AETD發動機有三涵道和自適應循環風扇的“自適應發動機技術AETD發動機”

2016-01-10 51軍情網

美國空軍研究實驗室AFRL在2012年與普惠和GE分別簽訂合同,發展具有三涵道和自適應循環風扇的“自適應發動機技術發展”AETD發動機,空中優勢自適應推進技術”ADAPT,GE認為該項目的目標是使新技術進一步成熟起來。

通用電氣GE航空集團是推動美國戰斗機發動機未來發展的領頭羊,該公司不僅是迄今為止唯一一家研制并演示自適應循環風扇發動機的公司,還是首家把陶瓷基復合材料(CMC)葉片安裝在發動機上試車的公司。

因此,美國空軍研究實驗室(AFRL)在2012年與普惠和GE分別簽訂合同,發展具有三涵道和自適應循環風扇的“自適應發動機技術發展”(AETD)發動機也就不奇怪了。該項目旨在獲得一種未來戰斗機發動機的技術先導機,為批量生產做好準備。

GE的AETD發動機設計

GE的AETD發動機設計

然后再通過一項預計為期四年的自適應發動機過渡項目(AETP),自適應循環發動機將能夠推進目前還在繪圖板上的未來美國戰斗機。奧巴馬總統在2016財年向國會提交了AETP項目的申請預算,眾議院軍事委員會原則上批準。

目前美國的第六代戰斗機還未見雛形,研制自適應循環發動機似乎有點為時過早。但是把戰斗機和發動機集成起來以實現功能、性能和作戰靈活性的最大化則需要花費很長時間,所以AFRL啟動AETD和AETP項目的時機剛剛好。

GE航空集團下一代軍機新項目和衍生項目總經理杰夫·馬丁說:“在我們鎖定技術并用這些技術開始為正確的飛機設計正確的發動機前,還有大量技術研發工作要做。”馬丁負責與未來美國軍用飛機項目相關的發動機設計研究工作,這些項目包括美國空軍的FX和美國海軍的FA-XX第六代戰斗機。

他補充說:“未來五年可能是你確定發動機材料和架構的最后五年,而這些事情是你在啟動EMD(工程、制造和發展)或‘里程碑B'項目之前都需要搞明白的事。”

GE發動機自適應循環技術的背景

在GE于2012年獲得AETD合同前,該公司在2007年成為與AFRL簽訂合同研制“自適應通用發動機技術”(ADVENT)發動機驗證機的兩家公司之一。

在這個合同中,美國空軍出資3.5億美元,稍稍超過研發總成本的一半,剩下的要公司自己想辦法。另一家公司是羅爾斯·羅伊斯。ADVENT項目是AETD的直接前身。

前年7月,GE航空成功試車了其全新的ADVENT發動機設計,成為唯一滿足ADVENT項目所有目標的承包商。對發動機的三涵道和自適應循環風扇設計進行的全面測試,并滿足AFRL設置的所有性能和耐久性目標。

GE的ADVENT發動機驗證機

GE的ADVENT發動機驗證機

看起來GE的ADVENT發動機沿用了F110的尾噴管設計

看起來GE的ADVENT發動機沿用了F110的尾噴管設計

GE的ADVENT發動機試車臺

GE的ADVENT發動機試車臺

在這些測試中,ADVENT發動機成功運行在其最高設計溫度和壓力上。與第五代戰斗機發動機相比,發動機外涵道氣流溫度降低了65攝氏度以上。

GE的ADVENT設計還展示了被稱為“冷卻制冷空氣”的熱管理方法,就是利用由發動機自適應循環風扇產生的第三涵道氣流驅動一個熱交換器,讓壓縮機氣流降到較低溫度去冷卻發動機的高壓渦輪級。這意味著GE的ADVENT發動機熱端部件需要的冷卻空氣更少,于是提高了發動機的總壓比(OPR)。

這張圖清楚顯示了自適應循環發動機的技術特點

這張圖清楚顯示了自適應循環發動機的技術特點

在2013年對ADVENT核心機的一次測試中,GE記錄下了噴氣發動機史上聯合壓縮機和渦輪的最高工作溫度,AFRL正式確認了這個紀錄。

GE的ADVENT也是航空史上使用最多陶瓷基復合材料的發動機,這使發動機高壓渦輪噴嘴前緣承受住了超過1648度的高溫,而且GE讓ADVENT核心機在達到或超過這個渦輪溫度目標值的情況下持續運行了超過80分鐘。

ADVENT發動機的完整壓縮機

ADVENT發動機的完整壓縮機

GE的AETD項目現狀

GE航空集團先進作戰發動機項目總經理丹·麥考密克說,該公司對ADVENT設計進行成功演示意味著GE已經驗證了發展AETD發動機所需的所有技術。他表示ADVENT的研究努力對幫助GE設計AETD來說“非常有啟發性”。

因此,與普惠使用一臺內部購買的F135發動機作為全尺寸核心機來測試全尺寸AETD自適應循環風扇設計不同,GE認為已經沒必要在AETD研究期間進行全尺寸風扇測試。

GE的AETD發動機設計側面圖

GE的AETD發動機設計側面圖

AFRL對下一代戰斗機發動機提出的目標:飛機戰區滯留時間提高50%,耗油率降低25%,飛機航程增加35%

AFRL對下一代戰斗機發動機提出的目標:飛機戰區滯留時間提高50%,耗油率降低25%,飛機航程增加35%

在GE的AETD測試剩下的時間表上,還有大量政府工作人員參與的對發動機設計進行的細節測試,這些人不僅來自美國空軍,還來自美國海軍和美國航空航天局。

麥考密克說:“2015年4月30日,我們向AFRL做了正式匯報,然后他們給了我們審查報告。我想說我們得到的反饋是非常積極的,他們非常滿意初始設計評審(PDR)的深度以及我們分析和設計工作的深度……而且也非常滿意于該設計的性能。”

GE向政府工作人員展示ADVENT發動機的關鍵部件

GE向政府工作人員展示ADVENT發動機的關鍵部件

他還透露,盡管原先3.5億美元的投資協議仍然有效,AFRL仍然正在考慮一個提議:“為GE的AETD合同增加額外的設計工作,我想普惠也得到了同樣待遇.”

到2015年5月,AFRL仍在研究這個額外設計工作的方案征求書(RFP),還沒有下達任何合同或規定資金額度。麥考密克認為這個額外AETD設計合同將是“5000萬-1億美元規模”。

他說,這個額外設計工作將“將集中在各方面都認為仍存在持續風險水平的一些地方,工作的重點是降低項目在初始設計評審后的風險水平……降低AETD項目的風險將有助于把自適應循環技術推向成熟。”

降低AETD項目的風險將有助于把自適應循環技術推向成熟

降低AETD項目的風險將有助于把自適應循環技術推向成熟

GE和AETP項目

根據麥考密克的說法,賴特-帕特森空軍基地的美國空軍壽命周期管理中心(LCMC)將負責管理AETP項目,軍方仍在與GE和普惠討論項目的潛在嚴研究范圍和時間表。AETP項目將把AETD的研究成果轉化為較大規模的工程發展項目,為批量生產的一種或多種自適應循環發動機鋪平技術道路。

麥考密克說:“我們與他們密切合作,他們發下RFP草稿,我們提供反饋意見。他們的目標是到六月底發布最終RFP(實際上一直拖延到2015年8月)。我們正非常積極地參與這些討論,AETP將接過AETD的接力棒。AETP項目肯定會包含更多設計工作,需要為詳細設計評審(DDR)來完善設計,我們還想制造幾臺全尺寸發動機進行測試。”

根據麥考密克的說法,DDR階段將是美軍自適應循環發動機研制工作的下一個正式設計里程碑,投資將從“2016財年的相對少量開始,這種資金投入狀況會持續整個五年財年防務計劃(一直持續到2020財年),然后研究資金的投入量會顯著增加。”

GE航空集團認為,如果國會通過了奧巴馬總統的AETP預算要求,該公司將能在AETP階段參與到自適應循環發動機的研制工作中去。麥考密克說:“LCMC說他們計劃發出兩份AETP項目合同,一份給GE一份給普惠。如果該項目能夠在預算挑戰面前生存下來并繼續前進的話,我們期望能獲得AETP合同。”

LCMC正與這兩個AETD承包商密切協商,麥考密克補充說:“LCMC要求我們為項目制定一個計劃來定義AETP的研究范圍。他們要求我們對自己眼中的項目提出建議,如我們將會在設計制造組件、裝配和發動機測試上怎么做。我們已經向他們提供了AETP之后EMD項目的概念圖,我們認識到現在還沒有開始EMD的時候。”

GE的FLADE技術

無論GE還是普惠都不會制造出一臺全尺寸AETD發動機,但在這個研究項目中兩個承包商都必須把多種設計提煉成一個。AFRL對發動機尺寸做出了限制,兩家公司的AETD需要在尺寸上與F135相同,也就是說能裝進與F-35戰斗機的機身。

AFRL緊守兩家公司AETD發動機架構細節的秘密,但實際上兩家公司的設計都具有自適應循環風扇和第三涵道這兩個特點。其中第三涵道氣流是對其核心和旁路氣流的補充,意味著這兩種發動機都具有可變幾何特征,這是因為發動機不僅需要產生第三涵道氣流,還需要把氣流引導向發動機內部的不同區域,必須可變。

麥考密克證實了GE的AETD設計具有可變幾何機構,也就是該公司稱之為“FLADE”的技術。“FLADE”這個術語是“葉片上的風扇”(fan-on-blades)的縮寫

GE在2003-2005年間向美國專利局提交了一系列專利申請,描述了多種具有自適應循環第三涵道和FLADE技術的發動機設計,GE在2007年獲得了這些專利。

在2005年4月21日的US 005/0081509號專利申請描述中,這種FLADE發動機構型極有可能表示GE的AETD在主要外函道和發動機核心之外還有第二個外部涵道。

GE專利中描述的第三外涵道與FLADE風扇

GE專利中描述的第三外涵道與FLADE風扇

第二個環形外涵道也被稱為FLADE涵道,允許第三涵道的冷空氣在發動機殼體和主外涵道間流動。FLADE涵道流出的空氣被可變幾何機構根據發動機需要進行分流,實現增強渦輪冷卻、或提高推力、或增強其他性能的目的。

FLADE涵道通過風扇殼體內側但位于第一級風扇葉片外側的環形進氣口進氣,進氣口內部有一排或者兩排FLADE導向葉片,位置在一二級主風扇定子之間。導向葉片可以偏轉調節,也可以完全打開或關閉進氣口,從而調節FLADE涵道的進氣量。

在整體葉盤外圈增加的FLADE風扇

在整體葉盤外圈增加的FLADE風扇

FLADE風扇葉片的細節

FLADE風扇葉片的細節

FLADE風扇葉片的細節

在兩排導向葉片間,還有一排外側FLADE風扇葉片呈放射狀連接在第二級主風扇葉片上,這就是“葉片上的風扇”這一名稱的來源,進氣經過FLADE風扇的壓縮加速后再進入FLADE涵道。

US 005/0081509號專利申請中GE繪制的發動機剖面圖

US 005/0081509號專利申請中GE繪制的發動機剖面圖

可變幾何設計的特點

環形FLADE涵道包裹著發動機核心和主涵道,此外還配備了可變截面的FLADE氣流噴嘴來控制進入主涵道末端的第三涵道氣流。

FLADE發動機還具有其他可變幾何特點,如可變截面風扇定子,可變截面旁通引射門,以及一個“單邊膨脹斜面引射器”,控制著風扇段和主涵道的氣流進入尾噴管。

GE航空使用FLADE可變幾何風扇設計在其ADVENT發動機內部產生第三涵道氣流,并且在發動機其他地方也采用了FLADE可變幾何設計。該公司一份內部白皮書中確認FLADE設計在控制核心氣流和外涵道氣流比例上面能滿足所有性能目標。

GE表示在其ADVENT發動機中,FLADE設計已被證明“在高速飛行條件下能有效保持流量(不溢出任何發動機-進氣口進氣)”,這種發動機有很寶貴的超巡應用潛力,“在整個飛行包線內,較冷的氣流能使發動機不受限制地運行。”而且,第三涵道氣流是“冷卻噴管硬件,從而增強部件耐久性的源泉。”

麥考密克指出:“AETD的FLADE設計由于受到AETD的尺寸限制會有所不同,但從技術的角度看,AETD和ADVENT的FLADE具有相同的概念和基本特征。”

如同其ADVENT發動機一樣,GE的AETD也會把FLADE技術使用在“風扇的其他級上,在其他方面幫助完成自適應循環。”

其他方面設計

GE的AETD發動機有三級風扇,這點和該公司的F136相同,但相同點也就僅此而已。

麥考密克說,不僅自適應循環風扇能產生第三涵道氣流,而且“AETD核心機是全新的,如果你仔細端詳AETD發動機的核心機,就會發現它和F136的核心機大為不同。”這種AETD發動機的壓縮機“與LEAP渦扇的壓縮機有很大淵源,雖然派生自LEAP壓縮機的一種早期版本,但與前者同屬高總壓比壓縮機家族中的一員。”

GE的F136發動機原型機

GE的F136發動機原型機

他補充說:“AETD的壓縮機經過了修改并且為戰斗發動機循環所需的壓縮比進行了優化,同時還要考慮到與軍用相關的方面,如間隙。

由于為軍用環境設計的發動機與商用發動機截然不同,因此,雖然AETD的壓縮機與LEAP的屬于同一家族,但的確為軍用發動機循環做了優化。”

LEAP發動機的壓縮機

LEAP發動機的壓縮機

AETD發動機的壓縮機不像LEAP那樣有10級。麥考密克說:“級數比這少,但我們不能透露細節或具體級數。與傳統軍用發動機相比,這種壓縮機的壓縮比更大。”

他還證實了壓縮機會采用葉盤設計(轉子葉片和輪盤設計成一個整體),“不僅僅在GE,今天對大多數人來說葉盤已經不稀奇了。我們發動機的多數壓縮機級都采用了整體葉盤。”

GE AETD設計的正面

GE AETD設計的正面

陶瓷基復合材料

麥考密克表示,GE航空集團在其AETD設計中的靜態和旋轉部件上都采用了陶瓷基復合材料(CMC)。“目前在旋轉部件上,CMC材料僅限于使用在第二級低壓渦輪(LPT)葉片上。”

GE是所用廠商中第一個決定使用CMC制造旋轉葉片的。2014年12月,GE給一臺F414驗證發動機(F/A-18E/F“超級大黃蜂”和EA-18G“咆哮者”的發動機)的第二級LPT旋轉級裝上了CMC葉片并進行了成功測試。

GE讓驗證發動機在模擬推力更大的F135發動機運行壓力下進行了500次耐久循環。在耐久測試結束后,GE發現CMC葉片完全承受住了高壓力測試。這種葉片無需冷卻,而且重量僅僅是鎳合金葉片的1/3。

GE制造的CMC葉片

GE制造的CMC葉片

GE制造的CMC硬件

GE制造的CMC硬件

麥考密克說:“CMC葉片成熟后才能滿足要求,但我們已經證明了旋轉CMC葉片的性能,這是一個重要里程碑。”

GE航空集團很可能在其AETD設計的高壓渦輪(HPT)噴嘴上也使用了CMC材料。杰夫·馬丁說:“在發動機上,找不到比高壓渦輪噴嘴要承受更大溫差的部件了,而且我們在ADVENT和臺架試驗上已經獲得了許多成功。我們計劃在即將問世的新一代商用發動機上采用HPT噴嘴,就像GE9X一樣。ADVENT采用了一個全CMC材料制造的定子,在其HPT噴嘴上,我們在需要控制溫度的表面進行氣膜冷卻。”

ADVENT低壓渦輪上安裝的CMC葉片

ADVENT低壓渦輪上安裝的CMC葉片

馬丁透露:“當時我們并不確定CMC噴嘴能否經受住考驗,于是在ADVENT上進行了一次臺架試驗。我們在那次臺架試驗中無意犯了一個錯誤,居然在噴嘴前緣沒有任何冷卻措施的情況下讓發動機運行了一個多小時.....測試結束后CMC材料看起來仍是嶄新的。雖然前緣的所有陶瓷涂層都融化了,但材料本身看起來毫發無傷。因此,這些測試和數據確認CMC材料是非常強壯的。”

CMC材料的應用范圍

CMC材料的應用范圍

第六代戰斗機的發動機

沒人知道日后美軍會不會把自適應循環發動機裝在F-35上。麥考密克承認,對老式發動機進行升級早已被證明是戰斗機生產中逐步改進的成功之道。不過他表示,AFRL希望未來發動機在航程、加速性和熱管理方面的“改變程度”可以使戰斗機在整個飛行包線中不受操作限制,這就必須研制三涵道氣流自適應循環發動機,而且這種發動機還可能安裝在未來的F-35生產型上。

F-35換發后性能將有所提高

F-35換發后性能將有所提高

麥考密克說洛克希德·馬丁公司已經“評估了在F-35上安裝我們的AETD發動機”,并給予GE“極高評價……我們能夠滿足他們對于發動機推力、燃油效率和熱管理能力的預期要求。”

但是,包括美國空軍和海軍在內,沒有人能確切知道對F-35戰斗機的未來作戰要求。只有在GE和洛克希德·馬丁公司證明了自適應循環發動機“足以改變游戲規則”后,他們才會有動力為F-35換裝這種發動機。

麥考密克說,在未來軍用甚至是超音速民用飛機上使用自適應循環發動機的一個重要考慮是“自適應循環發動機的架構和核心機尺寸可伸縮性非常大。”

“目前,F-X和F/A-XX項目的許多研究正在進行中,這兩種飛機很可能采用雙發而不是單發布局,這將意味著需要一臺尺寸更小的發動機……我們已經在AETD上做了一些研究,研究如何縮放我們的核心機。”

“我們打算在AETP項目中做更多的工作來研究發動機的尺寸可伸縮性,特別是在核心機上面。”

飛機與發動機集成

馬丁表示,通常說來,第六代戰斗機發動機的設計和技術取決于“飛機將要做什么。”無論是未來飛機要“在干推力下飛得很快還是開加力才能飛得快,這將決定發動機的架構。”

不過,“已經明確的是,第六代具有上一代戰斗機所不具備的一個特點,那就是第六代戰斗機的推進系統要與飛機高度集成。”,其中包括噴管。

在未來,推進系統將與飛機高度集成起來

在未來,推進系統將與飛機高度集成起來

“從電力系統和熱管理系統角度看,與過去相比,所有的這些系統都必須和推進系統更加集成,因為你已經買不起一種系統分立設計的飛機了。”

因此,未來美國戰斗機上的所有系統設計都將要密切集成起來。馬丁指出:“我們認為現在飛機上由不同子系統實現的許多功能存在成本和重量問題。發動機是飛機上最高效的能量發生器,那么,為什么不用它來滿足飛機所有的能量需求呢?”

“我們認為下一代飛機將是兆瓦級功率需求,所以需要弄清楚如何做到這一點,我們正在努力提出解決方案。”

根據馬丁的說法,GE擁有一個良好的開端,“我們的ADVENT發動機已經展示出相當巨大的熱容量。根據設計要求,AETD發動機的熱容量將比ADVENT少一點,但仍相當可觀。”

他補充說:“在冷卻發動機的制冷空氣方面,要用到第三涵道的氣流,而且第三涵道氣流也增加了額外的熱容量,有助于降低飛機的熱負荷。但冷卻飛機系統所需的設計肯定是復雜的。”

“你可以想象一下,你正在強大推力的推動下以中等馬赫數的速度飛行,電子設備的工作在70度的環境中,進氣口溫度270度,此時你就面臨著極端的熱管理問題……我們在這方面持續進行了大量研究。”

“我認為真正的突破口將是系統集成,但是這需要去更好地去了解如何實現……一旦成功,推進系統將是高度集成化。”

“我已經向業界的家伙們鼓吹了四年這個觀點,我說我們真的需要坐下來一起開始研究如何去設計一架集成化的飛機。”

AFRL已經認識到了這方面的需求。所有跡象都表明該機構下一階段自適應循環發動機研究的重點將集中在——尋找把機身和系統與自適應循環發動機集成起來的最佳方法,這些研究包括AETD、AETP,以及一項可能的新項目——“空中優勢自適應推進技術”(ADAPT,GE認為該項目的目標是使新技術進一步成熟起來)

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