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美国陆军提出自动调节涡轮发动机概念

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2020年12月1日,美国陆军发布了一种新型涡轴发动机概念,可以在飞行过程中自动调节发动机涡轮叶片位置,从而提升发动机的整体性能。这项创新可以显着提高喷气发动机的效率和输出功率,还可以满足未来飞机,甚至新型超声速垂直起降(VTOL)飞机的性能需求。

通常,涡轮叶片会固定在一个位置,可使发动机能够在飞行的某个(通常是巡航)阶段的运行效率最高。但在偏离设计点后,例如起飞、着陆或进行机动操作时,会造成巨大的性能损失。为了解决这个问题,美国陆军作战能力发展司令部(DEVCOM)、陆军研究实验室、爱荷华州立大学和布朗大学的研究人员使用超级计算机进行数值仿真表明,通过自动调节涡轮叶片,使发动机性能在所有运行条件下得到优化。


这意味着,针对直升机的前向飞行进行了性能优化的涡轮轴发动机,通过自动调整涡轮叶片可以有效地为各种机动飞行(例如起飞、着陆或悬停)提供动力。这样一来,直升机不仅可以节省燃油,而且还可以有更多的动力输出。该研究小组的成果表明,发动机的效率可以提高6.1%,轴功率可以提高到49%。


美国陆军称,在喷气发动机的冷端采用可调静子叶片的方法不少见,但对热端的涡轮叶片进行自动调节则是创新之举。实际上,这种应用不仅限于直升机的涡轴发动机,还可用于军用涡扇或喷气发动机,以及民用发动机和涡轮电机,该技术也可用于新型超声速垂直起降飞机。其中最著名的超声速垂直起降飞机(VTOL)是洛克希德-马丁公司的F-35B,就技术而言,该机只能短距起飞,垂直降落,故称作STOVL。该机采用一个涡轴驱动的升力风扇和一个可以旋转90的喷管实现短距起飞垂直降落。但是,STOVL机动只能持续15s,且要消耗大量的燃油。


通过涡轮叶片的自动调节,飞机发动机可以针对多种飞行模式进行优化,包括巡航、超声速飞行或者悬停较长的时间,之后又能进行超声速飞行。


美国陆军研究实验室正利用这些自动调节发动机概念发展未来可转换发动机,使得未来的陆军航空系统可以超声速或跨声速巡航,或者进行高效率的旋停。现阶段,研究人员正进一步完善自动调节涡轮叶片技术,并设想用“形状记忆合金扭矩管” (shape memory alloy torque tubes)来连接涡轮机叶片。该扭矩管通过电流产生的热量激活。形状记忆合金在航空航天领域已有应用,其中包括可变尺寸的发动机喷嘴和变形机翼。


针对自调节式涡轮叶片技术,美国陆军研究人员设想在空心的涡轮盘内安装形状记忆合金扭矩管,在加热时会施加扭矩调节涡轮叶片,使进入叶片通道的气流的入射角接近零,从而消除了可能的气流分离和相关的空气动力学损失;通过边界层分离最小,有助于提高叶片的空气热效率,进而获得更高的功率。


美国陆军称,该项研究之所以能够如此迅速地取得进展,关键原因之一是由于在过去的10年中,计算机的速度和功能已呈指数级增长。现阶段,可以用数千个计算机处理器来进行大型仿真,并且可以在很短的时间内完成计算。接下来,美国陆军计划用12个月的时间用物理原型机对仿真结果进行验证,将在风洞进行系统性能验证试验。


美国陆军认为,有了制造商的帮助和资金,可以在5~10年将该技术应用到涡轴发动机上。因为现有的涡轴或喷气发动机都是采用模块化设计,可以很容易地将自动调节涡轮叶片技术嵌入到现有的发动机,GE航空集团的T700发动机将成为潜在的候选者。

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