變循環(huán)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

從飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理念可知，對(duì)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(qiáng)調(diào)低馬赫數(shù)和長(zhǎng)航程，就需要低耗油率的渦扇循環(huán)。當(dāng)任務(wù)兼有超聲速飛行和亞聲速飛行或存在多設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，麻煩就出現(xiàn)了。為任務(wù)的某一部分設(shè)計(jì)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(diǎn)是必須的情況下，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(VCE)顯示出巨大的潛力。

當(dāng)黑鳥(niǎo)的心臟，J58發(fā)動(dòng)機(jī)咆哮的時(shí)候，很少有人能不為之動(dòng)容，J58也是變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，卻與GE走的不是一個(gè)路子。J58是在渦輪噴氣和壓氣機(jī)輔助沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)之間轉(zhuǎn)換的變循環(huán)。PW(普拉特惠特尼公司)在上個(gè)世紀(jì)五六十年代開(kāi)發(fā)的這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)使黑鳥(niǎo)以三點(diǎn)二倍音速的速度持續(xù)飛行。直到幾十年后今天，黑鳥(niǎo)仍保持著使用空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的載人飛機(jī)的官方最快速度記錄。

J58照片中，可以清楚地看到有三個(gè)粗大的管子，它們一端連接在發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的位置、另外一端連接在發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室,J58的另一側(cè)有同樣的三個(gè)管子,這六個(gè)粗大的管子叫渦輪旁路管道，它們起自J58的第四級(jí)與第五級(jí)壓氣機(jī)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(dòng)機(jī)模式之間轉(zhuǎn)換。發(fā)動(dòng)機(jī)上方的管路就是渦輪旁路通道(Compressor Bleed Air Bypass Turbines)。這個(gè)通道在第四級(jí)和第五級(jí)壓氣機(jī)之間與發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)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(dāng)黑鳥(niǎo)在低速飛行時(shí)，內(nèi)部排氣活門關(guān)閉，壓氣中所有氣流進(jìn)入主燃燒室，以典型的渦輪噴氣方式工作。

當(dāng)黑鳥(niǎo)以三倍音速飛行時(shí)，內(nèi)部排氣活門開(kāi)啟，前四級(jí)壓氣機(jī)中的一部分氣流通過(guò)內(nèi)部活門進(jìn)入渦輪旁路通道，直接進(jìn)入加力燃燒室。這些經(jīng)前四級(jí)壓氣機(jī)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(jī)輔助沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)方式工作。

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

F120是一種能滿足先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)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(tái)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。低壓渦輪驅(qū)動(dòng)兩級(jí)風(fēng)扇，高壓渦輪驅(qū)動(dòng)5級(jí)壓氣機(jī)(含CDFS)。兩個(gè)渦輪對(duì)轉(zhuǎn)，都是單級(jí)設(shè)計(jì)，無(wú)級(jí)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(dòng)機(jī)以雙涵(渦扇)模式工作。被動(dòng)作動(dòng)旁路系統(tǒng)由第二級(jí)風(fēng)扇和CDFS涵道之間的壓差打開(kāi)，使更多的空氣進(jìn)入外涵道，同時(shí)使風(fēng)扇具有大的喘振裕度。此時(shí)，后VABI也打開(kāi)，更多的外涵空氣引射進(jìn)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(dòng)機(jī)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(fēng)扇冷卻氣流壓差。當(dāng)后VABI關(guān)小時(shí)，外涵中的壓力增加，直到超過(guò)第二級(jí)風(fēng)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(jìn)入核心機(jī)。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(jī)引氣用。發(fā)動(dòng)機(jī)順利進(jìn)入渦噴模式。

F120的最終結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)三個(gè)階段的發(fā)展。第一階段用XF120進(jìn)行地面試驗(yàn)，驗(yàn)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(jìn)行飛行試驗(yàn)。第三階段的F120吸取了XF120和YF120計(jì)劃的所有經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。YF120的流量比XF120的大，以滿足不斷增加的機(jī)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(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)。在F-22的原型機(jī)試驗(yàn)計(jì)劃中，YF120成功地在YF-22和YF-23上飛行。它達(dá)到了重量、壽命、適用性和性能目標(biāo)。它還達(dá)到或超過(guò)嚴(yán)格的最大不加力超聲速巡航推力目標(biāo)。

F120自然是從XF120地面試驗(yàn)和YF120飛行試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。在F120上，用一個(gè)被動(dòng)旁路系統(tǒng)代替了可調(diào)模式選擇活門。對(duì)葉輪機(jī)作了改進(jìn)，以改善匹配特性和效率?？刂葡到y(tǒng)簡(jiǎn)化到了常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的水平。因此，F(xiàn)120在戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)提供了優(yōu)良的速度、加速性、機(jī)動(dòng)性和航程能力。

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

雖然F120在第四代戰(zhàn)斗機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)中敗給常規(guī)的F119,但仍作為替換發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)研制。VCE也仍是IHPTET計(jì)劃的一項(xiàng)重要技術(shù)目標(biāo)。