ACE 方案。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)(可变截面旁路引射器 VABI)

AFRL展出的ADVENT模型,可以看到三涵道设计以及值得回味的尾喷管

自适应发动机核心技术

  作为自适应发动机核心技术之一的第三涵道当然不是在常规涡扇外面再包络一层涵道那么简单。第三涵道的第一个关键技术在于可调流量,而可调流量的工程实现又有两个次级问题:1、流量调节,2、空气压缩。第三涵道是在常规涡扇外涵道之外的又一层环形截面的流道,通过可调导流片,流量调节不是太难做到,但空气压缩就不那么简单了。在环道里单独设置环形叶轮的话,动力传输是一个很大的难题,毕竟涡轮发动机的主要动力来自于中央的转轴。电力驱动只是理论上的可能性,实际上由于重量、效率等问题都不现实。在不根本改变涡轮发动机基本结构的情况下,只有用所谓FLADE的结构实现,这是fan-on-blade或者fan-blade-on-fan-blade的缩写,意为叶尖风扇叶片。实际上,这是在常规风扇叶片尖端再增加一截风扇叶片。

  涡扇发动机的风扇叶片实际上很复杂。对应于内涵道的部分,叶片形状(弦长、弯度、截面形状等)的设计考虑主要是为压气机提供预压缩;对应于外涵道的部分,主要设计考虑则为最有效地提供外涵道流量。因此,风扇叶片的内段和外段的形状可以不同,这就是所谓的扇叶(fan blade)。有了第三涵道,已经复杂的扇叶需要有对应于第三涵道的第三段,三段的设计考虑各不相同,但在同一根叶片结构上,这就是FLADE。

  有意思的是,自适应发动机采用两级风扇,FLADE在第二级。这是有道理的。从正面看,第一级风扇盘面是一个完整的圆盘,覆盖外涵道和内涵道;FLADE级盘面则被第三涵道的内壁分割成与第一级风扇相同的圆盘和在第三涵道里的外圈环面。从侧面看,第一级风扇在发动机最前端入口处,FLADE级(第二级)在后,但“刺穿”第三涵道的内壁,探入第三涵道,好像在阁楼上探出来的梯子一样。在第三涵道内FLADE叶片的前后,各有一圈可调导流片,这当然是用于调节第三涵道旁通空气流量的。从道理上说,只要有一圈可调导流片就可以调节流量,问题出在FLADE叶片转速不是独立可调的,叶片弦长和弯度也是固定的。在可调导流片偏转节流时,要么过高背压造成FLADE叶片应力过大,要么过低进气压力造成喘振。只有在前后协调调节,才能保证FLADE叶片正常加载和卸载。

  第三涵道的第二个关键技术在于空气泄放。第三涵道的主要作用不是直接产生推力,所以压力较低,排气不宜直接与内外涵道的高压喷气混合排出。另外,传统收敛-扩散喷管采用可以收缩或张开的外壁,形成尾喷管喉道。这依然是空心的管子,从后方可以看到涡轮结构,不利于雷达隐身。自适应发动机的尾喷口内有一个桃核形状的中心锥,锥体的前后移动与固定的圆锥管壁配合,可以改变尾喷管喉道的截面积,达到收敛-扩散喷口的作用。另一方面,中心锥遮挡了涡轮结构,改善隐身。中心锥也是第三涵道空气的出口。第三涵道的空气通过发动机后端空心片状支撑结构流入中心锥,在喷流引射的作用下从中心锥体表面众多细小喷口排出。中心锥使得发动机的主喷气流呈环状,强化与环境冷空气的混合,较冷的第三涵道空气从环形喷气束的内部也参与混合,进一步迅速降低喷气温度,改善红外隐身。

  除了第三涵道,先进的陶瓷基复合材料也是自适应发动机的亮点。发动机热端部件的工作条件极其严苛,传统上使用高温合金。但现代发动机的工作温度越来越高,早已超过现有高温合金的熔点,靠冷却技术也难以进一步提高发动机的工作温度。陶瓷的耐高温能力超过高温合金,但陶瓷的脆性和容易在剧烈温度变化条件下碎裂的问题长期成为陶瓷的工程应用的拦路虎。陶瓷基复合材料把陶瓷纤维(也可以用碳纤维)和陶瓷基体整合成一体,保留了陶瓷耐高温的特性,同时具有很高的机械强度和抗热裂性,在尖端应用中逐渐崭露头角。ADVENT采用陶瓷基复合材料低压涡轮和高压涡轮前缘,AETD上陶瓷基复合材料的应用进一步扩大。据通用电气声称,陶瓷基复合材料涡轮叶片甚至可以不需要冷却,为大幅度提高发动机热工性能提供了空间。陶瓷基复合材料叶片也比镍基合金轻2/3。在ADVENT上,陶瓷基复合材料的高压涡轮前缘达到1648摄氏度。

这张图清楚显示了自适应循环发动机的技术特点

GE专利中描述的第三外涵道与FLADE风扇

在整体叶盘外圈增加的FLADE风扇

GE制造的陶瓷基复合材料叶片

项目进展

  2014年7月,通用电气成功地进行了ADVENT发动机的台架试验,在以后的试验中达到AFRL的所有设计要求。ADVENT的核心机在2013年就投运了,在试样中达到压缩机和涡轮温度之和的历史最高记录。普拉特·惠特尼对三涵道不大起劲,认为在M2.6以下三涵道的意义不大,但在AFRL的坚持下,也开始三涵道设计,并用F135的核心机驱动全尺寸FLADE风扇进行试验,但尚未完成ADVENT试验。接下来的AETD是纸面设计,只要求入选方提供F135一级推力的自适应发动机的设计,但并不要求制造物理样机。AETD的目标是节油25%,增加航程30%。还在负责国防研发和采购的国防部副部长期间,埃希顿?卡特就要求自适应发动机在2020年完成技术准备,成为达到生产标准的F-35备选发动机。F-35的生产计划要持续到2035年,即使自适应发动机推迟几年,还是有足够的时间对现有的F135形成压力。美国空军每年使用超过24亿加仑燃油,折合为740万吨JP5燃油。JP5的典型价格比汽车汽油高2-3倍,即使算入规模采购的折扣,这也是每年近200亿美元的巨额开支,节油25%是很有吸引力的目标。