变循环发动机

改变发动机循环工作模式

传统航空涡轮发动机的热力循环特性是固定不变的，一种发动机只能在一种模式下工作，并且仅在有限的飞行范围内具有最好的性能。先进的变循环发动机（Variable Cycle Engine，VCE）则不同，它是一种多设计点发动机，通过改变一些部件的几何形状、尺寸或位置，来调节其热力循环参数（如增压比、涡轮进口温度、空气流量和涵道比），改变发动机循环工作模式（高推力或低油耗）使发动机在各种飞行情况下都能工作在最佳状态。与此同时，变循环发动机能以多种模式（包括涡轮模式、涡轮风扇模式和冲压模式等）工作，因而在亚声速、跨声速、超声速和高超声速飞行状态下都具有良好的性能。

简介

变循环发动机，是指在一台发动机上，通过改变发动机的一些部件的几何形状、尺寸或者位置，来实现不同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工作状态下都具有良好的性能。

在涡喷/涡扇发动机方面，研究的重点是改变涵道比，如发动机在爬升、加速和超声速飞行时涵道比减小，接近涡喷发动机的性能，以增大推力；在起飞和亚声速飞行时，加大涵道比，以涡扇发动机状态工作降低耗油率和噪声。

在涡轴发动机方面，重点研究可调面积涡轮，以改变发动机空气流量，降低部分功率下的耗油率。

工作原理

飞机发动机技术提升的核心在于——如何提高燃油使用效率。喷气式飞机原理是将空气吸入发动机后和燃油混合加热，而后高温高压气体向后喷出，按照牛顿第三定律，飞机就可以获得一个反推力。但这个高温高压气体本身就拥有很大的能量，也就是说，这些能量被白白浪费掉了，但有时候为了机动性则不得不这样做，以往的飞机，往往是涡喷就只能是涡喷模式工作，是涡扇就只能涡扇模式工作。而在飞机航行的整个过程中，往往有很多路程是不需要使用这种高油耗率的工作方式的。而在靠近战场时，为了接敌，则需要高速机动，为了机动空战则需要跨音速飞行模式。于是变循环发动机就是把这三种模式结合起来，合理规划，达到了最佳的使用效果。

发动机一般从前往后结构以此为进气道——压气机——燃烧室——涡轮——喷口。对应的过程是空气吸入——空气压缩增压——空气混合燃烧——带动涡轮旋转——尾部喷出做功。变循环发动机则采用涡轮风扇体制，将气流分在三个涵道，但这三个涵道可以变换大小口径，通过组合搭配成就最佳的工作模式，在需要经济巡航时，2个调节板向下调节，挡住通过燃烧室的气流，使发动机工作在螺旋桨模式，当需要进行跨音速机动时，调节板1向下，2向上，组成一个涡扇发动机。当要进行超音速巡航时，调节板1、2均向上偏，使其成为一台涡喷发动机。假如发动机使用了任务规划体制，还可以根据不同的任务使用电脑规划发动机的作用方式达到最佳作战效能。

这个措施看起来简单，但在工程上实现起来是十分难的，发动机工作在高温高压和极高转速的情况下，最好不要有任何的结构变换，否则会带来发动机部件的损伤导致发动机出现安全问题，挡板的偏移也会带来气流的瞬时畸变，导致发动机工作不稳定甚至停车。根据研制该技术的GE公司官网宣传资料，使用这一技术后，在同等燃油的情况下飞机的滞空时间可以提高50%，航程增加33%，减少25%的燃油消耗率，达到60%的燃油热吸收率。

研发历史

美国

20世纪70年代，美国开始加大力度研究军用变循环发动机。GE公司研制了从YJ101第一代变循环验证机到GE21、GE33即后来的YF120，以及可控压比发动机等一系列变循环预研验证机。尤其是YF120还参加了美国第四代动力的选型，是世界上第一种经飞行验证的战斗机用变循环发动机。YF120在F-22项目中竞争失败后，在其核心机基础上衍生了常规循环涡扇发动机F136。

2011年，美国海军已经启动了研发变循环发动机技术项目，该发动机将在未来装备F/A-18E/F“超级大黄蜂”的替代机型。

2012年11月，通用电气（GE）和普惠公司获得了价值超过6.8亿美元的演示验证变循环战斗机发动机合同，该合同由美国空军研究实验室（AFRL）的自适应发动机技术研发（AETD）项目资助，将在2013年进行自适应风扇发动机的验证机试车。

中国

中国发动机研制是生产一代、研制一代、预研一代、探索一代。据中航发动机副总裁张健称，中国发动机研制的技术目标时间表已经排到了2030年。

研究意义

从航空工业发展的角度来说，我国证实已经进行变循环发动机研究的意义在于，一方面意味着中国航空动力研制的科研管理和规划更加科学和合理，符合航空工业产品研制的客观规律，更加重视基础科研和预先研究，而不是等到有具体的型号需求才开始进行科研工作，导致研制周期长、风险大、成本高；另外一方面，意味着中国航空动力的研制步伐已经逐渐追赶上美国等西方航空强国，在常规循环发动机研制硕果累累的情况下积极开展新循环方式的发动机基础研究，对于保持中国航空动力工业的可持续发展和追赶世界最先进水平具有相当重大的价值。从中国空军未来型号发展对于航空发动机的需求来说，类似YF120的变循环涡扇发动机能够提供更大的高空、高速推力，可以有效提升作战飞机的超巡、拦射能力，同时能够提供更经济的中低空、亚音速耗油率，对于提升作战飞机经济性有明显帮助。从未来民航客机的发展来看，未来的洲际超音速客机同样需要变循环发动机来提供持续超音速飞行能力，亚音速客机更是对于单位油耗相当敏感，因为这关系到民航公司的运营成本。因而，我国从事变循环发动机的科研、军事、商业价值非常巨大，可以有效提升我国的综合国力和竞争力。

未来发展

自适应发动机是国外正在发展的先进变循环发动机。国外研究的变循环发动机的方案主要有单涵道、双涵道、串联/并联式选择放气变循环等类型。目前，国外正在发展带第三个涵道的自适应发动机（AdaptiveVariableCycleEngine,ADVENT），其技术特征是第三个涵道内的气流温度较低，可用于提取更多的功率和实现更好的热管理，也可减小安装阻力，改进进气道总压恢复，降低排气温度，减少红外信号。这不仅为未来军民用飞机带来航时、航程、速度和隐身等方面的巨大收益，同时可以满足传感器、武器和通信设备对发动机功率提取的更高要求。美国空军研究实验室（AFRL）预计，自适应发动机的燃油效率将比F135发动机的高25%，可以使飞机的作战半径增加25%~30%，续航时间增加30%~40%。可以满足下一代战斗机、轰炸机、战术战机、超声速客机和高超声速飞行器等多种军民用飞行平台的动力需求，是当前世界航空发动机领域的发展重点。

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