寫在前面
對于各種新型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，本文進行了簡要但全面的介紹，包括基本概念、基本原理、結(jié)構(gòu)特征，以及高效工作、推進的機理和耗油率降低的情況。
這是非常有意義的。這些發(fā)動機大都尚未走進教材，而在各種論文等文獻(xiàn)里，又很難找到系統(tǒng)的介紹。
注：本文是對《（47）航空動力的碳減少》進行的裁剪，只保留了其中關(guān)于碳減少所派生出的各種新型發(fā)動機的內(nèi)容。
提 要
1 引言
2 發(fā)動機類型與碳減少的關(guān)系
3 循環(huán)優(yōu)化型
3.1 間冷/回?zé)岚l(fā)動機
3.2 齒輪傳動渦扇發(fā)動機
3.3 槳扇發(fā)動機
3.4 自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動機
3.5 脈沖爆震發(fā)動機
3.6 波轉(zhuǎn)子發(fā)動機
4 輸出方式優(yōu)化型
4.1 多電發(fā)動機
1 引言
在《（48）“雙碳”目標(biāo)下，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機路在何方？》中介紹過，在雙碳目標(biāo)的大背景下，在一段時期以內(nèi)，對于起飛重量大、航程長的飛行器，還將繼續(xù)使用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，但應(yīng)致力于提高它們的效率，減少碳排放。
要提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的效率，除了《（49）降低燃?xì)鉁u輪發(fā)動機耗油率的技術(shù)途徑》中提到的優(yōu)化總體設(shè)計以及提高部件效率、提高循環(huán)參數(shù)外，就是優(yōu)化原理和構(gòu)型，派生出新型發(fā)動機。
2 發(fā)動機類型與碳減少的關(guān)系
發(fā)動機的循環(huán)方式不同，則其運行效率、推進效率也不同。發(fā)動機的能量輸出方式不同，則飛行器的推進方式和推進效率也不同。
其實，渦噴、渦扇、渦槳和渦軸這些傳統(tǒng)發(fā)動機，其耗油率也因循環(huán)方式的差異而不同。
渦噴發(fā)動機是最早的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，其噴出的氣體帶走的動能多，推進效率低，耗油率高，所以，其應(yīng)用越來越少。基于質(zhì)量附加效應(yīng)原理，為了提高推進效率，發(fā)展了渦扇、渦槳和渦軸發(fā)動機。
拋開使飛行器達(dá)到的速度，僅從推進效率來說的話，渦噴、渦扇、渦槳和渦軸這些發(fā)動機的推進效率是逐步提高的。
近年來，為了降低耗油率，實現(xiàn)碳減少，在上述這些傳統(tǒng)發(fā)動機的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化循環(huán)方式和能量輸出方式，又派生出了一些新型發(fā)動機。
3 循環(huán)優(yōu)化型
為了實現(xiàn)碳減少，通過優(yōu)化循環(huán)方式派生出的新型發(fā)動機主要有間冷／回?zé)岚l(fā)動機、齒輪傳動渦扇發(fā)動機、槳扇發(fā)動機、自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動機、脈沖爆震發(fā)動機和波轉(zhuǎn)子發(fā)動機6種。
3.1 間冷/回?zé)岚l(fā)動機
間冷/回?zé)岚l(fā)動機的概念主要用于渦扇發(fā)動機，是在常規(guī)渦扇發(fā)動機的基礎(chǔ)上設(shè)置了間冷器和回?zé)崞?，見圖1。
圖1 間冷／回?zé)釡u扇發(fā)動機
1）間冷器
間冷器設(shè)置在渦扇發(fā)動機的外涵，用于對高壓壓氣機前的氣流進行降溫，降溫后，再返回高壓壓氣機進口。
壓氣機氣流在間冷器中降溫所散發(fā)的熱量并未浪費，而是用于升高了外涵氣流的溫度，使其產(chǎn)生推力的能力增強。而另一方面，壓氣機氣流降溫后，容積流量減小，進入高壓壓氣機中進行壓縮時，功率消耗降低，溫升降低。
高壓壓氣機進口溫度和溫升降低后，使得其出口溫度大大降低，有利于回?zé)崞骰厥崭嗟臒崃?/span>。
高壓壓氣機的功率消耗降低后，渦輪部件用于高壓壓氣機的功率減少，在同樣進口條件下輸出給風(fēng)扇的功率增加，等效于提高了發(fā)動機的循環(huán)參數(shù)，從而提高了發(fā)動機的熱效率。
b）回?zé)崞?nbsp;
回?zé)崞髟O(shè)置在渦扇發(fā)動機低壓渦輪出口，用于對高壓壓氣機出口氣流進行加溫，加溫后再返回燃燒室進口，從而減少燃燒室的燃油消耗。
3.2 齒輪傳動渦扇發(fā)動機
齒輪傳動渦扇發(fā)動機，是在常規(guī)渦扇發(fā)動機基礎(chǔ)上，于低壓渦輪與風(fēng)扇之間設(shè)置減速器，見圖2。
圖2 齒輪傳動渦扇發(fā)動機
設(shè)置減速器的目的，是為了降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，從而基于質(zhì)量附加原理，通過降低風(fēng)扇壓比、增大涵道比（達(dá)到10～12），來降低發(fā)動機的耗油率。
除了增大涵道比的優(yōu)勢外，與常規(guī)渦扇發(fā)動機相比，齒輪傳動渦扇發(fā)動機可通過選擇合適的減速器傳動比，使得低壓渦輪和風(fēng)扇各自都可以在適合自己的最優(yōu)轉(zhuǎn)速下工作，都可以實現(xiàn)效率最高，其中，低壓渦輪是在效率更高的較高轉(zhuǎn)速下工作，風(fēng)扇則是在效率更高的較低轉(zhuǎn)速下工作。
3.3 槳扇發(fā)動機
槳扇發(fā)動機是在齒輪傳動渦扇發(fā)動機的基礎(chǔ)上，進一步加大減速比，增加涵道比，從而進一步發(fā)揮質(zhì)量附加效應(yīng)的優(yōu)勢。
槳扇發(fā)動機的有效涵道比可達(dá)25～60，與常規(guī)渦扇發(fā)動機相比，飛機油耗降幅可達(dá)30％。
槳扇發(fā)動機兼顧或者說折衷了渦槳發(fā)動機耗油率低和渦扇發(fā)動機飛行速度快的優(yōu)點，因此，可稱之為高速螺旋槳發(fā)動機，或超高涵道比渦扇發(fā)動機。
根據(jù)是否帶有外涵機匣，槳扇發(fā)動機分為涵道槳扇發(fā)動機（見圖3）和開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機（見圖4、圖5）兩種。它們一般都包含兩級槳扇，并都采用對轉(zhuǎn)方式。
圖3 涵道槳扇發(fā)動機
圖5 開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機（結(jié)構(gòu)）
3.4 自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動機
自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動機是一種多設(shè)計點發(fā)動機，能夠滿足不同的任務(wù)需求或適應(yīng)更寬的工作范圍。它主要用于軍用飛機，滿足軍用飛機既要快速突防又要遠(yuǎn)程飛行的需要。
在原理上，自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動機是在飛行中改變一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，來調(diào)節(jié)涵道比、增壓比 、渦輪進口溫度、空氣流量等熱力循環(huán)參數(shù)，從而改變以涵道比為特征的發(fā)動機的循環(huán)工作模式。
由于在飛行中工作模式可以改變，自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動機在亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速各種飛行情況下，都能工作在最佳狀態(tài)，都具有良好的性能。比如，在跨聲速加速飛行和超聲速飛行時，它可減少涵道比，提高單位推力，獲得優(yōu)異的接近渦噴發(fā)動機的高速飛行性能，比渦扇發(fā)動機以加力等方式進行同樣的推進更省油。在起飛和亞聲速巡航飛行時，它可增大涵道比，充分發(fā)揮渦扇發(fā)動機的優(yōu)勢，降低耗油率。
由于自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動機在各種飛行情況下都具有良好性能，與常規(guī)渦扇發(fā)動機相比，其綜合耗油率降低，在完成相同的飛行任務(wù)時，可降低燃油消耗12％以上。
目前，自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動機的典型方案（見圖6）中，與常規(guī)渦扇發(fā)動機相比，其核心特征是：
1）在原有風(fēng)扇氣流（仍在風(fēng)扇出口分成內(nèi)、外涵兩路）的外側(cè)，增加了一路外涵氣流，該氣流與原有風(fēng)扇氣流以環(huán)形構(gòu)件隔開。
2）相應(yīng)地，第二級風(fēng)扇采用一個“Flade”（Fan+Blade），即在風(fēng)扇外圍接一排短的轉(zhuǎn)子葉片，來對增加的外涵氣流增壓。
3）在原有風(fēng)扇的后方，針對原有的內(nèi)涵氣流設(shè)置了一級核心機驅(qū)動風(fēng)扇（CDFS），其后的氣流，再次分流成內(nèi)涵氣流（主氣流）和外涵氣流。
在不同的飛行狀態(tài)，為了獲得合適的涵道比和合適的各外涵流量分配，可改變上述三路外涵氣流的啟、閉狀態(tài)，以及改變最后一路外涵氣流（核心機驅(qū)動風(fēng)扇后）的開度。
3.5 脈沖爆震發(fā)動機
爆震發(fā)動機是一種釆用了超聲速爆震燃燒方式的發(fā)動機，其燃燒速度快，近似為等容燃燒，燃燒過程中氣體具有自增壓特性。針對航空動力，研究比較多的是脈沖爆震發(fā)動機。
純脈沖爆震發(fā)動機主要由爆震燃燒室、進氣道、尾噴管組成，爆震室與進氣道之間有高速旋轉(zhuǎn)閥門，見圖7。
在航空動力領(lǐng)域，不單獨使用純脈沖爆震發(fā)動機，而是將其與現(xiàn)有燃?xì)鉁u輪發(fā)動機進行組合，以爆震燃燒室取代原有的亞聲速緩燃燃燒室（定壓燃燒室）。這種混合循環(huán)型脈沖爆震發(fā)動機不需要機械閥門，而是利用壓氣機的節(jié)流特性，再結(jié)合反傳抑制等特別設(shè)計，以“氣動閥”的方式，大體等效地實現(xiàn)爆震燃燒時燃燒室進口氣流的關(guān)閉。
上述混合循環(huán)型脈沖爆震發(fā)動機，其在燃燒中的自增壓特性實現(xiàn)了一部分壓力升高，該部分壓力升高不消耗渦輪的功率，使得渦輪在同樣的進口條件下，傳給風(fēng)扇或?qū)ν廨敵?/span>的功率增加，等效于提高了發(fā)動機循環(huán)參數(shù)。
除此之外，燃燒中自增壓實現(xiàn)的壓力升高，比壓氣機的壓縮方式效率高，并且，因為壓縮效率高，相同壓比所引起的溫升低，在相同的渦輪承溫能力下，渦輪進口壓力升高，相當(dāng)于發(fā)動機的循環(huán)參數(shù)更高。
由于燃燒中壓力升高的效率更高，以及發(fā)動機等效的循環(huán)參數(shù)更高，混合循環(huán)型脈沖爆震發(fā)動機的循環(huán)熱效率提高，耗油率降低。
3.6 波轉(zhuǎn)子發(fā)動機
波轉(zhuǎn)子是一種利用非定常波對不同能量密度的氣流實現(xiàn)能量快速交換的裝置，包含波轉(zhuǎn)子的發(fā)動機，稱為波轉(zhuǎn)子發(fā)動機。根據(jù)波轉(zhuǎn)子內(nèi)是否包含燃燒過程，以及根據(jù)氣流在波轉(zhuǎn)子內(nèi)流動路徑的不同，波轉(zhuǎn)子發(fā)動機有多種類型。
在航空動力領(lǐng)域，早期主要研究通流外燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動機，后期則主要研究內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動機。后者將內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子嵌入燃?xì)鉁u輪發(fā)動機中，取代原有的定壓燃燒室。
內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子是一種工作中包含燃燒過程的波轉(zhuǎn)子，其燃燒過程屬于爆震或爆燃這類等容燃燒模式。在結(jié)構(gòu)上，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子是一個圓柱形鼓筒（見圖8），其上有多個通道，通道的進口在壓氣機一側(cè)，出口在渦輪一側(cè)。
工作時，隨著波轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每一個通道的進口斷續(xù)地與壓氣機流道連通，出口斷續(xù)地與渦輪流道連通，兩種連通相互交替，從而使得壓氣機的氣流進入通道，在通道內(nèi)噴入燃油進行燃燒、升壓后，向渦輪排出，隨后再從壓氣機進氣，周而復(fù)始。
因為包含有爆震燃燒的環(huán)節(jié)，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動機與混合循環(huán)型脈沖爆震發(fā)動機一樣，熱效率升高，耗油率降低。不過，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動機只適合于低壓比小型發(fā)動機，當(dāng)壓氣機壓比達(dá)到20以后，就沒多少好處了。由于應(yīng)用范圍有限，又結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩端的密封困難，加之受到相對來說結(jié)構(gòu)簡單得多的脈沖爆震發(fā)動機的挑戰(zhàn)，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動機的前景不怎么樂觀。
4 輸出方式優(yōu)化型
為了實現(xiàn)碳減少，通過優(yōu)化燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的能量輸出方式，派生出的新型發(fā)動機主要有多電發(fā)動機和全電發(fā)動機兩種。
4.1 多電發(fā)動機
在傳統(tǒng)發(fā)動機的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化循環(huán)方式和能量輸出方式，派生出了一些新型發(fā)動機。其中，優(yōu)化循環(huán)方式后，主要誕生了間冷／回?zé)岚l(fā)動機、齒輪傳動渦扇發(fā)動機、槳扇發(fā)動機、自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動機、脈沖爆震發(fā)動機和波轉(zhuǎn)子發(fā)動機；優(yōu)化輸出方式后，主要誕生了多電發(fā)動機和全電發(fā)動機。
這8種新型的發(fā)動機，最初不一定都是為了碳減少而誕生，但是，在實際效果方面，它們都能降低耗油率，實現(xiàn)碳減少。
聯(lián)系客服
