變循環(huán)噴氣發(fā)動機

當黑鳥的心臟，J58發(fā)動機咆哮的時候，很少有人能不為之動容，J58也是變循環(huán)發(fā)動機，卻與GE走的不是一個路子。J58是在渦輪噴氣和壓氣機輔助沖壓發(fā)動機之間轉(zhuǎn)換的變循環(huán)。PW(普拉特惠特尼公司)在上個世紀五六十年代開發(fā)的這個發(fā)動機使黑鳥以三點二倍音速的速度持續(xù)飛行。直到幾十年后今天，黑鳥仍保持著使用空氣發(fā)動機的載人飛機的官方最快速度記錄。

J58照片中，可以清楚地看到有三個粗大的管子，它們一端連接在發(fā)動機壓氣機的位置、另外一端連接在發(fā)動機加力燃燒室,J58的另一側(cè)有同樣的三個管子,這六個粗大的管子叫渦輪旁路管道，它們起自J58的第四級與第五級壓氣機之間，終于渦輪后面、加力燃燒室之前。在活門的作用下，這些渦輪旁路通道使得J58得以在渦噴和沖壓發(fā)動機模式之間轉(zhuǎn)換。發(fā)動機上方的管路就是渦輪旁路通道(Compressor Bleed Air Bypass Turbines)。這個通道在第四級和第五級壓氣機之間與發(fā)動機通過內(nèi)部排氣活門(Internal Bleed)連接、然后終止于加力燃燒室(Afterburner Section)。在內(nèi)部排氣活門(Internal Bleed)后面的外部排氣活門(External Bleeds)，其作用是調(diào)節(jié)渦輪旁路通道中的氣壓。

當黑鳥在低速飛行時，內(nèi)部排氣活門關(guān)閉，壓氣中所有氣流進入主燃燒室，以典型的渦輪噴氣方式工作。

當黑鳥以三倍音速飛行時，內(nèi)部排氣活門開啟，前四級壓氣機中的一部分氣流通過內(nèi)部活門進入渦輪旁路通道，直接進入加力燃燒室。這些經(jīng)前四級壓氣機壓縮的空氣在加力燃燒室中為加力燃燒室噴出的燃料提供燃燒的氧氣，從而使J58以壓氣機輔助沖壓發(fā)動機方式工作。

F120是美國空軍F-22先進戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機的候選發(fā)動機，GE公司編號為GE37，加力推力15880千克，涵道比是0~0.35。它是美國空軍和海軍在1983~1990年主持的SCR、ATEGG、JTDE和ManTech等一系列計劃的產(chǎn)物。

F120是一種能滿足先進戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機的高單位推力和部分功率狀態(tài)低耗油率相互矛盾要求的雙涵VCE，其基本結(jié)構(gòu)是一臺對轉(zhuǎn)渦輪的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機。低壓渦輪驅(qū)動兩級風扇，高壓渦輪驅(qū)動5級壓氣機(含CDFS)。兩個渦輪對轉(zhuǎn)，都是單級設(shè)計，無級間導(dǎo)向器?？刂葡到y(tǒng)為三余度多變量FADEC。

它能夠以單涵和雙涵模式工作。

在亞聲速巡航的低功率狀態(tài)，發(fā)動機以雙涵(渦扇)模式工作。被動作動旁路系統(tǒng)由第二級風扇和CDFS涵道之間的壓差打開，使更多的空氣進入外涵道，同時使風扇具有大的喘振裕度。此時，后VABI也打開，更多的外涵空氣引射進入主排氣流，使推力增大。

在超聲速巡航的高功率狀態(tài)，發(fā)動機以單涵(渦噴)模式工作。在此模式下，后VABI關(guān)小到使渦輪框架、加力燃燒室內(nèi)襯和尾噴管內(nèi)襯前后保持正的風扇冷卻氣流壓差。當后VABI關(guān)小時，外涵中的壓力增加，直到超過第二級風扇排氣壓力為止。在反壓作用下，旁路系統(tǒng)模式選擇活門關(guān)閉，迫使空氣進入核心機。有少量空氣從CDFS后引出，供加力燃燒室和噴管冷卻以及飛機引氣用。發(fā)動機順利進入渦噴模式。

F120的最終結(jié)構(gòu)經(jīng)過三個階段的發(fā)展。第一階段用XF120進行地面試驗，驗證了基本循環(huán)的靈活性、性能特性、渦輪溫度能力和失速裕度以及FADEC和二元矢量噴管的工作。第二階段用YF120進行飛行試驗。第三階段的F120吸取了XF120和YF120計劃的所有經(jīng)驗教訓(xùn)。YF120的流量比XF120的大，以滿足不斷增加的機體需求和噴管冷卻要求。重量和復(fù)雜性被減到最小，而保障性始終作為一個關(guān)鍵設(shè)計目標。在F-22的原型機試驗計劃中，YF120成功地在YF-22和YF-23上飛行。它達到了重量、壽命、適用性和性能目標。它還達到或超過嚴格的最大不加力超聲速巡航推力目標。

F120自然是從XF120地面試驗和YF120飛行試驗成功的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在F120上，用一個被動旁路系統(tǒng)代替了可調(diào)模式選擇活門。對葉輪機作了改進，以改善匹配特性和效率?？刂葡到y(tǒng)簡化到了常規(guī)渦扇發(fā)動機的水平。因此，F(xiàn)120在戰(zhàn)斗機發(fā)動機更低的復(fù)雜性的條件下具有固有的靈活性和優(yōu)良的保障性。它為飛機提供了優(yōu)良的速度、加速性、機動性和航程能力。

總的來說，F(xiàn)120與GE公司成功的F110系列相比，結(jié)構(gòu)簡單得多，零件數(shù)少40%。

雖然F120在第四代戰(zhàn)斗機的競爭中敗給常規(guī)的F119,但仍作為替換發(fā)動機繼續(xù)研制。VCE也仍是IHPTET計劃的一項重要技術(shù)目標。

從飛機/發(fā)動機設(shè)計理念可知，對于持續(xù)高馬赫數(shù)飛行任務(wù)，需要高單位推力的渦噴循環(huán)。反之，如果任務(wù)強調(diào)低馬赫數(shù)和長航程，就需要低耗油率的渦扇循環(huán)。當任務(wù)兼有超聲速飛行和亞聲速飛行或存在多設(shè)計點時，麻煩就出現(xiàn)了。為任務(wù)的某一部分設(shè)計的循環(huán)在飛行包線其他地方的性能就差。在燃油消耗幾乎均分在超聲速和亞聲速飛行的混合任務(wù)中或在多工作點是必須的情況下，變循環(huán)發(fā)動機(VCE)顯示出巨大的潛力。