据公开资料介绍,为了提高各国空军装备的超音速战斗机的作战性能,以及最大飞行速度和飞行高度,其动力推进装置一般采用的是加力式涡轮风扇发动机。这种类型的发动机在上个世纪40年代被德国人所发明,其基本原理是在航空涡轮发动机末端增加了一个等直径的长达1米以上的加力燃烧室,使发动机外涵道的空气和对涡轮做功后的燃气一同进入加力燃烧室,通过喷油使其再次燃烧,从而使发动机推力大幅度增加。从公开发布的细节图片来看,即使是F119、EJ200、M88II这类推重比为8-10的新一代加力涡扇发动机,都仍然采用了这一传统结构形式。然而,该结构具有以下几个缺陷:
发动机因加力燃烧室的存在导致发动机整体长度较长;发动机因为增加了加力燃烧室而导致明显增重;加力燃烧室内因为存在供油装置和火焰稳定器导致发动机尾部气流不畅,损失了部分推力;很多发动机运动机构需要在高温下运行,其可靠性较差;更重要的是,由于加力燃烧室的存在导致发动机整体长度过长,造成飞机布局困难,飞机不得不大幅增加长度和体积,带来了一系列设计上的困难。
有鉴于此,美国的高性能涡轮发动机计划(IHPTET)和随后开展的经济型多用途先进涡轮发动机计划(VAATE)都提出了预研新型加力燃烧室的方案,来缩短加力燃烧室长度,提高发动机燃烧效率等。由于技术的保密性和敏感性,目前美国并没有过多透露这一项目的详细信息,但我国科学家猜测,新方案将不会采纳传统加力燃烧室的火焰稳定方式和燃烧组织形式,很可能将加力燃烧室的扩压器、混合器和火焰稳定器进行一体化的设计。
我国的航空发动机研究部门也对新型加力燃烧室的方案高度关注,早在,我国某航空航天大学的科学家就提出了一种突扩型新型加力燃烧室, 其设计方案取消了常规加力燃烧室常用的火焰稳定器。然而到目前为止并没有其研制成功的公开后续报道。近日,我国东北某发动机设计研究所在公开资料上首次披露,其在加力燃烧室和尾喷管研究上获得突破性的进展,可以被认为是一种新概念的加力式涡轮风扇发动机。
该文称,该新概念涡扇发动机在保留传统的风扇、以及高压压气机、主燃烧室、高低压涡轮等核心机结构的同时,对传统加力式涡轮风扇发动机的涡轮支板、加力、喷管等部件进行了全新设计,解决了传统加力式涡扇发动机质量大、长度长、推重比低、高温运动零件多等一系列技术难题。以某国产大推力加力涡扇发动机为例,虽然长度较进口的AL31发动机缩短了0.1米,但其总长度仍然达到4.8米。该设计方案将该国产大推力加力涡扇发动机的燃烧室改为前后2个,取消了传统发动机中尾喷管设置在加力燃烧室后的结构布局,使发动机的长度大幅度缩短35%。
还是以某国产大推力加力涡扇发动机改成新概念加力式涡轮风扇发动机为例,其加力涡扇发动机长度由4 .8米大幅缩短到至约3 .1米左右,比“枭龙”和“鹘鹰”战机使用的RD93中等推力涡扇涡扇发动机还要短1.1米。在长度缩短的同时,发动机重量也大幅度降低,其整体重量较同级别发动机减轻25%以上。同时在非加力状态时,由于发动机长度缩短,同时燃气从低压涡轮出口流出后无需经过传统加力燃烧室的大幅减速扩压,同时也取消了混合器,因此其非加力状态推力也所增强;在加力状态,由于燃烧更充分以及加力燃烧室的长度更短,发动机的加力状态推力增大了3.5%以上。
该文甚至称,在经过一系列新概念改进后,该国产大推力加力涡扇发动机推重比甚至增加了38%,推重比由原来的7.9提高到到惊人的10.9,甚至优于下一代涡扇15发动机开启最大加力时的推重比。同时高温运动零件减少了70%以上,大大提升了高温部件的可靠性和发动机寿命。发动机长度的大幅缩短,也是飞机布局的设计,特别是目前最热的飞翼隐身布局也变得容易起来。如果我军研发的“利剑”飞翼无人机换装这一种新概念加力涡扇发动机,完全可以让其在我国的滑跃式航母上起飞。从而来大幅提高现役航母的打击作战效能。
《时史文科》
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