張森宇

摘 要：本文基于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了一種新概念自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)對(duì)原有渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)增加中介機(jī)匣和涵道擋板，利用電加熱驅(qū)動(dòng)記憶合金作動(dòng)器作為作動(dòng)桿來(lái)推動(dòng)涵道擋板機(jī)構(gòu)的打開(kāi)與關(guān)閉，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)的改變。并進(jìn)一步分析了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的3種工況，包括：渦噴循環(huán)工況、小涵道比渦扇循環(huán)工況和大涵道比渦扇循環(huán)工況，及其分別適用于飛機(jī)的起飛、爬升、巡航和機(jī)動(dòng)這四種不同飛行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)；記憶合金作動(dòng)器；涵道比；研究背景

中圖分類號(hào)：V235 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

傳統(tǒng)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)特性是固定不變的，一種發(fā)動(dòng)機(jī)只能在一種模式下工作，并且僅在有限的飛行范圍內(nèi)具有最好的性能。

1.變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀

先進(jìn)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（Variable Cycle Engine，VCE）則不同，它是一種多設(shè)計(jì)點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)改變一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，來(lái)調(diào)節(jié)其熱力循環(huán)參數(shù)（如增壓比、渦輪進(jìn)口溫度、空氣流量和涵道比），改變發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工作模式，使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種飛行情況下都能工作在最佳狀態(tài)。與此同時(shí)，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)能以多種模式（包括渦輪模式、渦輪風(fēng)扇模式和沖壓模式等）工作，因而在亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速飛行狀態(tài)下都具有良好的性能。

2.記憶合金研究現(xiàn)狀介紹

在金屬中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)最早可追溯到20世紀(jì)30年代。1938年，美國(guó)的Greningerh和Mooradian在Cu2Zn合金中發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈性轉(zhuǎn)變。隨后，前蘇聯(lián)的Kurdiumov對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了研究。數(shù)年后，Burkhart在In2Ti合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。目前已投入實(shí)用的形狀記憶合金主要有鎳-鈦系、銅系和鐵系或不銹鋼系三大類。形狀記憶合金由于具有許多優(yōu)異的性能，因而廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械電子、生物醫(yī)療及日常生活等多個(gè)領(lǐng)域。

3.一種新概念變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)原理設(shè)計(jì)

根據(jù)上述研究，我們發(fā)現(xiàn)結(jié)合變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中相關(guān)循環(huán)參數(shù)需要快速調(diào)節(jié)，這就對(duì)相應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度、準(zhǔn)確度、行程等提出需求。而目前常見(jiàn)的液壓驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都存在體積過(guò)大、響應(yīng)速度慢等特點(diǎn)。而如果使用記憶合金材料作為機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器，則具有輕便、響應(yīng)快等特點(diǎn)。因此本文考慮引入記憶合金材料作為變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)變形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)一款新概念自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。

3.1常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)方案

以某型軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖1所示）作為基準(zhǔn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，我們?cè)趫D中方框標(biāo)注出的區(qū)域內(nèi)安裝記憶合金材料驅(qū)動(dòng)的涵道調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種涵道比可變的自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)方案。基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)是一款早期軍民兩用發(fā)動(dòng)機(jī)，具有推重比高、油耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于記憶合金驅(qū)動(dòng)可調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將用到原準(zhǔn)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，這里首先對(duì)原準(zhǔn)機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行介紹：

（1）低壓壓氣機(jī)：共5級(jí)軸流式，增壓比為2.77，轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速9115rpm；

（2）高壓壓氣機(jī)：共12級(jí)軸流式，增壓比7.24，轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速12640rpm；

（3）涵道比：0.62；

（4）渦輪：共三級(jí)高壓渦輪，三級(jí)低壓渦輪。

涵道比是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)重要的參數(shù)，軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用小涵道比渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，而民用發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。相比純粹的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有更多循環(huán)工況：其在渦噴循環(huán)時(shí)的噴氣速度更高，高空高速性能要優(yōu)于渦扇循環(huán)；而其在渦扇循環(huán)在高亞音速范圍內(nèi)，和渦噴循環(huán)相比，則具有推力大、推進(jìn)效率高、噪音低、耗油率低等特點(diǎn)。因此，本研究中設(shè)計(jì)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)以記憶合金驅(qū)動(dòng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作動(dòng)，以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)整體的涵道比這一參數(shù)為出發(fā)點(diǎn)，使得該發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比可變，從而達(dá)到改變其循環(huán)參數(shù)的效果。

3.2變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)記憶合金調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先在參考基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)介于內(nèi)涵道和外涵道的中介涵道，如圖2所示，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同涵道比來(lái)實(shí)現(xiàn)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)多循環(huán)參數(shù)的調(diào)整；

將可調(diào)形狀的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在低壓壓氣機(jī)與高壓壓氣機(jī)之間、內(nèi)涵道、外涵道以及中介涵道分流的部位，分別對(duì)應(yīng)圖中的擋板1、擋板2。圖中紅色的部分為記憶合金作動(dòng)器，其一端與固定在發(fā)動(dòng)機(jī)外機(jī)匣上的支撐裝置連接，并通過(guò)承力部件穿過(guò)外機(jī)匣，另一端與擋板相連接。該結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)記憶合金作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)，可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)擋板1和擋板2實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)。

3.3記憶合金作動(dòng)器的設(shè)計(jì)與控制

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的周期對(duì)稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為類環(huán)狀結(jié)構(gòu)，位于低壓壓氣機(jī)與高壓壓氣機(jī)之間（圖2中所示位置）。由記憶合金作為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作動(dòng)器，通過(guò)電加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)記憶合金作動(dòng)器的收縮和伸長(zhǎng)，從而控制涵道調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的擴(kuò)張和收斂。為實(shí)現(xiàn)在飛行狀態(tài)下的快速切換，將使用大功率加熱電路進(jìn)行加熱。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的安裝位置位于中介機(jī)匣中。發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工況下中介機(jī)匣的溫度在200℃左右，所以應(yīng)該選擇相變溫度稍高于這一溫度的記憶合金。為適應(yīng)這一工作條件，我們將選擇相變溫度在224℃的Cu—Al—Ni—Mn記憶合金。

在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的變形過(guò)程中，葉片與外涵道壁之間會(huì)有空隙，而這些縫隙會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中高速運(yùn)動(dòng)的氣流產(chǎn)生擾動(dòng)作用。為了盡量減小擾動(dòng)作用的影響，我們?cè)谠O(shè)計(jì)溫度控制電路來(lái)驅(qū)動(dòng)記憶合金作動(dòng)器時(shí)，采用對(duì)記憶合金直接加熱的方式，使這一變形過(guò)程的時(shí)間盡量縮小。

定義該記憶合金作動(dòng)桿在低于相變溫度的情況下為收縮狀態(tài)，加熱達(dá)到相變溫度后，發(fā)生形變變?yōu)樯扉L(zhǎng)狀態(tài)。

4.變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程說(shuō)明及性能分析

通過(guò)調(diào)節(jié)擋板的開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)不同涵道比的變化，即對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同循環(huán)，如圖3所示。

定義3種工況：

渦噴循環(huán)工況：擋板1關(guān)閉、擋板2關(guān)閉。記憶合金驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將外涵道完全關(guān)閉為渦噴循環(huán)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比為0，由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口經(jīng)低壓壓氣機(jī)進(jìn)入的空氣全部通過(guò)內(nèi)涵到流入發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)進(jìn)一步壓縮。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程類似于兩轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。endprint

小涵道比渦扇循環(huán)工況：擋板1關(guān)閉，擋板2打開(kāi)。此時(shí)外涵道與中介機(jī)匣間的通路不通過(guò)氣流，中介機(jī)匣與內(nèi)機(jī)匣間通過(guò)少部分氣流。通過(guò)前風(fēng)扇的氣流大部分流入高壓壓氣機(jī)，小部分通過(guò)中介涵道，在尾噴管處與通過(guò)高壓壓氣機(jī)的高速核心氣流會(huì)和，通過(guò)尾噴管流出發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程類似于小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

大涵道比渦扇循環(huán)工況：擋板1打開(kāi)，擋板2打開(kāi)。此時(shí)外涵道與中介涵道均通過(guò)少部分氣流，為大涵道比渦扇循環(huán)。通過(guò)前風(fēng)扇的氣流大部分流入高壓壓氣機(jī)少部分氣流。大部分氣流通過(guò)高壓壓氣機(jī)進(jìn)一步壓縮，少部分氣流分別經(jīng)由外涵道與中介涵道，在尾噴管處與高速的核心氣流會(huì)和。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程類似于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，參考本文中的基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)的循環(huán)涵道比為0.62。

結(jié)論

本文基于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了一種新概念自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)對(duì)原有渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)增加中介機(jī)匣和涵道擋板，利用電加熱驅(qū)動(dòng)記憶合金作動(dòng)器作為作動(dòng)桿來(lái)推動(dòng)涵道擋板機(jī)構(gòu)的打開(kāi)與關(guān)閉，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)的改變。并進(jìn)一步分析了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的3種工況，包括：渦噴循環(huán)工況、小涵道比渦扇循環(huán)工況和大涵道比渦扇循環(huán)工況，及其分別適用于飛機(jī)的起飛、爬升、巡航和機(jī)動(dòng)這四種不同飛行狀態(tài)。該方案從概念上具有一定的先進(jìn)性。

參考文獻(xiàn)

[1]姚艷玲，黃春峰.先進(jìn)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2012，419（22）：106-109.

[2]Chang Matthew S，RubinMoshe，Lewis Suzanne K，Green Peter H. Diagnosing celiac disease by video capsule endoscopy （VCE） when esophogastroduodenoscopy （EGD） and biopsy is unable to provide a diagnosis： a case series.[J]. BMC Gastroenterology，2012.

[3]J?rvi K. Cervex brush versus vaginal-cervical-endocervical （VCE） triple smear techniques in cervical sampling[J]. Cytopathology： official journal of the British Society for Clinical Cytology，1997，8（4）.

[4]李愛(ài)群，陳鑫，左曉寶. 鐵磁形狀記憶合金研究進(jìn)展與展望（Ⅰ）：材料、力學(xué)特性[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2011（1）：1-14.

[5]王家海，宣力偉.形狀記憶合金在驅(qū)動(dòng)器上的應(yīng)用研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2006（4）：65-67.endprint