寫在前面

      對(duì)于各種新型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，本文進(jìn)行了簡(jiǎn)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(jìn)的機(jī)理和耗油率降低的情況,。

      這是非常有意義的。這些發(fā)動(dòng)機(jī)大都尚未走進(jìn)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(duì)《（47）航空動(dòng)力的碳減少》進(jìn)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(dòng)機(jī)的內(nèi)容,。

提   要 

1  引言

2  發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)

3.2  齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

3.3  槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)

3.4  自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

3.5  脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

3.6  波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)

4  輸出方式優(yōu)化型

4.1  多電發(fā)動(dòng)機(jī)

1  引言

      在《（48）“雙碳”目標(biāo)下，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)路在何方,？》中介紹過,，在雙碳目標(biāo)的大背景下，在一段時(shí)期以內(nèi),，對(duì)于起飛重量大,、航程長(zhǎng)的飛行器，還將繼續(xù)使用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī),，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(dòng)機(jī)的效率,，除了《（49）降低燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率的技術(shù)途徑》中提到的優(yōu)化總體設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī),。

2  發(fā)動(dòng)機(jī)類型與碳減少的關(guān)系

      發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)方式不同，則其運(yùn)行效率,、推進(jìn)效率也不同,。發(fā)動(dòng)機(jī)的能量輸出方式不同，則飛行器的推進(jìn)方式和推進(jìn)效率也不同,。

      其實(shí),，渦噴、渦扇,、渦槳和渦軸這些傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī),，其耗油率也因循環(huán)方式的差異而不同。

      渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)是最早的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī),，其噴出的氣體帶走的動(dòng)能多,，推進(jìn)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(jìn)效率,，發(fā)展了渦扇、渦槳和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī),。

      拋開使飛行器達(dá)到的速度，僅從推進(jìn)效率來說的話,，渦噴,、渦扇、渦槳和渦軸這些發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率是逐步提高的,。

      近年來,，為了降低耗油率，實(shí)現(xiàn)碳減少,，在上述這些傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī),。

3 循環(huán)優(yōu)化型

      為了實(shí)現(xiàn)碳減少,，通過優(yōu)化循環(huán)方式派生出的新型發(fā)動(dòng)機(jī)主要有間冷／回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),、槳扇發(fā)動(dòng)機(jī),、自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)6種,。

3.1 間冷/回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)

      間冷/回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)的概念主要用于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),，是在常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)置了間冷器和回?zé)崞鳎妶D1,。

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圖1  間冷／回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)

       1）間冷器

       間冷器設(shè)置在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵,，用于對(duì)高壓壓氣機(jī)前的氣流進(jìn)行降溫，降溫后,，再返回高壓壓氣機(jī)進(jìn)口,。

       壓氣機(jī)氣流在間冷器中降溫所散發(fā)的熱量并未浪費(fèi)，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(qiáng),。而另一方面，壓氣機(jī)氣流降溫后,，容積流量減小,，進(jìn)入高壓壓氣機(jī)中進(jìn)行壓縮時(shí)，功率消耗降低,，溫升降低,。

       高壓壓氣機(jī)進(jìn)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(jī)的功率消耗降低后,，渦輪部件用于高壓壓氣機(jī)的功率減少，在同樣進(jìn)口條件下輸出給風(fēng)扇的功率增加,，等效于提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)參數(shù),，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

       b）回?zé)崞?nbsp;  

      回?zé)崞髟O(shè)置在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪出口,，用于對(duì)高壓壓氣機(jī)出口氣流進(jìn)行加溫,，加溫后再返回燃燒室進(jìn)口，從而減少燃燒室的燃油消耗,。

3.2  齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

      齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),，是在常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，于低壓渦輪與風(fēng)扇之間設(shè)置減速器,，見圖2,。

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圖2  齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

      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(dòng)機(jī)的耗油率,。

      除了增大涵道比的優(yōu)勢(shì)外，與常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比,，齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可通過選擇合適的減速器傳動(dòng)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(shí)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(dòng)機(jī)

      槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)是在齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上,，進(jìn)一步加大減速比，增加涵道比,，從而進(jìn)一步發(fā)揮質(zhì)量附加效應(yīng)的優(yōu)勢(shì),。

       槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的有效涵道比可達(dá)25～60，與常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比,，飛機(jī)油耗降幅可達(dá)30％,。

      槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)兼顧或者說折衷了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率低和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)飛行速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此,，可稱之為高速螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī),，或超高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

      根據(jù)是否帶有外涵機(jī)匣，槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)分為涵道槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖3）和開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖4,、圖5）兩種,。它們一般都包含兩級(jí)槳扇，并都采用對(duì)轉(zhuǎn)方式,。

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圖3  涵道槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)

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圖5  開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（結(jié)構(gòu)）

3.4  自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

      自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是一種多設(shè)計(jì)點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī),，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(jī),，滿足軍用飛機(jī)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(dòng)機(jī)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(jìn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí),，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(dòng)機(jī)的高速飛行性能,，比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)以加力等方式進(jìn)行同樣的推進(jìn)更省油,。在起飛和亞聲速巡航飛行時(shí)，它可增大涵道比,，充分發(fā)揮渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì),，降低耗油率。

      由于自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在各種飛行情況下都具有良好性能,，與常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比,，其綜合耗油率降低，在完成相同的飛行任務(wù)時(shí),，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(dòng)機(jī)的典型方案（見圖6）中,，與常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)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(jí)風(fēng)扇采用一個(gè)“Flade”（Fan+Blade），即在風(fēng)扇外圍接一排短的轉(zhuǎn)子葉片,，來對(duì)增加的外涵氣流增壓,。

       3）在原有風(fēng)扇的后方,，針對(duì)原有的內(nèi)涵氣流設(shè)置了一級(jí)核心機(jī)驅(qū)動(dòng)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。

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      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(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇后）的開度。

3.5  脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

      爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是一種釆用了超聲速爆震燃燒方式的發(fā)動(dòng)機(jī),，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(duì)航空動(dòng)力，研究比較多的是脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī),。

      純脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)主要由爆震燃燒室,、進(jìn)氣道、尾噴管組成,，爆震室與進(jìn)氣道之間有高速旋轉(zhuǎn)閥門,，見圖7,。

?圖7   純脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)

       在航空動(dòng)力領(lǐng)域,，不單獨(dú)使用純脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī),，而是將其與現(xiàn)有燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)不需要機(jī)械閥門，而是利用壓氣機(jī)的節(jié)流特性,，再結(jié)合反傳抑制等特別設(shè)計(jì),，以“氣動(dòng)閥”的方式，大體等效地實(shí)現(xiàn)爆震燃燒時(shí)燃燒室進(jìn)口氣流的關(guān)閉,。

      上述混合循環(huán)型脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī),，其在燃燒中的自增壓特性實(shí)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(jìn)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(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù),。

      除此之外，燃燒中自增壓實(shí)現(xiàn)的壓力升高,，比壓氣機(jī)的壓縮方式效率高,，并且，因?yàn)閴嚎s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(jìn)口壓力升高,，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)等效的循環(huán)參數(shù)更高,，混合循環(huán)型脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)熱效率提高,，耗油率降低。

3.6 波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)

      波轉(zhuǎn)子是一種利用非定常波對(duì)不同能量密度的氣流實(shí)現(xiàn)能量快速交換的裝置,，包含波轉(zhuǎn)子的發(fā)動(dòng)機(jī)，稱為波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī),。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(dòng)路徑的不同,，波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有多種類型。

      在航空動(dòng)力領(lǐng)域,，早期主要研究通流外燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī),，后期則主要研究?jī)?nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī),。后者將內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子嵌入燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)圓柱形鼓筒（見圖8）,，其上有多個(gè)通道,，通道的進(jìn)口在壓氣機(jī)一側(cè),，出口在渦輪一側(cè),。

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      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(duì)來說結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得多的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn),，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的前景不怎么樂觀,。

4 輸出方式優(yōu)化型

      為了實(shí)現(xiàn)碳減少,，通過優(yōu)化燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的能量輸出方式,，派生出的新型發(fā)動(dòng)機(jī)主要有多電發(fā)動(dòng)機(jī)和全電發(fā)動(dòng)機(jī)兩種,。

4.1 多電發(fā)動(dòng)機(jī)

?多電發(fā)動(dòng)機(jī)是相對(duì)傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)來說的,，它在產(chǎn)生推力或輸出機(jī)械功率的同時(shí),，由內(nèi)置發(fā)電機(jī)發(fā)出比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)明顯要多的電力。

多電發(fā)動(dòng)機(jī)可以釆用分布式控制而減輕重量,，還可釆用電動(dòng)燃油泵等電動(dòng)附件,，從而取消機(jī)械傳動(dòng)部件，結(jié)合電磁軸承的釆用,，可以取消滑油系統(tǒng)，從而降低重量和耗油率,。

釆用多電發(fā)動(dòng)機(jī)后,，飛行器上的部分推進(jìn)裝置可進(jìn)行電力驅(qū)動(dòng),，實(shí)現(xiàn)異地推進(jìn),，并與發(fā)動(dòng)機(jī)之間實(shí)現(xiàn)解耦,，為飛行器的操縱帶來方便。

異地推進(jìn)主要有分布式推進(jìn)和直升機(jī)電動(dòng)尾槳推進(jìn)兩種情況,。

分布式推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)是推進(jìn)效率高，并且,，可以使飛行器的升力效率高,、安全性好,、操縱性好，詳見《（44）電動(dòng)飛行器有哪些優(yōu)勢(shì)》中“4 分布式推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)”,。

電動(dòng)尾槳的優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)化了傳動(dòng),，減輕了重量,，可以獨(dú)立于旋翼調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,，并且,，對(duì)于救援等用途的直升機(jī),，停在地面時(shí)，還可關(guān)閉尾槳,，減少安全隱患。

4.2 全電發(fā)動(dòng)機(jī)

全電發(fā)動(dòng)機(jī)是在多電發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上,，將渦輪的功率除去驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的之外,，都轉(zhuǎn)化成了電功率。

全電發(fā)動(dòng)機(jī)可使飛行器的全部推進(jìn)裝置都進(jìn)行電力驅(qū)動(dòng),，全面實(shí)現(xiàn)分布式推進(jìn)（見圖9）,，從而在多電發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)揮了分布式推進(jìn)的優(yōu)勢(shì),，節(jié)省了更多燃油,。

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圖9 基于全電發(fā)動(dòng)機(jī)的分布式推進(jìn)