AETD发动机有三涵道和自适应循环风扇的“自适应发动机技术AETD发动机”

2016-01-10 51军情网

美国空军研究实验室AFRL在2012年与普惠和GE分别签订合同,发展具有三涵道和自适应循环风扇的“自适应发动机技术发展”AETD发动机,空中优势自适应推进技术”ADAPT,GE认为该项目的目标是使新技术进一步成熟起来。

通用电气GE航空集团是推动美国战斗机发动机未来发展的领头羊,该公司不仅是迄今为止唯一一家研制并演示自适应循环风扇发动机的公司,还是首家把陶瓷基复合材料(CMC)叶片安装在发动机上试车的公司。

因此,美国空军研究实验室(AFRL)在2012年与普惠和GE分别签订合同,发展具有三涵道和自适应循环风扇的“自适应发动机技术发展”(AETD)发动机也就不奇怪了。该项目旨在获得一种未来战斗机发动机的技术先导机,为批量生产做好准备。

GE的AETD发动机设计

GE的AETD发动机设计

然后再通过一项预计为期四年的自适应发动机过渡项目(AETP),自适应循环发动机将能够推进目前还在绘图板上的未来美国战斗机。奥巴马总统在2016财年向国会提交了AETP项目的申请预算,众议院军事委员会原则上批准。

目前美国的第六代战斗机还未见雏形,研制自适应循环发动机似乎有点为时过早。但是把战斗机和发动机集成起来以实现功能、性能和作战灵活性的最大化则需要花费很长时间,所以AFRL启动AETD和AETP项目的时机刚刚好。

GE航空集团下一代军机新项目和衍生项目总经理杰夫·马丁说:“在我们锁定技术并用这些技术开始为正确的飞机设计正确的发动机前,还有大量技术研发工作要做。”马丁负责与未来美国军用飞机项目相关的发动机设计研究工作,这些项目包括美国空军的FX和美国海军的FA-XX第六代战斗机。

他补充说:“未来五年可能是你确定发动机材料和架构的最后五年,而这些事情是你在启动EMD(工程、制造和发展)或‘里程碑B'项目之前都需要搞明白的事。”

GE发动机自适应循环技术的背景

在GE于2012年获得AETD合同前,该公司在2007年成为与AFRL签订合同研制“自适应通用发动机技术”(ADVENT)发动机验证机的两家公司之一。

在这个合同中,美国空军出资3.5亿美元,稍稍超过研发总成本的一半,剩下的要公司自己想办法。另一家公司是罗尔斯·罗伊斯。ADVENT项目是AETD的直接前身。

前年7月,GE航空成功试车了其全新的ADVENT发动机设计,成为唯一满足ADVENT项目所有目标的承包商。对发动机的三涵道和自适应循环风扇设计进行的全面测试,并满足AFRL设置的所有性能和耐久性目标。

GE的ADVENT发动机验证机

GE的ADVENT发动机验证机

看起来GE的ADVENT发动机沿用了F110的尾喷管设计

看起来GE的ADVENT发动机沿用了F110的尾喷管设计

GE的ADVENT发动机试车台

GE的ADVENT发动机试车台

在这些测试中,ADVENT发动机成功运行在其最高设计温度和压力上。与第五代战斗机发动机相比,发动机外涵道气流温度降低了65摄氏度以上。

GE的ADVENT设计还展示了被称为“冷却制冷空气”的热管理方法,就是利用由发动机自适应循环风扇产生的第三涵道气流驱动一个热交换器,让压缩机气流降到较低温度去冷却发动机的高压涡轮级。这意味着GE的ADVENT发动机热端部件需要的冷却空气更少,于是提高了发动机的总压比(OPR)。

这张图清楚显示了自适应循环发动机的技术特点

这张图清楚显示了自适应循环发动机的技术特点

在2013年对ADVENT核心机的一次测试中,GE记录下了喷气发动机史上联合压缩机和涡轮的最高工作温度,AFRL正式确认了这个纪录。

GE的ADVENT也是航空史上使用最多陶瓷基复合材料的发动机,这使发动机高压涡轮喷嘴前缘承受住了超过1648度的高温,而且GE让ADVENT核心机在达到或超过这个涡轮温度目标值的情况下持续运行了超过80分钟。

ADVENT发动机的完整压缩机

ADVENT发动机的完整压缩机

GE的AETD项目现状

GE航空集团先进作战发动机项目总经理丹·麦考密克说,该公司对ADVENT设计进行成功演示意味着GE已经验证了发展AETD发动机所需的所有技术。他表示ADVENT的研究努力对帮助GE设计AETD来说“非常有启发性”。

因此,与普惠使用一台内部购买的F135发动机作为全尺寸核心机来测试全尺寸AETD自适应循环风扇设计不同,GE认为已经没必要在AETD研究期间进行全尺寸风扇测试。

GE的AETD发动机设计侧面图

GE的AETD发动机设计侧面图

AFRL对下一代战斗机发动机提出的目标:飞机战区滞留时间提高50%,耗油率降低25%,飞机航程增加35%

AFRL对下一代战斗机发动机提出的目标:飞机战区滞留时间提高50%,耗油率降低25%,飞机航程增加35%

在GE的AETD测试剩下的时间表上,还有大量政府工作人员参与的对发动机设计进行的细节测试,这些人不仅来自美国空军,还来自美国海军和美国航空航天局。

麦考密克说:“2015年4月30日,我们向AFRL做了正式汇报,然后他们给了我们审查报告。我想说我们得到的反馈是非常积极的,他们非常满意初始设计评审(PDR)的深度以及我们分析和设计工作的深度……而且也非常满意于该设计的性能。”

GE向政府工作人员展示ADVENT发动机的关键部件

GE向政府工作人员展示ADVENT发动机的关键部件

他还透露,尽管原先3.5亿美元的投资协议仍然有效,AFRL仍然正在考虑一个提议:“为GE的AETD合同增加额外的设计工作,我想普惠也得到了同样待遇.”

到2015年5月,AFRL仍在研究这个额外设计工作的方案征求书(RFP),还没有下达任何合同或规定资金额度。麦考密克认为这个额外AETD设计合同将是“5000万-1亿美元规模”。

他说,这个额外设计工作将“将集中在各方面都认为仍存在持续风险水平的一些地方,工作的重点是降低项目在初始设计评审后的风险水平……降低AETD项目的风险将有助于把自适应循环技术推向成熟。”

降低AETD项目的风险将有助于把自适应循环技术推向成熟

降低AETD项目的风险将有助于把自适应循环技术推向成熟

GE和AETP项目

根据麦考密克的说法,赖特-帕特森空军基地的美国空军寿命周期管理中心(LCMC)将负责管理AETP项目,军方仍在与GE和普惠讨论项目的潜在严研究范围和时间表。AETP项目将把AETD的研究成果转化为较大规模的工程发展项目,为批量生产的一种或多种自适应循环发动机铺平技术道路。

麦考密克说:“我们与他们密切合作,他们发下RFP草稿,我们提供反馈意见。他们的目标是到六月底发布最终RFP(实际上一直拖延到2015年8月)。我们正非常积极地参与这些讨论,AETP将接过AETD的接力棒。AETP项目肯定会包含更多设计工作,需要为详细设计评审(DDR)来完善设计,我们还想制造几台全尺寸发动机进行测试。”

根据麦考密克的说法,DDR阶段将是美军自适应循环发动机研制工作的下一个正式设计里程碑,投资将从“2016财年的相对少量开始,这种资金投入状况会持续整个五年财年防务计划(一直持续到2020财年),然后研究资金的投入量会显著增加。”

GE航空集团认为,如果国会通过了奥巴马总统的AETP预算要求,该公司将能在AETP阶段参与到自适应循环发动机的研制工作中去。麦考密克说:“LCMC说他们计划发出两份AETP项目合同,一份给GE一份给普惠。如果该项目能够在预算挑战面前生存下来并继续前进的话,我们期望能获得AETP合同。”

LCMC正与这两个AETD承包商密切协商,麦考密克补充说:“LCMC要求我们为项目制定一个计划来定义AETP的研究范围。他们要求我们对自己眼中的项目提出建议,如我们将会在设计制造组件、装配和发动机测试上怎么做。我们已经向他们提供了AETP之后EMD项目的概念图,我们认识到现在还没有开始EMD的时候。”

GE的FLADE技术

无论GE还是普惠都不会制造出一台全尺寸AETD发动机,但在这个研究项目中两个承包商都必须把多种设计提炼成一个。AFRL对发动机尺寸做出了限制,两家公司的AETD需要在尺寸上与F135相同,也就是说能装进与F-35战斗机的机身。

AFRL紧守两家公司AETD发动机架构细节的秘密,但实际上两家公司的设计都具有自适应循环风扇和第三涵道这两个特点。其中第三涵道气流是对其核心和旁路气流的补充,意味着这两种发动机都具有可变几何特征,这是因为发动机不仅需要产生第三涵道气流,还需要把气流引导向发动机内部的不同区域,必须可变。

麦考密克证实了GE的AETD设计具有可变几何机构,也就是该公司称之为“FLADE”的技术。“FLADE”这个术语是“叶片上的风扇”(fan-on-blades)的缩写

GE在2003-2005年间向美国专利局提交了一系列专利申请,描述了多种具有自适应循环第三涵道和FLADE技术的发动机设计,GE在2007年获得了这些专利。

在2005年4月21日的US 005/0081509号专利申请描述中,这种FLADE发动机构型极有可能表示GE的AETD在主要外函道和发动机核心之外还有第二个外部涵道。

GE专利中描述的第三外涵道与FLADE风扇

GE专利中描述的第三外涵道与FLADE风扇

第二个环形外涵道也被称为FLADE涵道,允许第三涵道的冷空气在发动机壳体和主外涵道间流动。FLADE涵道流出的空气被可变几何机构根据发动机需要进行分流,实现增强涡轮冷却、或提高推力、或增强其他性能的目的。

FLADE涵道通过风扇壳体内侧但位于第一级风扇叶片外侧的环形进气口进气,进气口内部有一排或者两排FLADE导向叶片,位置在一二级主风扇定子之间。导向叶片可以偏转调节,也可以完全打开或关闭进气口,从而调节FLADE涵道的进气量。

在整体叶盘外圈增加的FLADE风扇

在整体叶盘外圈增加的FLADE风扇

FLADE风扇叶片的细节

FLADE风扇叶片的细节

FLADE风扇叶片的细节

在两排导向叶片间,还有一排外侧FLADE风扇叶片呈放射状连接在第二级主风扇叶片上,这就是“叶片上的风扇”这一名称的来源,进气经过FLADE风扇的压缩加速后再进入FLADE涵道。

US 005/0081509号专利申请中GE绘制的发动机剖面图

US 005/0081509号专利申请中GE绘制的发动机剖面图

可变几何设计的特点

环形FLADE涵道包裹着发动机核心和主涵道,此外还配备了可变截面的FLADE气流喷嘴来控制进入主涵道末端的第三涵道气流。

FLADE发动机还具有其他可变几何特点,如可变截面风扇定子,可变截面旁通引射门,以及一个“单边膨胀斜面引射器”,控制着风扇段和主涵道的气流进入尾喷管。

GE航空使用FLADE可变几何风扇设计在其ADVENT发动机内部产生第三涵道气流,并且在发动机其他地方也采用了FLADE可变几何设计。该公司一份内部白皮书中确认FLADE设计在控制核心气流和外涵道气流比例上面能满足所有性能目标。

GE表示在其ADVENT发动机中,FLADE设计已被证明“在高速飞行条件下能有效保持流量(不溢出任何发动机-进气口进气)”,这种发动机有很宝贵的超巡应用潜力,“在整个飞行包线内,较冷的气流能使发动机不受限制地运行。”而且,第三涵道气流是“冷却喷管硬件,从而增强部件耐久性的源泉。”

麦考密克指出:“AETD的FLADE设计由于受到AETD的尺寸限制会有所不同,但从技术的角度看,AETD和ADVENT的FLADE具有相同的概念和基本特征。”

如同其ADVENT发动机一样,GE的AETD也会把FLADE技术使用在“风扇的其他级上,在其他方面帮助完成自适应循环。”

其他方面设计

GE的AETD发动机有三级风扇,这点和该公司的F136相同,但相同点也就仅此而已。

麦考密克说,不仅自适应循环风扇能产生第三涵道气流,而且“AETD核心机是全新的,如果你仔细端详AETD发动机的核心机,就会发现它和F136的核心机大为不同。”这种AETD发动机的压缩机“与LEAP涡扇的压缩机有很大渊源,虽然派生自LEAP压缩机的一种早期版本,但与前者同属高总压比压缩机家族中的一员。”

GE的F136发动机原型机

GE的F136发动机原型机

他补充说:“AETD的压缩机经过了修改并且为战斗发动机循环所需的压缩比进行了优化,同时还要考虑到与军用相关的方面,如间隙。

由于为军用环境设计的发动机与商用发动机截然不同,因此,虽然AETD的压缩机与LEAP的属于同一家族,但的确为军用发动机循环做了优化。”

LEAP发动机的压缩机

LEAP发动机的压缩机

AETD发动机的压缩机不像LEAP那样有10级。麦考密克说:“级数比这少,但我们不能透露细节或具体级数。与传统军用发动机相比,这种压缩机的压缩比更大。”

他还证实了压缩机会采用叶盘设计(转子叶片和轮盘设计成一个整体),“不仅仅在GE,今天对大多数人来说叶盘已经不稀奇了。我们发动机的多数压缩机级都采用了整体叶盘。”

GE AETD设计的正面

GE AETD设计的正面

陶瓷基复合材料

麦考密克表示,GE航空集团在其AETD设计中的静态和旋转部件上都采用了陶瓷基复合材料(CMC)。“目前在旋转部件上,CMC材料仅限于使用在第二级低压涡轮(LPT)叶片上。”

GE是所用厂商中第一个决定使用CMC制造旋转叶片的。2014年12月,GE给一台F414验证发动机(F/A-18E/F“超级大黄蜂”和EA-18G“咆哮者”的发动机)的第二级LPT旋转级装上了CMC叶片并进行了成功测试。

GE让验证发动机在模拟推力更大的F135发动机运行压力下进行了500次耐久循环。在耐久测试结束后,GE发现CMC叶片完全承受住了高压力测试。这种叶片无需冷却,而且重量仅仅是镍合金叶片的1/3。

GE制造的CMC叶片

GE制造的CMC叶片

GE制造的CMC硬件

GE制造的CMC硬件

麦考密克说:“CMC叶片成熟后才能满足要求,但我们已经证明了旋转CMC叶片的性能,这是一个重要里程碑。”

GE航空集团很可能在其AETD设计的高压涡轮(HPT)喷嘴上也使用了CMC材料。杰夫·马丁说:“在发动机上,找不到比高压涡轮喷嘴要承受更大温差的部件了,而且我们在ADVENT和台架试验上已经获得了许多成功。我们计划在即将问世的新一代商用发动机上采用HPT喷嘴,就像GE9X一样。ADVENT采用了一个全CMC材料制造的定子,在其HPT喷嘴上,我们在需要控制温度的表面进行气膜冷却。”

ADVENT低压涡轮上安装的CMC叶片

ADVENT低压涡轮上安装的CMC叶片

马丁透露:“当时我们并不确定CMC喷嘴能否经受住考验,于是在ADVENT上进行了一次台架试验。我们在那次台架试验中无意犯了一个错误,居然在喷嘴前缘没有任何冷却措施的情况下让发动机运行了一个多小时.....测试结束后CMC材料看起来仍是崭新的。虽然前缘的所有陶瓷涂层都融化了,但材料本身看起来毫发无伤。因此,这些测试和数据确认CMC材料是非常强壮的。”

CMC材料的应用范围

CMC材料的应用范围

第六代战斗机的发动机

没人知道日后美军会不会把自适应循环发动机装在F-35上。麦考密克承认,对老式发动机进行升级早已被证明是战斗机生产中逐步改进的成功之道。不过他表示,AFRL希望未来发动机在航程、加速性和热管理方面的“改变程度”可以使战斗机在整个飞行包线中不受操作限制,这就必须研制三涵道气流自适应循环发动机,而且这种发动机还可能安装在未来的F-35生产型上。

F-35换发后性能将有所提高

F-35换发后性能将有所提高

麦考密克说洛克希德·马丁公司已经“评估了在F-35上安装我们的AETD发动机”,并给予GE“极高评价……我们能够满足他们对于发动机推力、燃油效率和热管理能力的预期要求。”

但是,包括美国空军和海军在内,没有人能确切知道对F-35战斗机的未来作战要求。只有在GE和洛克希德·马丁公司证明了自适应循环发动机“足以改变游戏规则”后,他们才会有动力为F-35换装这种发动机。

麦考密克说,在未来军用甚至是超音速民用飞机上使用自适应循环发动机的一个重要考虑是“自适应循环发动机的架构和核心机尺寸可伸缩性非常大。”

“目前,F-X和F/A-XX项目的许多研究正在进行中,这两种飞机很可能采用双发而不是单发布局,这将意味着需要一台尺寸更小的发动机……我们已经在AETD上做了一些研究,研究如何缩放我们的核心机。”

“我们打算在AETP项目中做更多的工作来研究发动机的尺寸可伸缩性,特别是在核心机上面。”

飞机与发动机集成

马丁表示,通常说来,第六代战斗机发动机的设计和技术取决于“飞机将要做什么。”无论是未来飞机要“在干推力下飞得很快还是开加力才能飞得快,这将决定发动机的架构。”

不过,“已经明确的是,第六代具有上一代战斗机所不具备的一个特点,那就是第六代战斗机的推进系统要与飞机高度集成。”,其中包括喷管。

在未来,推进系统将与飞机高度集成起来

在未来,推进系统将与飞机高度集成起来

“从电力系统和热管理系统角度看,与过去相比,所有的这些系统都必须和推进系统更加集成,因为你已经买不起一种系统分立设计的飞机了。”

因此,未来美国战斗机上的所有系统设计都将要密切集成起来。马丁指出:“我们认为现在飞机上由不同子系统实现的许多功能存在成本和重量问题。发动机是飞机上最高效的能量发生器,那么,为什么不用它来满足飞机所有的能量需求呢?”

“我们认为下一代飞机将是兆瓦级功率需求,所以需要弄清楚如何做到这一点,我们正在努力提出解决方案。”

根据马丁的说法,GE拥有一个良好的开端,“我们的ADVENT发动机已经展示出相当巨大的热容量。根据设计要求,AETD发动机的热容量将比ADVENT少一点,但仍相当可观。”

他补充说:“在冷却发动机的制冷空气方面,要用到第三涵道的气流,而且第三涵道气流也增加了额外的热容量,有助于降低飞机的热负荷。但冷却飞机系统所需的设计肯定是复杂的。”

“你可以想象一下,你正在强大推力的推动下以中等马赫数的速度飞行,电子设备的工作在70度的环境中,进气口温度270度,此时你就面临着极端的热管理问题……我们在这方面持续进行了大量研究。”

“我认为真正的突破口将是系统集成,但是这需要去更好地去了解如何实现……一旦成功,推进系统将是高度集成化。”

“我已经向业界的家伙们鼓吹了四年这个观点,我说我们真的需要坐下来一起开始研究如何去设计一架集成化的飞机。”

AFRL已经认识到了这方面的需求。所有迹象都表明该机构下一阶段自适应循环发动机研究的重点将集中在——寻找把机身和系统与自适应循环发动机集成起来的最佳方法,这些研究包括AETD、AETP,以及一项可能的新项目——“空中优势自适应推进技术”(ADAPT,GE认为该项目的目标是使新技术进一步成熟起来)

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