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变循环发动机YF120Part1

2012/3/7 8:28:25  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

   YF120 不是普通的航空发动机,而是变循环发动机。GE(通用电气公司)开发的这个发动机在低速时以涡轮风扇发动机方式工作,在高速时以近似涡轮喷气发动机的方式工作。相比之下,它的竞争对手,PW(普拉特惠特尼公司)的 YF119 则是一台常规的涡轮风扇发动机。

  上世纪八九十年代航空界有一场惊心动魄的龙虎斗:美国空军的第五代、超音速巡航的隐身战斗机的竞争。在竞争的决战阶段,飞机方面剩下两个对手:YF-22 和 YF-23;发动机方面也是两个对手:YF120 和 YF119。

  

 

  YF120

  

 

  竞争试飞中,装 YF120 的 YF-22 在性能上比装 YF119 的 YF-22 强、装 YF120 的 YF-23 也比装 YF119 的 YF-23 强。这个结果是合情合理的,因为 YF120 凭借变循环在超音速巡航时用适合超音速飞行的涡喷方式工作,而在亚音速时用适合亚音速飞行的涡扇方式工作;相比之下,YF119 只用一种固定的涡扇方式工作。

  但是,美国空军认为 YF120 虽然在性能上强过 YF119,却比 YF119 技术风险高、研制费用大。最终,美国空军放弃了 YF120 而选择了 YF119。今天,我们看到的美国第五代战斗机 F-22A 猛禽,使用的就是由性能逊于 YF120 的 YF119 发展而来的 F119 常规涡轮风扇发动机。即使在技术先进性方面比不上 YF120,F119 直到 2011 年的今天,仍然是世界上最先进的战斗机发动机。下图是 F-22A 的两台 F119 打开加力的照片:

  

 

  YF120 虽输掉了竞争,其优异的性能和创新性的变循环方案却使其在航空发动机业拥有举足轻重的地位。这个地位重要到什么地步?我在另外一篇文章中会说明,而本文则旨在分析 YF120 的变循环方案。

  首先请大家看一看 GE 的经典变循环方案,YF120 就是基于这个方案发展而来:

  

 

  上图中发动机剖视图中,上面一半表示的是超音速巡航模式、下面一半表示亚音速模式

  图中的发动机是双转子。其中低压转子由一级低压涡轮驱动,带动两级低压转子风扇;高压转子由一级高压涡轮驱动,带动一级高压转子风扇(图中表示为 Core-driven stage 3)和五级高压压气机。在高压涡轮和低压涡轮之间,有一级可变距涡轮导向叶片(图中表示为 Variable low-pressure turbine)。希望大家注意,上述结构中有两个常规发动机没有的东西——高压转子风扇(Core-driven stage 3)和有可变距涡轮导向叶片(Variable low-pressure turbine)。

  除了上述在叶片上的两个新颖设计外,这个变循环发动机方案在机体上还有三处常规发动机没有的东西:

  1, 处于低压转子风扇后面、高压压气机前面、高压转子风扇外环的前可变截面旁路引射器(图中表示为 Variable-area bypass injector);

  2, 处于低压涡轮后面的后可变截面旁路引射器(图中表示为 Variable-area bypass injector);

  3, 处于发动机后部的同心环形声学喷口(图中表示为 Coannular acoustic nozzle)。

  下面介绍一下这个变循环方案的工作方式:

  在图中下半部所示的亚音速状态,发动机的前可变截面旁路引射器后移,使得通过低压转子风扇的部分气流像常规涡扇发动机那样流过发动机外涵;同时高压转子风扇像普通高压压气机一样工作,此时的发动机是一台典型的涡扇发动机。

  流经外涵的风扇气流在发动机后部,通过打开的后可变截面旁路引射器进入同心环形声学喷口,并通过打开的同心环形声学喷口与从发动机内涵排气混合,从而降低喷气温度、改善声学特性。

  在亚音速状态,可变距涡轮导向叶片偏转,使得低压涡轮吸收更多的功率,带动低压转子风扇以较高功率工作,使得风扇产生较大比例的推力。

  在图中上半部所示的超音速巡航状态,前可变截面旁路引射器前移,使得低压转子风扇的全部气流都通过高压转子风扇,而绝大部分通过高压转子风扇的气流进入高压压气机,仅有极少部分从前移的前可变截面旁路引射器后部进入外涵,主要用来冷却发动机。此时,发动机以近似涡喷发动机的方式工作。之所以说近似,是因为此时仍有极少部分外涵气流用来冷却发动机,这是常规涡喷发动机所没有的。这个外涵气流可以保证发动机的涡轮以比常规涡喷发动机更高的温度工作,从而提高发动机效率。

  在超音速巡航状态,可变距涡轮导向叶片通过变距使得低压涡轮吸收较少的功率,导致喷气的功率损失较小并产生更大的推力。

  上面说的是 GE 的经典变循环方案。YF120 为了提高可靠性和维护性,对这个经典方案作了更改。

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