張彥軍 于學(xué)明 郭帥帆

摘 要：文章首先介紹了美國(guó)“黑鳥(niǎo)SR-71”戰(zhàn)略偵察機(jī)所采用的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（J-58）的相關(guān)情況，然后對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的可回收旁路放氣技術(shù)及該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，最后介紹了J58發(fā)動(dòng)機(jī)可回收旁路引氣結(jié)構(gòu)及控制方法。通過(guò)上述介紹和分析認(rèn)為可回收旁路放氣技術(shù)對(duì)我國(guó)高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的研制具有一定的借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高超聲速；可回收；旁路放氣；高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

引言

隨著未來(lái)軍事需求的發(fā)展，能夠以高馬赫數(shù)飛行的高空高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)正在成為未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要發(fā)展方向[1-6]。美國(guó)早在20世紀(jì)60年代研制的J-58發(fā)動(dòng)機(jī)是“黑鳥(niǎo)SR-71”戰(zhàn)略偵察機(jī)的動(dòng)力裝置，SR-71飛機(jī)最大飛行高度26km，最大飛行馬赫數(shù)3.2以上。SR-71在美空軍前后共飛行24年，從誕生至今從未有被擊落的記錄。

圖1 “黑鳥(niǎo)”飛機(jī)配裝J-58發(fā)動(dòng)機(jī)起飛

J-58發(fā)動(dòng)機(jī)（見(jiàn)圖2）作為到目前為止唯一一種經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用馬赫數(shù)3飛行的發(fā)動(dòng)機(jī)，也為美國(guó)后續(xù)開(kāi)展高空高速動(dòng)力研究打下了良好基礎(chǔ)。

圖2 美國(guó)J-58發(fā)動(dòng)機(jī)

J-58發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，包括9級(jí)軸流壓氣機(jī)，壓比為8.8，壓氣機(jī)靜子、轉(zhuǎn)子葉片和葉盤均為鋼質(zhì)；渦輪為2級(jí)軸流式，帶有空心導(dǎo)向葉片，第1級(jí)渦輪葉片為空心氣冷，第2級(jí)渦輪葉片實(shí)心。為滿足寬廣的飛行包線，馬赫數(shù)小于2.2時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)基本處于渦輪噴氣工作模態(tài)，當(dāng)馬赫數(shù)大于2.2時(shí)，打開(kāi)第4級(jí)壓氣機(jī)后的24個(gè)內(nèi)部旁路放氣活門[8]，氣流通過(guò)連接的6根粗管繞過(guò)后幾級(jí)壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪，直接流入加力燃燒室。馬赫數(shù)3時(shí)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)處于風(fēng)車或空中慢車狀態(tài)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)大部分空氣通過(guò)旁路放氣通道直接進(jìn)入加力燃燒室。正是由于發(fā)動(dòng)機(jī)在不同飛行階段發(fā)揮出了不同發(fā)動(dòng)機(jī)模式的工作優(yōu)勢(shì)，才造就了SR-71的優(yōu)異的高空高速性能，使其在航空器發(fā)展史上寫(xiě)下光輝的一筆。

文章重點(diǎn)分析了可回收旁路放氣技術(shù)給J58單軸渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的性能優(yōu)化、提升，同時(shí)介紹了可回收旁路放氣結(jié)構(gòu)及引氣控制方式。

1 旁路放氣在高速渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用分析

1.1 單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)高超聲速飛行面臨的技術(shù)問(wèn)題

對(duì)于高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，高馬赫數(shù)大狀態(tài)飛行時(shí)會(huì)面臨的一系列的問(wèn)題。根據(jù)單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)軸流壓氣機(jī)的性能曲線，見(jiàn)圖3，L、D、H分別代表了三種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)點(diǎn)。L點(diǎn)代表發(fā)動(dòng)機(jī)在海平面小狀態(tài)工作或者高空大馬赫數(shù)大狀態(tài)工作，H點(diǎn)代表發(fā)動(dòng)機(jī)海平面大狀態(tài)工作。D點(diǎn)代表發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)。

對(duì)于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)軸流壓氣機(jī)流量系數(shù)與壓比的關(guān)系：■·？仔=常數(shù)，H點(diǎn)時(shí)空氣換算流量大于設(shè)計(jì)值，壓比大于設(shè)計(jì)壓比，第一級(jí)流量系數(shù)大于設(shè)計(jì)值，由于各級(jí)壓比大于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致后面級(jí)流量系數(shù)加速變小，由速度三角形分析可知，cza下降意味著后面壓氣機(jī)在大的正攻角下工作，會(huì)出現(xiàn)“前堵后喘”的情況。而L點(diǎn)進(jìn)氣的換算流量小于設(shè)計(jì)值，壓比小于設(shè)計(jì)壓比，第一級(jí)流量系數(shù)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，由于各級(jí)壓比小于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致后面級(jí)流量系數(shù)加速放大，由速度三角形分析可知，就造成了“前喘后堵”的情況。因此高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在高馬赫數(shù)大狀態(tài)飛行時(shí)，進(jìn)氣流量會(huì)受到限制。

高馬赫數(shù)大狀態(tài)飛行（L點(diǎn)）不僅空氣流量受到限制，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的推力也受到限制。調(diào)整噴口喉道面積也無(wú)法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榉糯髧娍诘暮淼烂娣e會(huì)導(dǎo)致渦輪前溫度升高和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)超出其熱負(fù)荷限制。除此之外，高馬赫數(shù)大狀態(tài)飛行時(shí)（L點(diǎn)），發(fā)動(dòng)機(jī)接近不穩(wěn)定邊界線，容易受到流量變化、進(jìn)氣畸變等外部條件的影響，而引起喘振或發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定，高速旋轉(zhuǎn)及氣流擾動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)循環(huán)疲勞壽命降低。高馬赫數(shù)大狀態(tài)飛行時(shí)（L點(diǎn)），壓氣機(jī)的效率較低，而發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、耗油率與壓氣機(jī)的效率密切相關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能會(huì)受到影響。

1.2 旁路放氣技術(shù)對(duì)于壓氣機(jī)性能提升

當(dāng)壓氣機(jī)在較低換算轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作時(shí)，由中級(jí)放走部分空氣。放氣工作時(shí)，對(duì)于放氣點(diǎn)的前面級(jí)的性能影響比較明顯，前面級(jí)來(lái)流為大正攻角，放氣后流量增大氣流軸向分速度增大，從圖中速度三角形可以看出軸向分速度增大后來(lái)流攻角變小葉片工作恢復(fù)正常。放氣點(diǎn)下游的壓氣機(jī)后面級(jí)，由于此處空氣流量減小，同時(shí)放氣點(diǎn)上游的空氣流量和空氣密度的增大，后面級(jí)增壓比也有所加大，效率也有所提高。

旁路放氣發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)性能曲線對(duì)比見(jiàn)圖4，旁路放氣后的壓氣機(jī)的不穩(wěn)定邊界線、效率線和共同工作線均發(fā)生變化。旁路放氣發(fā)動(dòng)機(jī)的高馬赫數(shù)大狀態(tài)飛行時(shí)的工作狀態(tài)點(diǎn)L1點(diǎn)在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)L點(diǎn)的右側(cè)，且有一定距離，離不穩(wěn)定邊界線的距離也有所增加。傳統(tǒng)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)L點(diǎn)時(shí)壓氣機(jī)前幾級(jí)處于失速狀態(tài)。當(dāng)打開(kāi)旁路放氣后，壓氣機(jī)前幾級(jí)的換算流量增加，壓氣機(jī)的前幾級(jí)工作狀態(tài)較好，遠(yuǎn)離失速狀態(tài)，同時(shí)提高了壓氣機(jī)的失速邊界。

壓氣機(jī)效率方面，旁路放氣發(fā)動(dòng)機(jī)以下二個(gè)方面提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率：一方面，壓氣機(jī)前幾級(jí)的性能提高，壓縮了更多地來(lái)流空氣，進(jìn)氣換算流量提高，壓氣機(jī)的效率提高，放氣后壓氣機(jī)的后幾級(jí)不會(huì)出現(xiàn)堵塞。另一方面，壓氣機(jī)效率提升后，進(jìn)而提高了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，降低了耗油率。旁路放氣發(fā)動(dòng)機(jī)能夠消除前幾級(jí)的失速問(wèn)題，同時(shí)消除因失速而引起的擾動(dòng)。旁路放氣發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)重要特點(diǎn)J58發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后放出的氣直接進(jìn)入加力燃燒室，用于產(chǎn)生額外的推力，且旁路放氣管氣流溫度比主流的燃?xì)鉁囟鹊?，放出的氣還可以用于冷卻加力燃燒室，提升加力燃燒室的壽命。與傳統(tǒng)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在不增加壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的條件下能夠產(chǎn)生額外的推力；而壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速降低又會(huì)增加壓氣機(jī)的壽命和減少壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)重量；L點(diǎn)性能提升后，設(shè)計(jì)點(diǎn)空氣換算流量也會(huì)有所提高，提高壓氣機(jī)的性能，進(jìn)而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。除此之外，此種方法可以用于提升壓氣機(jī)的抗畸變的能力。

2 可回收旁路放氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局及放氣結(jié)構(gòu)分析

2.1 旁路放氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局

文章重點(diǎn)研究了參考文獻(xiàn)[8]中的旁路放氣發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)是在傳統(tǒng)的帶加力的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上增加了旁路放氣結(jié)構(gòu)，如圖5所示，由帶前、中、后級(jí)的單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、進(jìn)排氣系統(tǒng)及旁路放氣結(jié)構(gòu)等組成，工作原理上接近于變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)[9]。

圖5 帶旁路放氣的單轉(zhuǎn)子加力渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)

2.2 旁路放氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及控制

旁路放氣結(jié)構(gòu)由沿周向排布的沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的引氣管路組成，引氣管路上游直接與壓氣機(jī)中間級(jí)的機(jī)匣連著和下游與加力燃燒室機(jī)匣進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)[10]。旁路放氣結(jié)構(gòu)只有在大馬赫數(shù)且發(fā)動(dòng)機(jī)處于大狀態(tài)條件下才會(huì)打開(kāi)。馬赫數(shù)測(cè)量裝置用來(lái)感受發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口馬赫數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口馬赫數(shù)決定了管道中部的放氣閥門的開(kāi)度，只有在高馬赫數(shù)飛行時(shí)放氣閥門才會(huì)打開(kāi)。另一種控制放氣閥門的方法是通過(guò)感受壓氣機(jī)的進(jìn)口溫度和轉(zhuǎn)速，在信號(hào)轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行綜合計(jì)算，給出換算轉(zhuǎn)速？濁/■，θt2是壓氣機(jī)進(jìn)口溫度的函數(shù)。提前設(shè)定一個(gè)換算轉(zhuǎn)速值，當(dāng)高于該值時(shí)打開(kāi)閥門，當(dāng)?shù)陀谠撝禃r(shí)關(guān)閉閥門，見(jiàn)圖6。

圖6 放氣閥門控制原理1

還有一種控制放氣閥門的方法是通過(guò)感受壓氣機(jī)的進(jìn)口靜壓PS2和進(jìn)口總壓Pt2，然后將PS2/Pt2作為閥門的控制信號(hào)，預(yù)設(shè)置一個(gè)值，當(dāng)高于該值時(shí)打開(kāi)閥門，當(dāng)?shù)陀谠撝禃r(shí)關(guān)閉閥門。PS2/Pt2間接反映了壓氣機(jī)的進(jìn)口馬赫數(shù)，見(jiàn)圖7。

圖8顯示了一種替代放氣管路的方法，在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣外再做一層機(jī)匣前面與壓氣機(jī)的中間級(jí)機(jī)匣連接，后面與加力燃燒室連接，形成一個(gè)規(guī)則的氣流通道。這樣，該通道不僅起到了放氣的作用，同時(shí)還能夠用于冷卻加力燃燒室。采用放氣管路的方式也可以實(shí)現(xiàn)該功能。

圖8 替代放氣管路的引起結(jié)構(gòu)形式

2.3 旁路放氣管路與壓氣機(jī)和加力燃燒室的連接

旁路放氣發(fā)動(dòng)機(jī)首選采用放氣管路的形式，旁路放氣管路與壓氣機(jī)及加力燃燒室的連接方法，具體見(jiàn)圖9。在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上形成若干個(gè)周向均部的集氣腔，在集氣腔中有一組具有收擴(kuò)功能的調(diào)節(jié)片，調(diào)節(jié)片的收擴(kuò)狀態(tài)決定了放氣量的大小，調(diào)節(jié)片處于擴(kuò)張狀態(tài)較多的壓氣機(jī)較多的中間級(jí)引氣進(jìn)入集氣腔，當(dāng)調(diào)節(jié)片處于收斂狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有氣進(jìn)入管路。調(diào)節(jié)片通過(guò)鉸鏈與可軸向的移動(dòng)圓環(huán)連接。圓環(huán)作為一種將軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為徑向運(yùn)動(dòng)的裝置。圓環(huán)通過(guò)周向布置若干作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)，作動(dòng)筒是靠感受高壓空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)圓環(huán)的前后移動(dòng)。進(jìn)入集氣腔的空氣經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)內(nèi)機(jī)匣和外機(jī)匣間的引氣導(dǎo)流通道進(jìn)入引氣圓管。在導(dǎo)流通道內(nèi)放置了若干魚(yú)尾形的導(dǎo)向葉片來(lái)引導(dǎo)氣流進(jìn)入圓管。圓管下游有一個(gè)膨脹節(jié)，允許管路沿軸向有一定的膨脹量。圓管末端同樣與一個(gè)由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣和加力燃燒室內(nèi)的隔熱罩組成的集氣腔連接。進(jìn)入集氣腔的氣一部分進(jìn)入隔熱罩和加力隔熱屏間的凹腔內(nèi)，另一部分通過(guò)隔熱屏上的若干小孔進(jìn)入加力燃燒室內(nèi)，同時(shí)起到對(duì)隔熱屏的冷卻作用。

圖9 引氣管路與壓氣機(jī)和加力燃燒室的連接

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）成熟渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及旁路放氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)是旁路放氣渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。（2）旁路放氣管路閥門、管路及與壓氣機(jī)、加力燃燒室的連接是旁路放氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)旁路放氣的調(diào)節(jié)與發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的緊密配合是保證動(dòng)力系統(tǒng)在高馬赫數(shù)大狀態(tài)條件下穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。（3）在成熟的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，通過(guò)旁路放氣結(jié)構(gòu)及放氣回收設(shè)計(jì)技術(shù)能夠有效提升渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在高空大馬赫數(shù)狀態(tài)下的性能，該技術(shù)值得我們?cè)诟咚贉u輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：張彥軍（1983-），男，碩士，工程師，研究方向：空天動(dòng)力總體設(shè)計(jì)。