■ 李鳳超 周琨 邵飛/中國航發(fā)研究院

變幾何渦輪是自適應/變循環(huán)發(fā)動機的核心部件，通過改變渦輪導向葉片的安裝角或厚度來實現狀態(tài)調節(jié)。美國、英國和日本等均積極發(fā)展變幾何渦輪技術，積累了豐富經驗。隨著對更高進口溫度和更寬調節(jié)范圍的追求，未來變幾何渦輪的研制仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

美國軍方指出，對于多用途戰(zhàn)斗機，最富有吸引力的就是采用變幾何渦輪技術的變循環(huán)發(fā)動機。也有研究人員曾提出這樣的設想，通過變幾何渦輪與其他可調部件的配合，使得在任意給定的飛行剖面上各狀態(tài)點的性能都達到最佳。由此可見變幾何渦輪技術的重要性和特殊性。作為變循環(huán)發(fā)動機的核心部件，變幾何渦輪通過調節(jié)自身的流通能力來改變輸出功的大小，進而改變高壓與低壓渦輪的轉速差，匹配風扇和壓氣機的工作狀態(tài)，同時提高發(fā)動機部分推力狀態(tài)的經濟性，并改善加速、減速等瞬態(tài)響應特性[1]。VCTFE731-2、GE21、HYPR90和COPE等變循環(huán)技術驗證機上都使用了變幾何渦輪技術，如圖1所示。在超聲速循環(huán)研究（SCR）、先進渦輪發(fā)動機燃氣發(fā)生器（ATEGG）、聯合技術驗證發(fā)動機（JTDE）以及高超聲速推進系統研究（HYPR）等計劃的支持下，美國、英國、日本等國家對變循環(huán)技術開展了深入的研究，尤其是對其中關鍵的變幾何渦輪技術開展了較為全面的部件和整機試驗驗證，為高性能變幾何渦輪的研制積累了大量經驗。

GE公司

圖1 變幾何渦輪在變循環(huán)發(fā)動機上的應用

GE公司在變循環(huán)發(fā)動機研制方面時間最久、程度最深、成果最多，可謂一直引領著相關技術的發(fā)展。而變幾何渦輪技術就是該公司的一項核心技術。

GE21是該公司研發(fā)的第二代變循環(huán)發(fā)動機驗證機，其單級低壓渦輪進口導向葉片的安裝角是可調的[2]。改變安裝角被公認為是最有效的變幾何方式之一，也被后續(xù)多種變幾何低壓渦輪所采用。如圖2所示，采用與壓氣機可調靜子葉片類似的傳動機構，主要由液壓作動筒、曲柄、拉桿、聯動環(huán)和搖臂等部分組成。在傳動機構的驅動下，導向葉片能夠圍繞各自的轉軸整體轉動，往復的開大和關小角度，相應地增大和減小喉道面積，從而控制流量的變化。鑒于承受的氣動載荷較大，可調導向葉片帶有較為粗壯的外軸和內軸，且轉軸與葉片之間設有直徑較大的圓臺，占據了導向葉片端部間隙內的大部分空間，有利于降低泄漏損失。為了便于導向葉片的安裝、簡化傳動機構的結構，通過增大弦長的方式將導向葉片的數量減少至只有30個，葉片稠度相對較低，僅為0.7。在設計狀態(tài)下，低壓渦輪進口溫度約為1410K，在葉片、轉軸與圓臺的內部均設有冷卻通道，使用引自壓氣機的低溫空氣對其進行冷卻。

GE21發(fā)動機有兩種工作模式。當發(fā)動機以單涵模式工作時，低壓渦輪的導向葉片角度開大，同時關閉模式選擇閥，關小前、后涵道引射器，此時變幾何低壓渦輪工作在低壓比、大流量狀態(tài)，低壓軸輸出功率降低，而高壓軸輸出功率提高，使涵道比達到最??；當發(fā)動機以雙涵模式工作時，低壓渦輪導向葉片角度關小，同時開啟模式選擇閥，開大前、后涵道引射器，此時低壓渦輪工作在高壓比、小流量狀態(tài)，低壓軸輸出功率提高，而高壓軸輸出功率降低，使涵道比達到最大。

圖2 GE21發(fā)動機的變幾何低壓渦輪

可控壓比發(fā)動機（COPE）是GE公司和艾利遜公司在F120發(fā)動機技術基礎上聯合研發(fā)的第四代變循環(huán)發(fā)動機驗證機，其渦輪部件革命性地使用了可調面積高壓導向器、兩級無導向葉片對轉低壓渦輪等先進技術[3]。特別是高壓可調導向葉片的使用，允許發(fā)動機在一個寬壓比范圍內以恒定的涵道比工作，并且高壓壓氣機能夠在寬范圍內運行在固定的匹配點上而保持較高的效率。同時，變幾何高壓渦輪與無導向葉片對轉低壓渦輪搭配使用，能夠獲得更高的調節(jié)收益，導向葉片的轉角變化范圍進一步減小。

高壓渦輪導向器的工作溫度高，大大增加了傳動機構和冷卻結構的設計難度。因此，COPE并未沿用GE21導向葉片安裝角可調的傳統變幾何方式，而是采用了一種全新的“零間隙”調節(jié)方式?？烧{導向葉片由固定（包括頭部、壓力面和部分吸力面）和轉動（包括部分吸力面）兩個部分組成，其中固定部分與端壁之間沒有間隙，而僅是轉動部分與端壁之間存在一定間隙。搖臂驅動導向葉片轉軸，轉軸帶動一個凸輪結構，凸輪驅動葉片的轉動部分轉動。轉動部分像蚌殼一樣地開合，使葉片厚度相應地增減，進而改變導向葉片的喉道面積。這種獨特的設計有效避免了傳統方案中由于冷氣泄漏、葉片轉動形成的臺階和間隙等原因所引起的損失增大的問題，以及葉片前駐點位置變化帶來的冷卻困難的問題。同時，通過有效地控制由于吸力面不連續(xù)而附加的葉型損失，使最大推力狀態(tài)（導向葉片轉動部分處于使喉道面積最大的位置）下導向葉片葉柵效率僅比設計狀態(tài)（導向葉片轉動部分處于使喉道面積最小的位置）降低約1%，相應的高壓渦輪效率僅降低約2%，如圖3所示。另外，葉片轉動部分輸出的旋轉角度遠遠小于轉軸輸入的旋轉角度，減速比能夠達到10～40∶1，顯著提高了操縱精度。

圖3 COPE發(fā)動機高壓可調導葉氣動性能

蓋瑞公司

蓋瑞（Garrett）公司在美國空軍航空推進實驗室的支持下，采用可變面積導向器，將常規(guī)TFE731-2渦扇發(fā)動機改為變循環(huán)發(fā)動機，并進行了72h臺架試車和75h高空模擬試驗，較為全面地驗證了變幾何渦輪技術的優(yōu)勢。

將原有3級低壓渦輪的第一級導向葉片改為安裝角可調，喉道面積變化范圍為-7%～40%。導向葉片為懸臂結構，外軸通過螺母與搖臂固定，搖臂由聯動環(huán)驅動以保證同步動作。導向葉片轉軸中心線并不與發(fā)動機中心線垂直，而存在10°左右的傾角。以導向葉片轉軸中心線和發(fā)動機中心線的交點為球心，將內外端壁改為同心的球面，使得在所有角度下可調葉片端部都具有相同的間隙，有效地抑制了間隙泄漏。軸套采用分段結構，中間用隔套隔開，導向葉片依靠上下兩個軸套與轉軸相配合而定心。燃燒室為回流形式，傳動機構位于其二次氣流通道內，燃燒室內的低溫空氣將向渦輪通道內泄漏，這時少量的漏氣將對轉軸等起到冷卻作用。在壓差作用下，墊環(huán)與外套的端面貼緊，并借助軸套與轉軸的配合，共同起到密封作用。該結構基本上沿用了TSCP700輔助動力裝置（APU）的變幾何技術，而該APU當時已積累了數萬小時的飛行經驗，表明其結構方案是可靠的。

圖4 VCTFE731-2發(fā)動機渦輪轉速特性

試驗表明：在變幾何結構設計位置和相同的凈推力下，發(fā)動機耗油率增大約1%，渦輪前溫度不變，所有參數均在生產型的驗收標準之內，說明這種變幾何結構并未使低壓渦輪的性能出現明顯降低；可調導向葉片喉道面積增大時，高壓渦輪轉速升高，而喉道面積減小時，高壓渦輪轉速降低，顯示出變幾何低壓渦輪能夠有效控制高壓和低壓渦輪之間的功率分配，如圖4所示；與低壓壓氣機可調靜子葉片相比，低壓渦輪可調導向葉片同樣具有提高低壓壓氣機喘振裕度的能力；低壓渦輪可調導向葉片與可調面積尾噴管配合使用，能夠在發(fā)動機進口流量和低壓壓氣機裕度不變的條件下，實現發(fā)動機推力的調節(jié)，并可以降低發(fā)動機的進排氣損失。

格倫研究中心

美國國家航空航天局（NASA）格倫（Glenn）研究中心針對用于超聲速飛機渦噴發(fā)動機雙級渦輪的第一級開展了變幾何技術試驗研究，重點分析了喉道面積對渦輪效率和損失的影響規(guī)律。在試驗中，并未設計傳動機構來實現導向葉片安裝角的改變，而是加工了3套分別處于不同固定喉道面積狀態(tài)的導向器。分別對70%、100%和130%喉道面積下渦輪內部流場進行了細致的測量，對應的導向葉片轉角分別為-7.8°、0°和8.4°。

試驗結果顯示，喉道面積對渦輪性能具有較大影響，如圖5所示。當喉道面積變化時，設計轉速下渦輪的最高絕熱效率均有所降低，且喉道面積減小時效率降低更加明顯。當導向葉片開大時，轉子葉片進口呈負迎角狀態(tài)，轉子葉片內部損失增大，這是引起渦輪性能惡化的主要原因。當導向葉片關小時，導向葉片內部流速增大，損失有所增加；同時，轉子葉片進口呈正迎角狀態(tài)，且靜壓降低，特別是在輪轂附近，進口靜壓低于出口靜壓，反力度變?yōu)樨撝?，轉子葉片內部流動呈“壓氣機”狀態(tài)，在進口正迎角與逆壓梯度的共同作用下，葉背表面出現分離，轉子葉片損失顯著增加；因此，通常導向葉片關小狀態(tài)下渦輪性能更差。在試驗中，100%喉道面積時渦輪的效率為92.3%，130%喉道面積時為90.9%，降低了1.4%，而70%喉道面積時僅為86.9%，降幅達5.4%。

圖5 變幾何渦輪的效率和損失

羅羅公司

羅羅公司研究了兩類變幾何方式對渦輪流通能力的影響，并驗證其在航空發(fā)動機上應用的可行性。第一類變幾何的本質是基于S1流面的調節(jié)方法，即導向葉片全部轉動（改變安裝角）或部分轉動（改變彎度）。試驗中渦輪流量變化了17.5%，表明該方法能夠在較大范圍內調節(jié)渦輪的流通能力。另一類變幾何是基于S2流面的調節(jié)方法，即在通道內引入楔形塊，阻塞導向葉片出口的環(huán)形通道。當通道面積減小12%時，渦輪流量將降低8%。但該方法僅能使渦輪流量減小而無法增大，并且熱環(huán)境下難以實施高效冷卻和可靠密封。

羅羅公司的專利給出了一種齒輪嚙合式傳動方案[4]，具有調節(jié)范圍大、磨損表面小、操縱精度高等優(yōu)點，如圖6所示。與傳統聯動環(huán)驅動式方案相比，用環(huán)形齒輪取代聯動環(huán)，用端部帶齒的小齒輪取代搖臂，通過環(huán)形齒輪與小齒輪的相互嚙合實現傳動。導向葉片外軸和內軸均由軸承支承，外軸承為調心軸承，內軸承為滑動軸承，從而允許由于部件的膨脹和結構的熱蠕變而產生相對運動。軸承盡量遠離高溫燃氣通道，并用空氣進行冷卻，以降低工作溫度。為了降低冷氣的泄漏量，采用活塞環(huán)進行密封。導向葉片端壁設計為球面形狀，保持導向葉片與內環(huán)、外環(huán)間隙較小。導向葉片內環(huán)與外環(huán)采用分段結構，每個外環(huán)分段對應一個葉片，每個內環(huán)分段對應3個葉片，以減少熱應力并方便裝配。

圖6 齒輪嚙合式傳動方案

圖7 HYPR90發(fā)動機變幾何低壓渦輪流量特性

日本工業(yè)技術研究院

日本工業(yè)技術研究院聯合石川島播磨重工、川崎重工、三菱重工，以及GE、普惠、羅羅和賽峰飛機發(fā)動機等公司開展了HYPR項目，對馬赫數（Ma）5以上的串聯式渦輪基沖壓組合（TBCC）發(fā)動機進行了縮尺試驗研究[5]。其中，渦輪發(fā)動機部分采用低壓渦輪導向器角度可調的雙轉子無加力變循環(huán)渦扇發(fā)動機。

采用準三維氣動方法設計渦輪葉片型面，并確保在各安裝角下，流動均不分離。特別地，通過降低低壓渦輪氣動設計工況（導向葉片轉角0°）下的葉片峰值馬赫數和尾緣擴散度，來避免發(fā)動機設計工況（導向葉片轉角4.5°）下渦輪性能的大幅惡化。模型試驗結果顯示，設計狀態(tài)下，渦輪的絕熱效率達到88.3%；導向葉片的角度開大或關小5°，流量相應變化12%～14%，如圖7所示。

可調導向葉片由搖臂驅動，外軸和內軸上分別安裝有一個軸承。外軸承采用滑動軸承，承受葉片受到的氣動載荷，同時外表涂有耐高溫材料以保證能夠在500℃以上的高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。內軸承利用與內環(huán)、外環(huán)相連的板簧的彈性變形，可以在±10°的范圍內轉動。采用彈性支座，既可支撐內部機構，又可使由熱膨脹引起的導向葉片頂部和根部的間隙最小。設計狀態(tài)下，低壓渦輪進口溫度高達1470K，因此導向葉片采用了單晶材料，且內部帶有冷卻結構，頭部采用沖擊冷卻，中后部采用柱肋冷卻，冷氣量約為2.5%。在模擬的高負荷和高溫狀態(tài)下，通過耐久性試驗驗證了可調導向葉片及其傳動機構結構方案的可靠性。

結束語

變幾何渦輪技術是變循環(huán)發(fā)動機的一項關鍵技術，與可變面積涵道引射器、風扇/壓氣機可調靜子葉片、可調面積噴管等其他變幾何技術配合使用，可使發(fā)動機具有更大的熱力循環(huán)調節(jié)范圍和更強的多任務適應能力。隨著變幾何渦輪技術研究的進一步深入，在多個變循環(huán)驗證平臺上使用和驗證之后，也將繼續(xù)在新一代自適應發(fā)動機中得到沿用。由于變幾何渦輪工作環(huán)境惡劣、運行狀態(tài)多變，并且隨著對其流量調節(jié)能力的更高追求，未來寬工況渦輪葉型氣動設計、可調導向葉片端部泄漏損失控制、傳動機構結構設計等工作仍將面臨巨大的挑戰(zhàn)。