一種機(jī)構(gòu)[1]為例（如圖3所示）。該機(jī)構(gòu)包括液壓作動筒、同步環(huán)、連桿、閥門等結(jié)構(gòu)，液壓作動筒與同步環(huán)相連，閥門一端鉸接在機(jī)匣上，另一端通過連桿以鉸接的方式與同步環(huán)相連。實(shí)際工作中，采用液壓作動筒控制同步環(huán)沿發(fā)動機(jī)軸向平移，同步環(huán)的移動帶動連桿的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而控制閥門沿鉸接在機(jī)匣上的鉸鏈轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)外涵道的開關(guān)。整個機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)目少、質(zhì)量輕、可靠性高。

圖2 模式轉(zhuǎn)換閥的一種被動控制方案

圖3 主動控制的模式轉(zhuǎn)換閥結(jié)構(gòu)

相比被動控制的模式轉(zhuǎn)換閥，主動控制的方案有幾個比較明顯的優(yōu)勢：控制的效果更加穩(wěn)定；通過閥門片的型面設(shè)計(jì)可有效降低氣流在此處的壓力損失；通過封嚴(yán)部分的設(shè)計(jì)可保證在閥門關(guān)閉時存在的氣流泄漏足夠小。

可調(diào)涵道引射器

可調(diào)涵道引射器（VABI）是一種有效的可調(diào)面積混合器，用于核心流和涵道流分開/摻混的分界面處，可改變二者的相對比例。VABI分為前涵道引射器和后涵道引射器，分別位于外涵道進(jìn)口和出口處，用于調(diào)節(jié)外涵道進(jìn)、出口面積的大小。由于該機(jī)構(gòu)具有特殊的工作要求，在設(shè)計(jì)時需要考慮以下幾點(diǎn)[2]：盡可能減少調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在幾何截面方向的面積，以減少對氣流的阻礙；盡可能減少機(jī)構(gòu)所需要的運(yùn)動空間，以節(jié)省外涵道有限的空間；盡可能減少驅(qū)動器的數(shù)目，以減小輸入的耦合性；盡可能保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動的一致性和對中性，以提高機(jī)構(gòu)剛度。根據(jù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方式，目前已研制的VABI 機(jī)構(gòu)可分為平動式、轉(zhuǎn)動式、螺旋式三種。

平動式涵道引射器

平動式涵道引射器是指通過一系列操作，由作動系統(tǒng)帶動環(huán)狀閥門沿發(fā)動機(jī)軸向移動的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。通常情況下，平動式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相對簡單，且可按照氣動要求準(zhǔn)確連續(xù)地改變內(nèi)外涵之間的連通面積；但考慮到密封問題，閥門與機(jī)匣之間間隙較小，在運(yùn)動過程中會存在較大的摩擦問題；并且其作動系統(tǒng)安裝位置的不同也會帶來相應(yīng)的安裝、拆卸、維修等問題。

前涵道引射器多采用平動式結(jié)構(gòu)。例如，瓦根克內(nèi)希特提出的內(nèi)置機(jī)匣平動式前涵道引射器[3]，通過在機(jī)匣內(nèi)部設(shè)置通道，將作動系統(tǒng)和閥門結(jié)構(gòu)內(nèi)置于機(jī)匣內(nèi)部，由作動器控制閥門沿發(fā)動機(jī)軸向移動，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外涵通道的開合；該結(jié)構(gòu)方便簡單，節(jié)省空間，但會為安裝、拆卸和維修帶來不便。另外一種平動式前涵道引射器（如圖4所示）則通過多個均布在機(jī)匣上的作動器推動活塞桿來控制平動錐體沿軸向移動，實(shí)現(xiàn)外涵道進(jìn)口面積的調(diào)節(jié)。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)目少、質(zhì)量輕、可靠性高。

平動式后涵道引射器與前涵道引射器的工作原理基本相同。例如，GE公司提出的方案（如圖5所示）：在內(nèi)機(jī)匣上設(shè)置多個氣流孔，在內(nèi)機(jī)匣外部設(shè)置套筒，置于外機(jī)匣外部的作動器通過穿過外機(jī)匣的曲軸帶動連桿控制套筒沿軸向移動，進(jìn)而調(diào)節(jié)孔的有效面積，實(shí)現(xiàn)外涵道出口面積的調(diào)節(jié)。

圖4 一種平動式前涵道引射器結(jié)構(gòu)

圖5 GE公司提出的后涵道引射器結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)動式涵道引射器

轉(zhuǎn)動式涵道引射器由一系列閥門片沿垂直于發(fā)動機(jī)軸向的鉸鏈旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)面積的調(diào)節(jié)。一般情況下，其結(jié)構(gòu)較為簡單，但由較多的閥門片組成，閥門片之間存在較大的封嚴(yán)問題，且每個閥門片需要單獨(dú)驅(qū)動，驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)量較多。調(diào)節(jié)過程中，理論上僅能在開/關(guān)兩個計(jì)算位置進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，對中間狀態(tài)較難進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。

如約翰·西蒙斯提出的一種轉(zhuǎn)動式前涵道引射器[4]（如圖 6所示）：該機(jī)構(gòu)采用內(nèi)置于機(jī)匣的作動裝置提供動力，作動器一端鉸接在機(jī)匣上，另一端鉸接在閥門片中部的凸臺上，閥門片的一端鉸接于機(jī)匣邊緣，通過調(diào)節(jié)作動器可調(diào)節(jié)閥門片沿位于機(jī)匣上的鉸鏈轉(zhuǎn)動，最終控制內(nèi)外涵的連通方式，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的變循環(huán)。

北京航空航天大學(xué)提出的一種轉(zhuǎn)動式后涵道引射器結(jié)構(gòu)[5]（如圖 7所示）。該機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)原理為：液壓作動器帶動平動錐體沿軸線移動，平動錐體的移動帶動鉸接于其前側(cè)的連桿四移動，同時連桿三的兩端分別鉸接于機(jī)匣和連桿四，連桿四的移動會同時帶來連桿三和連桿四的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動鉸接于連桿三上的連桿二、位于滑道內(nèi)的作動環(huán)和鏈接于滑道上的連桿一軸向移動，最終帶動斜槽沿鉸接于機(jī)匣的直角轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)內(nèi)外涵道的連通面積。該方案的特點(diǎn)在于其通過一組作動機(jī)構(gòu)可同時調(diào)節(jié)平動錐體的軸向移動和斜槽的轉(zhuǎn)動，根據(jù)不同的涵道比需求調(diào)節(jié)外涵的流通能力，滿足不同的發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)。

圖6 一種轉(zhuǎn)動式前涵道引射器結(jié)構(gòu)

圖7 一種轉(zhuǎn)動式后涵道引射器結(jié)構(gòu)

圖8 GE公司提出的后涵道引射器結(jié)構(gòu)

螺旋式涵道引射器

螺旋式涵道引射器主要通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)沿周向旋轉(zhuǎn)來改變其沿軸向的位置，主要應(yīng)用于后涵道。GE公司提出的一種方案[6]（如圖8所示）：工作過程中，由液壓作動筒通過連桿帶動穿過機(jī)匣壁的曲柄沿壁孔轉(zhuǎn)動，曲柄的另一端與套筒鉸接，從而通過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)可帶動套筒沿發(fā)動機(jī)機(jī)匣軸向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制位于機(jī)匣的孔的有效工作面積，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)目的。

壓氣機(jī)靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

圖9 空間多連桿式壓氣機(jī)靜葉可調(diào)機(jī)構(gòu)

圖10 齒輪傳動式壓氣機(jī)靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

為了使發(fā)動機(jī)在各種工作環(huán)境和狀態(tài)下都具有良好的性能，必須相應(yīng)改變發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量和壓氣機(jī)各級的增壓比。而壓氣機(jī)的靜葉角度對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量和各級增壓比起著至關(guān)重要的作用，因此壓氣機(jī)靜葉可調(diào)對變循環(huán)發(fā)動機(jī)來說十分重要。

目前已研制的壓氣機(jī)靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的思維主要有兩種：空間多連桿式，通過空間連桿機(jī)構(gòu)使聯(lián)動環(huán)沿軸線做螺旋運(yùn)動，帶動葉片繞自身軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)葉片角度的調(diào)節(jié)；齒輪傳動式，通過空間連桿機(jī)構(gòu)，使葉片繞自身軸旋轉(zhuǎn)，然后通過齒輪傳動帶動同一級的其他葉片旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)葉片角度的調(diào)節(jié)。

空間多連桿式壓氣機(jī)靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

如圖9所示為空間多連桿式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的典型示意圖[7-8]。液壓缸通過活塞桿帶動曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄帶動聯(lián)動桿運(yùn)動，動桿通過連接的多個拉桿分別帶動不同級的聯(lián)動環(huán)螺旋運(yùn)動，并通過與靜子葉片之間的搖臂帶動靜子葉片旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)可調(diào)的目的。在林清松等[9]提出的專利方案中搖臂是可調(diào)的，即在聯(lián)動環(huán)僅有周向運(yùn)動的情況下可實(shí)現(xiàn)葉片可調(diào)。

齒輪傳動式壓氣機(jī)靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

如圖10所示為齒輪傳動式壓氣機(jī)靜葉可調(diào)機(jī)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)[10-11]。該結(jié)構(gòu)由液壓缸通過搖臂帶動某一級的兩個葉片轉(zhuǎn)動，該葉片的轉(zhuǎn)動會帶動位于靜子葉片另一端的齒輪轉(zhuǎn)動，并通過齒輪轉(zhuǎn)動帶動同一級的所有葉片轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

結(jié)束語

變循環(huán)發(fā)動機(jī)通過可調(diào)機(jī)構(gòu)來改變在不同飛行條件下的循環(huán)方式和性能參數(shù)，以滿足寬速域內(nèi)的性能需求。為了實(shí)現(xiàn)變循環(huán)發(fā)動機(jī)在工作過程中的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕的可調(diào)機(jī)構(gòu)必不可少。通過把握目前的可調(diào)機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀，有助于開拓思路，揚(yáng)長避短，為加快變循環(huán)發(fā)動機(jī)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。