[原创]丝带用的不会是“变循环发动机”(涡喷+涡扇+冲压发动机)

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导读:下一代的发动机“变循环发动机” 在我另一篇发表的帖子: “涡轮喷射发动机和涡轮风扇发动机的详细说明(http://bbs.tiexue.net/post_4777647_1.html)”中, 已经详细的说明和解释过了涡轮喷射发动机和涡轮风扇发动机。 但有人问了这样一个问题:“那可不可以将冲压发动机整合到涡喷发动机里形成涡喷-冲压发动机,飞机起飞时用涡喷模式加速到可以启动冲压发动机的速度然后改为冲压模式?”, 这样的发动机是有的,叫做“变循环发动机(variable cycle engine

下一代的发动机“变循环发动机”


在我另一篇发表的帖子:

“涡轮喷射发动机和涡轮风扇发动机的详细说明(http://bbs.tiexue.net/post_4777647_1.html)”中,

已经详细的说明和解释过了涡轮喷射发动机和涡轮风扇发动机。


但有人问了这样一个问题:“那可不可以将冲压发动机整合到涡喷发动机里形成涡喷-冲压发动机,飞机起飞时用涡喷模式加速到可以启动冲压发动机的速度然后改为冲压模式?”,

这样的发动机是有的,叫做“变循环发动机(variable cycle engine)”。


什么是“变循环发动机”?

如果一种发动机的某些结构可以变形,使它能够分别以涡扇、涡喷、冲压等不同的发动机形式工作,那么他就称为变循环发动机(VCE)。他在正常情况下是一台低涵道比的“涡扇发动机”或带有外涵道的“涡喷发动机”。随着速度的提高,涡扇的前风扇会停止运作并调整到阻力最低的情况并关闭外涵道,变成一台涡喷发动机。速度再提高时涡喷发动机的进气也会关闭并启动外涵道,并在外涵道的末端点火,变成“冲压发动机”。这样,单一一台发动机就可以拥有三种发动机(“涡喷发动机”,“涡扇发动机”和“冲压发动机”)的性能优势,适应从低速飞行到高超音速的各种情况。


(注解:

1“涡喷发动机”-

一种完全依赖燃气流产生推力的发动机。

2“涡扇发动机”-

在涡喷发动机的一级压气机上安装巨大的进气风扇的发动机。一级压气机风扇因为体积大,除了可以压缩空气外,还能当作螺旋桨使用。

3“冲压发动机”-

是一种利用了发动机的前向运动来压缩空气,而不使用带有可旋转叶片压缩机的发动机。需要高速度才能良好的工作。冲压发动机无法在空速为零的时候产生推力,因此无法使飞行器从静止启动。)


最早的实用变循环发动机是SR-71上使用的普惠(Pratt & Whitney)J58发动机。此后通用电器也设计了YF120变循环涡扇发动机用于ATF计划。


SR-71:


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普惠J58发动机:


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但是这两种发动机都没有得到广泛的应用。主要的原因还是因为变循环发动机结构过于复杂,且价格高昂。不过在以后的高速民航客机上,这种设计还有很大的发展潜力。目前美国通用电气公司拥有世界最好的变循环发动机技术。


目前投入过实用的变循环发动机只有在SR-71上使用的普惠J58。(SR- 71在1966年服役,1990年退役,1995年又服役,1998年永久退役。)


那我们就用J58的工作方式来说明变循环发动机的工作原理。


J58的主要构成:


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1.前端可前后移动的锥形进气罩;

2.冲压发动机;

3.带有外涵道的涡喷发动机;

4.排气阀和气流调节阀。


简单来讲,J58是一个在内部加上一个有外涵道涡喷发动机的冲压发动机。


1.前端可前后移动的锥形进气罩:


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要能够让飞机达到3马赫,又要提供次音速的气流让涡喷发动机能正常运转,进气口的设计是很重要的。在发动机前部进气口处设有一个可前后移动的锥形的进气罩,在地面或低速飞行时,进气罩锁定在最前方的位置(不完全关闭,留一小部分进气口)。从1.6马赫开始,锥形进气罩会逐渐开始向后移动,最大到26英寸(增加进气口面积)。所需移动的幅度(调整进气口面积)由飞控电脑控制,依据飞机飞行时的空速,飞机的飞行姿态等数据而计算决定。把空气冲击波进入发动机的速度控制在1.0马赫,让气流能使用涡喷发动机正常运转(在需要它运转的时候)。


2.和3.发动机(冲压发动机+带有外涵道的涡喷发动机):


进入发动机的空气先由冲击波压缩(同时气流的温度也会上升),气流会被分成2部分,一部分进入压缩风扇(内涵道气流),其它的通过外涵道进入后燃器(外涵道气流)。内涵道气流经过压缩风扇会进一步压缩(同时气流温度进一步上升),燃料与压缩气流在燃烧室混合燃烧,这时的气流温度非常高,仅仅略低于涡轮叶片的熔点。气流在通过涡轮段后(温度稍微下降),内涵道气流和外涵道气流回合一起进入后燃器。涡喷发动机和后燃器同时产生推力。


当飞机达到3马赫时,气流通过冲击波与压缩段的压缩后,温度和速度以非常高,这时燃料不再与内涵道气流混合燃烧。这意味着说通过压缩,燃烧,和涡轮段的内涵道气流并未提供任何推力(涡喷发动机不再提供推力),飞机仅仅靠后燃器产生的推力来飞行(以冲压发动机的形式提供推力)。利用冲击波的压缩效果,这时的发动机转变成冲压发动机的形态。没有其它发动机是以这样的方式来运转的。


这就是一台冲压发动机内部还有一台涡喷发动机(加上外涵道)的变循环发动机。


低速度时:

涡喷发动机(内涵道)与冲压发动机(外涵道气流与后燃器)共同工作,提供飞机推力。

高速度时:

虽然涡喷发动机还位与发动机内,但已不再提供推力,发动机以冲压发动机的形态产生推力。(变循环发动机最大推力状态。)


4.排气阀和气流调节阀:


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(发动机在不同速度下的气流图)


0 马赫时:


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前部锥形进气罩 -锁定在最前方的位置,不完全关闭,允许气流进入发动机;

前部进气控制阀-关闭,气流以最大速度进入发动机;

压缩段控制阀-允许外涵道气流进入内涵道;

内涵道燃烧室前的排气阀-关闭,加压后的内涵道气流进入燃烧室;

外涵道中部的进气阀-开启,增加外涵道的气流;

后部后燃器进气阀-开启,增加进入后燃器的气流。


0.5 马赫时:


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前部锥形进气罩 -位置不变;

前部进气控制阀-关闭,气流以最大速度进入发动机;

压缩段控制阀-如果内涵道气压过大,允许内涵道气流进入外涵道;

内涵道燃烧室前的排气阀-关闭,加压后的内涵道气流进入燃烧室;

外涵道中部的进气阀-关闭,外涵道气流来之进气口;

后部后燃器进气阀-开启,增加进入后燃器的气流。


1.5马赫时:


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前部锥形进气罩 -位置不变;

前部进气控制阀-开启,调节进入发动机气流的速度;

压缩段控制阀-如果内涵道气压过大,允许内涵道气流进入外涵道;

内涵道燃烧室前的排气阀-关闭,加压后的内涵道气流进入燃烧室;

外涵道中部的进气阀-关闭,外涵道气流来之进气口;

后部后燃器进气阀-关闭,进入后燃器的气流为内涵道气流和外涵道气流的混合。


2.5马赫时:


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前部锥形进气罩 -向后移动,增加进气口面积;

前部进气控制阀-开启,调节进入发动机气流的速度;

压缩段控制阀-压缩段气流排放至外涵道;

内涵道燃烧室前的排气阀-开启,内涵道气流排放至外涵道;

外涵道中部的进气阀-关闭,外涵道气流来之进气口;

后部后燃器进气阀-关闭,进入后燃器的气流来之外涵道气流。


3.2 马赫时:


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前部锥形进气罩 -继续向后移动,进一步增加进气口面积;

前部进气控制阀-开启,调节进入发动机气流的速度;

压缩段控制阀-压缩段气流排放至外涵道;

内涵道燃烧室前的排气阀-开启,内涵道气流排放至外涵道;

外涵道中部的进气阀-关闭,外涵道气流来之进气口;

后部后燃器进气阀-关闭,进入后燃器的气流来之外涵道气流。


在这里重要用了J58发动机在讲解变循环发动机,但变循环发动机不同设计,差异是很大的。

变循环发动机只是一个统称,指“某些结构可以变形,能在不同的发动机形式下工作的发动机,就称为变循环发动机(VCE)。”。


变循环发动机的设计有:


1.双涵道(内涵道,和外涵道),涡扇、涡喷、冲压3形设计;

(J58不是次类设计,虽然它有外涵道,但不具有涡扇的特性,一级压气机上安装较大的进气风扇)


2.双涵道(内涵道,和外涵道),涡喷、冲压2形设计;

(如J58)


3.单涵道,涡喷、冲压2形设计;

(据说日本的变循环发动机研制方向就是此类设计)


4.或其它组合。


国外对变循环发动机(VCE)的研究工作从20世纪60年代开始一直没有停止,并获得了许多研究成果。GE公司在这方面一直领先,已经研究了四代的变循环发动机。


日本也从1989年开始研制变循环发动机,并在1999年投资3亿美金,用于研究和试验马赫数5的组合循环发动机 (CCE)。CCE由VCE(代号为HYPR-T)和以甲烷为燃料的冲压发动机组成,并在 1996年12月到1997年2月间,HYPR-T发动机的模拟高空试验在GE的模拟高空试验台上进行,模拟的速度为马赫数3,高度20700米。通过试验,成功地验证了发动机的适用性。


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(日本的HYPR)


而中国却一直没有在变循环发动机(VCE)方面有任何消息。


变循环发动机是会比其它的发动机先进,能结合不同发动机的性能优势,但变循环发动机真的优秀吗?我并不这样觉得。虽然它有单一发动机不曾拥有的性能优势,但绝不会比单一发动机的优势强,机动性能不如涡喷发动机的,效率不如涡扇发动机,推力不如冲压发动机,就算它有3者的优势,但过于复杂的结构限制了它的稳定性和可靠性。


但做必要的研究还是必须的。希望中国也能在这个领域有所突破。


Ps :

本文内容为我个人原创作品。(3300+字)

如有错误或与你的意见不同,请见谅。


本文内容于 2011/1/9 22:10:36 被iamzq编辑

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热门评论

这么棒,介绍变循环发动机的文章,居然才这么几个人回。

铁血果然更适合“铁青”。


我支持楼主,认为歼20引入了冲压发动机

可能是涡喷十冲压变循环发动机

否则进步不可能这么快,因为中国在传统涡喷发动机差距较大,冲压发动机则和美军在同一条起跑线上。歼20如果你没引入冲压发动机,其发动机很难使其成为歼20

 以下是引用asd65673 在第3楼的发言:
变循环的技术难度太大,TG还没掌握。


而且变循环机构附加重量对空战战斗机这种需要频繁变换工作状态的机种并不适用。


它适用于飞行剖面简单,任务单一的机型,如运输机、侦察机、轰炸机。

这样的结论都是给予现有技术,

现在的技术难点不就是如何让变循环发动机更实用吗?原型机,理论早都有了。

变循环的技术难度太大,TG还没掌握。


而且变循环机构附加重量对空战战斗机这种需要频繁变换工作状态的机种并不适用。


它适用于飞行剖面简单,任务单一的机型,如运输机、侦察机、轰炸机。

4楼tryy

AL-41F没新消息呀。

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