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变!变!变!未来的可变发动机

变!变!变!之向未来咆哮的黑鸟心

  当黑鸟的心脏,J58 发动机咆哮的时候,很少有人能不为之动容:

  PW(普拉特惠特尼公司)在上个世纪五六十年代开发的这个发动机使黑鸟以三点二倍音速的速度持续飞行。直道几十年后今天,黑鸟仍保持着使用空气发动机的载人飞机的官方最快速度记录。下图是黑鸟的照片:

  下图是黑鸟在高空以三倍音速持续飞行的艺术家想象图:

  J58 也是变循环发动机,却与 GE 走的不是一个路子。J58 是在涡轮喷气和压气机辅助冲压发动机之间转换的变循环。

  下面 J58 照片中,可以清楚地看到有三个粗大的管子,它们一端连接在发动机压气机的位置(图中右侧一端)、另外一端连接在发动机加力燃烧室:

  J58 的另一侧有同样的三个管子:

  这六个粗大的管子叫涡轮旁路管道,它们起自 J58 的第四级与第五级压气机之间,终于涡轮后面、加力燃烧室之前。在活门的作用下,这些涡轮旁路通道使得 J58 得以在涡喷和冲压发动机模式之间转换。下面根据一张 J58 的剖视示意图来具体谈谈这个变循环是如何实现的:

  上图中发动机上方的管路就是涡轮旁路通道(Compressor Bleed Air Bypass Turbines)。这个通道在第四级和第五级压气机之间与发动机通过内部排气活门(Internal Bleed)连接、然后终止于加力燃烧室(Afterburner Section)。在内部排气活门(Internal Bleed)后面的外部排气活门(External Bleeds),其作用是调节涡轮旁路通道中的气压。

  当黑鸟在低速飞行时,内部排气活门关闭,压气中所有气流进入主燃烧室,以典型的涡轮喷气方式工作。

  当黑鸟以三倍音速飞行时,内部排气活门开启,前四级压气机中的一部分气流通过内部活门进入涡轮旁路通道,直接进入加力燃烧室。这些经前四级压气机压缩的空气在加力燃烧室中为加力燃烧室喷出的燃料提供燃烧的氧气,从而使 J58 以压气机辅助冲压发动机方式工作。

  这种变循环方式能否在未来继续发展呢?

  PW 在 J58 基础上,有两个发展方案:继续使用涡轮旁路通道和可变流控制。

  下图是继续使用涡轮旁路通道的方案示意图:

  这应该是在 J58 基础上进一步提高冲压模式效率的努力,因为涡轮旁路通道处于所有压气机之后,使得进入加力燃烧室的进气有更高的压力。

  值得注意的是图中特别在左下角注明了可变压气机(Variable geometry compressor),这也是ACE适应性循环发动机非常重要的变循环手段。

  下图是可变流控制方案:

  这个方案把一根一根管状的涡轮旁路通道用一个结构简单的外涵道代替,而且直接在外涵道设置了燃烧室。这个外涵道燃烧室在图中用右起第二组文字注明为低排放涵道燃烧室(Low-emissions duct-burner)。

  同样值得注意的,是图中特别在左下角注明了可变风扇(Variable fan),这仍然是 ACE 适应性循环发动机非常重要的变循环手段。

  我对这两个方案的看法,可以用四个字来概括:锦上添花。

  首先,上述两个方案完全可以在现有发动机技术上开发出来,使现有发动机有更广的速度范围。毕竟可变风扇/压气机在现有发动机技术水平也是成熟的,虽然变化的范围不大;

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