未来的可变发动机

万磁王

作者：TopGun

变！变！变！之变循环的 YF120
　　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

万磁王

　　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：

万磁王

　　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。

万磁王

　　根据我在网上能找到的 YF120 资料，本文从三个方面分析变循环发动机 YF120：总体结构、变循环方式、和一个关键疑点。
总体结构 1——独特的高压转子风扇：
　　如下图所示，如果按照传统的纯涡扇或纯涡喷发动机的说法，YF120 是 2-5-1-1 布局。即：两级风扇/低压压气机——五级高压压气机——单级高压涡轮——单级低压涡轮。

万磁王

　　但是 YF120 既不是纯涡扇，也不是纯涡喷。我觉得用 2-1-4-1-1 来概括 YF120 的总体布局更合适。即：两级低压转子风扇/低压压气机——单级高压转子风扇/高压压气机——四级高压压气机——单级高压涡轮——单级低压涡轮。其中的“单级高压转子风扇/高压压气机”，就是上图中标示的“核心机——风扇”。同样的部件也出现在 GE 经典变循环发动机的图上，请注意下图中的“Core-driven stage 3”。

万磁王

总体结构 2——对转双转子和高低压涡轮之间无导向器：
　　与 F119 一样，YF120 的高压转子与低压转子的旋转方向相反。这个反转双转子的一个关键优点是可以去掉高低压涡轮之间的涡轮导向器。无论是涡轮还是涡轮导向器，都是要承受高温燃气和高应力的部件，需要极高的加工工艺。YF120 大胆地利用了这个优势，去掉了高低压涡轮之间的涡轮导向器。相比之下，F119 出于降低技术风险的保守考虑，仍然保留了高低压涡轮之间的导向器。
　　上面关于总体结构的分析，指出了 YF120 的两个关键特点：独特的高压转子风扇和取消了高低压涡轮之间的导向器。下面分析 YF120 的变循环方式与 GE 经典变循环方式的不同之处。
最关键的不同——用两组风扇活门代替前变截面旁路引射器：
　　请大家注意下图中标示为“可调外涵”的活门与标示为“主外涵”的另一组活门：

　　这与下图中的前可变截面旁路引射器（Variable-area bypass injector）表示了在变循环上不同的着重点：

　　这个不同的着重点就是：YF120 更强调高压风扇在涡扇状态的风扇作用。即，YF120 在涡扇状态是两级低压转子风扇和一级高压转子风扇同时通过大开的“可调外涵”活门与“主外涵”活门向外涵排气，而 GE 经典变循环方案却是在涡扇状态主要依靠低压转子风扇向外涵排气。
　　我认为 YF120 在这里比 GE 的经典方案更前进了一部，因为 YF120 在涡扇状态是高低压转子风扇同时成为涡扇中的“扇”，而经典方案则是主要由低压转子风扇成为涡扇中的“扇”。
　　当进入超音速巡航模式时，YF120 与 GE 经典方案类似，通过调节“可调外涵”活门与“主外涵”活门，仅仅使极少的气流通过外涵用以冷却发动机，从而进入近似涡喷发动机的模式。当然，GE 经典方案用的前可变截面旁路引射器（Variable-area bypass injector）而不是两组活门。

万磁王

另外的一个不同——YF120 取消了利用同心环形声学喷口（Coannular acoustic nozzle）排放外涵气流
　　YF120 是直接用可变截面旁路引射器（下图中所示的 VABI）把外涵气流排放到发动机后部的加力燃烧室中：

　　上面关于 YF120 的结构和变循环方式分析，引出了一个关键疑点——YF120 是否有可变距涡轮导向叶片？
　　可变距涡轮导向叶片的作用是调节涡轮通过燃气所吸收的功率。这个功率是用来带动风扇和压气机的。这种调节作用的存在，使得变循环发动机无论在涡扇和涡喷模式都可顺利运转。
　　GE 经典方案是有可变距涡轮导向叶片的，其位置在高压涡轮和低压涡轮之间。但是 YF120 大胆地取消了高压涡轮和低压涡轮之间的导向器，根本不可能在这个位置有可变距涡轮导向叶片。
　　如果 YF120 有可变距涡轮导向叶片，则处于高压涡轮前、燃烧室后面的高压涡轮导向叶片不是传统的固定式，而是可变距的。但是高压涡轮导向叶片直接受到从燃烧室排出的高温高压燃气冲击，将其做成可变距的技术难度是非常大的。如果 YF120 的确用了可变距高压涡轮导向叶片，我就非常理解美国空军为什么要置其优异的性能而不顾，放弃 YF120 了。
　　那么是否有可能 YF120 没有可变距涡轮导向叶片呢？我觉得大概是可以的。原因是 YF120 有三组主要的调节活门和可调的喷口，这些活门和喷口的综合调节，可以在没有可变距涡轮导向叶片的情况下保证发动机在涡扇和涡喷状态有效工作。当然，这种没有可变距涡轮导向叶片的调节，其效果要打折扣，使得 YF120 只能以较窄的范围在涡扇和涡喷之间转换。我觉得从公布的数据看，YF120 以涡扇方式工作时，涵道比是零点三二，仍然是比较小的战斗机发动机涵道比。在这个狭窄的范围内调节，没有可变距涡轮导向叶片大概是可以实现的。（说明：本段所说 YF120 的三组活门指的是前面 YF120 结构图中标示的“可调外涵”活门、“主外涵”活门、“VABI”活门。）
　　总结一下，这个关键疑点是：YF120 是否有可变距涡轮导向叶片？我的分析是，可能有也可能没有。如果有，就是技术挑战非常大的可变距涡高压轮导向叶片，如果我是美国空军，也一定要放弃 YF120；如果没有，就是综合利用各种活门和喷口来实现狭小范围的调节，而 YF120 在涡扇状态恰恰仅仅有 0.32 的涵道比。

万磁王

变！变！变！之 2018 的天空中一种叫王牌的力道
　　ACE 的汉译是王牌。王牌对于天空有特殊的意义：历史表明，空战中总是飞行员中的极少数、一些被称作王牌的杀手，击落绝大多数的飞机。到目前为止，中国的第一王牌，是在抗美援朝中击落七架敌机的赵宝桐：

  

万磁王

　　美国航空业瞄准 2018 左右的天空，正在用一系列的、复杂的而又精密配合的计划，开发新一代的航空发动机。这个正在轰轰烈烈、交互支持地推进的庞大计划体系的核心之一，就是一个被称作 ACE 的技术。ACE 在这里是 Adaptive Cycle Engine 的缩写，可以翻译为适应性循环发动机。
　　ACE 适应性循环发动机技术是 GE 变循环发动机技术的进一步发展。GE变循环可以实现发动机在涡轮喷气模式和小涵道比涡轮风扇发动机模式之间的转换，而 ACE 适应性循环则进一步扩大了转换的范围——发动机不但可以用涡喷模式在高速工作，也可以用较大涵道比的涡扇模式在起飞、空中待机之类的低速下非常省油、非常高效率地工作。甚至有人认为，以 ACE 为核心的下一代发动机标志着航空发动机的又一次革命，就类似从涡轮喷气发动机到涡轮风扇发动机的革命。我在变！变！变！之变循环的 YF120 中提到 GE 的变循环在航空发动机业有非常重要的地位，就是指这个 ACE 适应性循环很可能是下一代发动机的核心技术。
　　下图是 ACE 技术的示意图：

　　图中左上方第一方块中的文字是：Fan-on-blade fan in outer bypass duct（外涵道叶片上风扇）；上方中间方块中的文字是：Variable stators modulare outer bypass flow（外涵道可变距叶片模块）；上方右侧方块中的文字是：Outer bypass flow passes through struts to central nozzle（外涵道气流通过支撑柱进入中心喷口）；下方左侧文字：Bypass duct with shut-off valve（中涵道活门处于关闭状态）；下方中间文字：Core-driven fan stage in inner bypass duct（处于内涵道的高压转子风扇）；下方右侧文字：Variable area bypass injector (VABI)（可变截面旁路隐射器 VABI）。

万磁王

　下面的另外一张图清晰地表示了 ACE 的结构：

　　图中表示一个 2-1-5-1-2 的三涵道总体布局。即两级低压转子风扇——单级高压转子风扇——五级高压压气机——单级高压涡轮——两级低压涡轮。
　　其中两级低压转子风扇的第二级风扇伸出了中涵道和内涵道而进入外涵道。
　　这个莫名其妙的三涵道结构如何使发动机超越 YF120 的变循环，实现从涡喷到较大涵道比涡扇的 ACE 适应性循环呢？