一種基于記憶合金的變循環(huán)發(fā)動機原理設(shè)計

張森宇

摘 要：本文基于現(xiàn)有發(fā)動機設(shè)計了一種新概念自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機。通過對原有渦扇發(fā)動機增加中介機匣和涵道擋板，利用電加熱驅(qū)動記憶合金作動器作為作動桿來推動涵道擋板機構(gòu)的打開與關(guān)閉，從而改變發(fā)動機涵道比，實現(xiàn)發(fā)動機循環(huán)參數(shù)的改變。并進一步分析了變循環(huán)發(fā)動機的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的起飛、爬升、巡航和機動這四種不同飛行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機；記憶合金作動器；涵道比；研究背景

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A

傳統(tǒng)航空渦輪發(fā)動機的熱力循環(huán)特性是固定不變的，一種發(fā)動機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)動機研究現(xiàn)狀

先進的變循環(huán)發(fā)動機（Variable Cycle Engine，VCE）則不同，它是一種多設(shè)計點發(fā)動機，通過改變一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，來調(diào)節(jié)其熱力循環(huán)參數(shù)（如增壓比、渦輪進口溫度、空氣流量和涵道比），改變發(fā)動機循環(huán)工作模式，使發(fā)動機在各種飛行情況下都能工作在最佳狀態(tài)。與此同時，變循環(huán)發(fā)動機能以多種模式（包括渦輪模式、渦輪風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30年代。1938年，美國的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對這種現(xiàn)象進行了研究。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、機械電子、生物醫(yī)療及日常生活等多個領(lǐng)域。

3.一種新概念變循環(huán)發(fā)動機原理設(shè)計

根據(jù)上述研究，我們發(fā)現(xiàn)結(jié)合變循環(huán)發(fā)動機中相關(guān)循環(huán)參數(shù)需要快速調(diào)節(jié)，這就對相應(yīng)調(diào)節(jié)機構(gòu)的響應(yīng)速度、準確度、行程等提出需求。而目前常見的液壓驅(qū)動器和電機驅(qū)動器都存在體積過大、響應(yīng)速度慢等特點。而如果使用記憶合金材料作為機構(gòu)驅(qū)動器，則具有輕便、響應(yīng)快等特點。因此本文考慮引入記憶合金材料作為變循環(huán)發(fā)動機變形調(diào)節(jié)機構(gòu)的驅(qū)動器，設(shè)計一款新概念自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機。

3.1常規(guī)渦扇發(fā)動機發(fā)展變循環(huán)發(fā)動機方案

以某型軍用渦扇發(fā)動機（如圖1所示）作為基準渦扇發(fā)動機，我們在圖中方框標注出的區(qū)域內(nèi)安裝記憶合金材料驅(qū)動的涵道調(diào)節(jié)機構(gòu)，設(shè)計出一種涵道比可變的自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機方案。基準發(fā)動機是一款早期軍民兩用發(fā)動機，具有推重比高、油耗低、可靠性高等優(yōu)點。對于記憶合金驅(qū)動可調(diào)機構(gòu)的設(shè)計，將用到原準機的相關(guān)參數(shù)，這里首先對原準機的相關(guān)參數(shù)進行介紹：

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

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

（3）涵道比：0.62；

（4）渦輪：共三級高壓渦輪，三級低壓渦輪。

涵道比是航空發(fā)動機的一項重要的參數(shù)，軍用航空發(fā)動機主要采用小涵道比渦噴發(fā)動機，而民用發(fā)動機一般采用大涵道比渦扇發(fā)動機。相比純粹的渦噴發(fā)動機和渦扇發(fā)動機，自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機具有更多循環(huán)工況：其在渦噴循環(huán)時的噴氣速度更高，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、推進效率高、噪音低、耗油率低等特點。因此，本研究中設(shè)計的變循環(huán)發(fā)動機通過以記憶合金驅(qū)動的調(diào)節(jié)機構(gòu)的作動，以調(diào)整發(fā)動機整體的涵道比這一參數(shù)為出發(fā)點，使得該發(fā)動機的涵道比可變，從而達到改變其循環(huán)參數(shù)的效果。

3.2變循環(huán)發(fā)動機記憶合金調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

首先在參考基準發(fā)動機的基礎(chǔ)上增加一個介于內(nèi)涵道和外涵道的中介涵道，如圖2所示，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機的不同涵道比來實現(xiàn)變循環(huán)發(fā)動機多循環(huán)參數(shù)的調(diào)整；

將可調(diào)形狀的調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計在低壓壓氣機與高壓壓氣機之間、內(nèi)涵道、外涵道以及中介涵道分流的部位，分別對應(yīng)圖中的擋板1、擋板2。圖中紅色的部分為記憶合金作動器，其一端與固定在發(fā)動機外機匣上的支撐裝置連接，并通過承力部件穿過外機匣，另一端與擋板相連接。該結(jié)構(gòu)通過對記憶合金作動器的驅(qū)動，可以獨立驅(qū)動擋板1和擋板2實現(xiàn)開閉運動。

3.3記憶合金作動器的設(shè)計與控制

由于發(fā)動機的周期對稱結(jié)構(gòu)特點，需要將調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計為類環(huán)狀結(jié)構(gòu)，位于低壓壓氣機與高壓壓氣機之間（圖2中所示位置）。由記憶合金作為調(diào)節(jié)機構(gòu)的作動器，通過電加熱來實現(xiàn)記憶合金作動器的收縮和伸長，從而控制涵道調(diào)節(jié)機構(gòu)的擴張和收斂。為實現(xiàn)在飛行狀態(tài)下的快速切換，將使用大功率加熱電路進行加熱。

調(diào)節(jié)機構(gòu)的安裝位置位于中介機匣中。發(fā)動機在正常工況下中介機匣的溫度在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)機構(gòu)的變形過程中，葉片與外涵道壁之間會有空隙，而這些縫隙會對發(fā)動機中高速運動的氣流產(chǎn)生擾動作用。為了盡量減小擾動作用的影響，我們在設(shè)計溫度控制電路來驅(qū)動記憶合金作動器時，采用對記憶合金直接加熱的方式，使這一變形過程的時間盡量縮小。

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

4.變循環(huán)發(fā)動機工作過程說明及性能分析

通過調(diào)節(jié)擋板的開閉，實現(xiàn)不同涵道比的變化，即對應(yīng)發(fā)動機不同循環(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)動調(diào)節(jié)機構(gòu)將外涵道完全關(guān)閉為渦噴循環(huán)，此時發(fā)動機涵道比為0，由發(fā)動機進口經(jīng)低壓壓氣機進入的空氣全部通過內(nèi)涵到流入發(fā)動機高壓壓氣機進一步壓縮。發(fā)動機工作過程類似于兩轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機。endprint

小涵道比渦扇循環(huán)工況：擋板1關(guān)閉，擋板2打開。此時外涵道與中介機匣間的通路不通過氣流，中介機匣與內(nèi)機匣間通過少部分氣流。通過前風扇的氣流大部分流入高壓壓氣機，小部分通過中介涵道，在尾噴管處與通過高壓壓氣機的高速核心氣流會和，通過尾噴管流出發(fā)動機。發(fā)動機工作過程類似于小涵道比渦扇發(fā)動機。

大涵道比渦扇循環(huán)工況：擋板1打開，擋板2打開。此時外涵道與中介涵道均通過少部分氣流，為大涵道比渦扇循環(huán)。通過前風扇的氣流大部分流入高壓壓氣機少部分氣流。大部分氣流通過高壓壓氣機進一步壓縮，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和。發(fā)動機工作過程類似于大涵道比渦扇發(fā)動機，參考本文中的基準發(fā)動機，此時的循環(huán)涵道比為0.62。

結(jié)論

本文基于現(xiàn)有發(fā)動機設(shè)計了一種新概念自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機。通過對原有渦扇發(fā)動機增加中介機匣和涵道擋板，利用電加熱驅(qū)動記憶合金作動器作為作動桿來推動涵道擋板機構(gòu)的打開與關(guān)閉，從而改變發(fā)動機涵道比，實現(xiàn)發(fā)動機循環(huán)參數(shù)的改變。并進一步分析了變循環(huán)發(fā)動機的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的起飛、爬升、巡航和機動這四種不同飛行狀態(tài)。該方案從概念上具有一定的先進性。

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