前涵道引射器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

■ 張鑫 印雪梅 高興 / 中國航發(fā)動力所

核心機驅(qū)動風(fēng)扇級（CDFS）是自適應(yīng)/變循環(huán)發(fā)動機的一種典型部件，而可變面積前涵道引射器（FVABI）又是核心機驅(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)動機的工作性能。

自適應(yīng)/變循環(huán)發(fā)動機被公認為是未來多任務(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)，進而改變相應(yīng)的熱力循環(huán)參數(shù)，使得發(fā)動機能夠滿足多任務(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。實現(xiàn)變循環(huán)功能的結(jié)構(gòu)一直是變循環(huán)發(fā)動機研究的熱點之一，其中的可變面積前涵道引射器（FVABI）更是研究的重點。

前涵道引射器的原理

圖1 早期雙外涵變循環(huán)發(fā)動機

為了實現(xiàn)變循環(huán)發(fā)動機的工作優(yōu)勢，早期的變循環(huán)發(fā)動機重點研究的是如何兼顧循環(huán)和機械設(shè)計的問題。其中，為了增強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的噴管，以減輕發(fā)動機的質(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)動機對比圖

圖3 FVABI的兩種調(diào)節(jié)方式

在美國實施“超聲速巡航研究”（SCR）計劃的早期，美國國家航空航天局（NASA）通過縮比模型試驗證明了同軸環(huán)形噴管在噪聲控制方面的優(yōu)勢。該試驗所依賴的大量風(fēng)扇氣流是由關(guān)鍵部件FVABI提供，因此，該試驗從側(cè)面首次驗證了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項連續(xù)的YJ101/變循環(huán)發(fā)動機（VCE）測試計劃，以及一系列超過300h的FVABI性能測試試驗，目的是驗證FVABI與分布式風(fēng)扇相結(jié)合的可靠性、實際的氣動性能和機械上的可操作性，試驗結(jié)果證明上述目標(biāo)均可達到，并且涵道工作模式的轉(zhuǎn)變也可在一定速度范圍內(nèi)實現(xiàn)。

帶分布式風(fēng)扇的變循環(huán)發(fā)動機在20世紀(jì)80年代不斷發(fā)展成熟，并且在90年代以YF120發(fā)動機的出現(xiàn)為標(biāo)志達到了發(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，但該機構(gòu)的存在在一定程度上增加了發(fā)動機的質(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)機構(gòu)，在多種變循環(huán)/自適應(yīng)發(fā)動機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)機構(gòu)，由埋入分流環(huán)機匣中的作動機構(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)機構(gòu)，以內(nèi)置于核心驅(qū)動風(fēng)扇機匣的作動裝置來實現(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)動機構(gòu)及拉桿的存在增加了機構(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)開展了部分機構(gòu)和部件的試驗驗證，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)整機試驗驗證。

圖6 一種先進自適應(yīng)發(fā)動機

前涵道引射器的未來發(fā)展

FVABI的發(fā)展依托于核心機驅(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)（一種先進自適應(yīng)發(fā)動機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)機構(gòu)外其自身也具有較高的結(jié)構(gòu)強度需求，輕質(zhì)、高強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、拓撲設(shè)計等先進設(shè)計手段的應(yīng)用對于先進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，開展樣件及試驗件試制，并從吹風(fēng)試驗、調(diào)節(jié)機構(gòu)試驗、強度試驗等多層級進行結(jié)構(gòu)功能驗證，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)濟性等具有重要的意義。應(yīng)以未來先進飛行器動力系統(tǒng)需求為出發(fā)點，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)及試驗設(shè)計技術(shù)研究，提煉設(shè)計方法和流程，并以試驗驗證為依托進一步提高技術(shù)成熟度，填補動力設(shè)計研究體系空白，為未來不同自適應(yīng)/變循環(huán)發(fā)動機等先進動力系統(tǒng)的研制提供關(guān)鍵技術(shù)儲備。