| 标题 | 一种基于记忆合金的变循环发动机原理设计 |
| 范文 | 张森宇 摘 要：本文基于现有发动机设计了一种新概念自适应变循环发动机。通过对原有涡扇发动机增加中介机匣和涵道挡板，利用电加热驱动记忆合金作动器作为作动杆来推动涵道挡板机构的打开与关闭，从而改变发动机涵道比，实现发动机循环参数的改变。并进一步分析了变循环发动机的3种工况，包括：涡喷循环工况、小涵道比涡扇循环工况和大涵道比涡扇循环工况，及其分别适用于飞机的起飞、爬升、巡航和机动这四种不同飞行状态。 关键词：自适应变循环发动机；记忆合金作动器；涵道比；研究背景 中图分类号：V235 文献标识码：A 传统航空涡轮发动机的热力循环特性是固定不变的，一种发动机只能在一种模式下工作，并且仅在有限的飞行范围内具有最好的性能。 1.变循环发动机研究现状 先进的变循环发动机（Variable Cycle Engine，VCE）则不同，它是一种多设计点发动机，通过改变一些部件的几何形状、尺寸或位置，来调节其热力循环参数（如增压比、涡轮进口温度、空气流量和涵道比），改变发动机循环工作模式，使发动机在各种飞行情况下都能工作在最佳状态。与此同时，变循环发动机能以多种模式（包括涡轮模式、涡轮风扇模式和冲压模式等）工作，因而在亚声速、跨声速、超声速和高超声速飞行状态下都具有良好的性能。 2.记忆合金研究现状介绍 在金属中发现形状记忆效应最早可追溯到20世纪30年代。1938年，美国的Greningerh和Mooradian在Cu2Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。随后，前苏联的Kurdiumov对这种现象进行了研究。数年后，Burkhart在In2Ti合金中观察到同样的现象。目前已投入实用的形状记忆合金主要有镍-钛系、铜系和铁系或不锈钢系三大类。形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗及日常生活等多个领域。 3.一种新概念变循环发动机原理设计 根据上述研究，我们发现结合变循环发动机中相关循环参数需要快速调节，这就对相应调节机构的响应速度、准确度、行程等提出需求。而目前常见的液压驱动器和电机驱动器都存在体积过大、响应速度慢等特点。而如果使用记忆合金材料作为机构驱动器，则具有轻便、响应快等特点。因此本文考虑引入记忆合金材料作为变循环发动机变形调节机构的驱动器，设计一款新概念自适应变循环发动机。 3.1常规涡扇发动机发展变循环发动机方案 以某型军用涡扇发动机（如图1所示）作为基准涡扇发动机，我们在图中方框标注出的区域内安装记忆合金材料驱动的涵道调节机构，设计出一种涵道比可变的自适应变循环发动机方案。基准发动机是一款早期军民两用发动机，具有推重比高、油耗低、可靠性高等优点。对于记忆合金驱动可调机构的设计，将用到原准机的相关参数，这里首先对原准机的相关参数进行介绍： （1）低压压气机：共5级轴流式，增压比为2.77，转子最大转速9115rpm； （2）高压压气机：共12级轴流式，增压比7.24，转子最大转速12640rpm； （3）涵道比：0.62； （4）涡轮：共三级高压涡轮，三级低压涡轮。 涵道比是航空发动机的一项重要的参数，军用航空发动机主要采用小涵道比涡喷发动机，而民用发动机一般采用大涵道比涡扇发动机。相比纯粹的涡喷发动机和涡扇发动机，自适应变循环发动机具有更多循环工况：其在涡喷循环时的喷气速度更高，高空高速性能要优于涡扇循环；而其在涡扇循环在高亚音速范围内，和涡喷循环相比，则具有推力大、推进效率高、噪音低、耗油率低等特点。因此，本研究中设计的变循环发动机通过以记忆合金驱动的调节机构的作动，以调整发动机整体的涵道比这一参数为出发点，使得该发动机的涵道比可变，从而达到改变其循环参数的效果。 3.2变循环发动机记忆合金调节机构设计 首先在参考基准发动机的基础上增加一个介于内涵道和外涵道的中介涵道，如图2所示，通过调节发动机的不同涵道比来实现变循环发动机多循环参数的调整； 将可调形状的调节机构设计在低压压气机与高压压气机之间、内涵道、外涵道以及中介涵道分流的部位，分别对应图中的挡板1、挡板2。图中红色的部分为记忆合金作动器，其一端与固定在发动机外机匣上的支撑装置连接，并通过承力部件穿过外机匣，另一端与挡板相连接。该结构通过对记忆合金作动器的驱动，可以独立驱动挡板1和挡板2实现开闭运动。 3.3记忆合金作动器的设计与控制 由于发动机的周期对称结构特点，需要将调节机构设计为类环状结构，位于低压压气机与高压压气机之间（图2中所示位置）。由记忆合金作为调节机构的作动器，通过电加热来实现记忆合金作动器的收缩和伸长，从而控制涵道调节机构的扩张和收敛。为实现在飞行状态下的快速切换，将使用大功率加热电路进行加热。 调节机构的安装位置位于中介机匣中。发动机在正常工况下中介机匣的温度在200℃左右，所以应该选择相变温度稍高于这一温度的记忆合金。为适应这一工作条件，我们将选择相变温度在224℃的Cu—Al—Ni—Mn记忆合金。 在调节机构的变形过程中，叶片与外涵道壁之间会有空隙，而这些缝隙会对发动机中高速运动的氣流产生扰动作用。为了尽量减小扰动作用的影响，我们在设计温度控制电路来驱动记忆合金作动器时，采用对记忆合金直接加热的方式，使这一变形过程的时间尽量缩小。 定义该记忆合金作动杆在低于相变温度的情况下为收缩状态，加热达到相变温度后，发生形变变为伸长状态。 4.变循环发动机工作过程说明及性能分析 通过调节挡板的开闭，实现不同涵道比的变化，即对应发动机不同循环，如图3所示。 定义3种工况： 涡喷循环工况：挡板1关闭、挡板2关闭。记忆合金驱动调节机构将外涵道完全关闭为涡喷循环，此时发动机涵道比为0，由发动机进口经低压压气机进入的空气全部通过内涵到流入发动机高压压气机进一步压缩。发动机工作过程类似于两转子涡喷发动机。 小涵道比涡扇循环工况：挡板1关闭，挡板2打开。此时外涵道与中介机匣间的通路不通过气流，中介机匣与内机匣间通过少部分气流。通过前风扇的气流大部分流入高壓压气机，小部分通过中介涵道，在尾喷管处与通过高压压气机的高速核心气流会和，通过尾喷管流出发动机。发动机工作过程类似于小涵道比涡扇发动机。 大涵道比涡扇循环工况：挡板1打开，挡板2打开。此时外涵道与中介涵道均通过少部分气流，为大涵道比涡扇循环。通过前风扇的气流大部分流入高压压气机少部分气流。大部分气流通过高压压气机进一步压缩，少部分气流分别经由外涵道与中介涵道，在尾喷管处与高速的核心气流会和。发动机工作过程类似于大涵道比涡扇发动机，参考本文中的基准发动机，此时的循环涵道比为0.62。 结论 本文基于现有发动机设计了一种新概念自适应变循环发动机。通过对原有涡扇发动机增加中介机匣和涵道挡板，利用电加热驱动记忆合金作动器作为作动杆来推动涵道挡板机构的打开与关闭，从而改变发动机涵道比，实现发动机循环参数的改变。并进一步分析了变循环发动机的3种工况，包括：涡喷循环工况、小涵道比涡扇循环工况和大涵道比涡扇循环工况，及其分别适用于飞机的起飞、爬升、巡航和机动这四种不同飞行状态。该方案从概念上具有一定的先进性。 参考文献 [1]姚艳玲，黄春峰.先进变循环发动机技术研究[J].航空制造技术，2012，419（22）：106-109. [2]Chang Matthew S，RubinMoshe，Lewis Suzanne K，Green Peter H. Diagnosing celiac disease by video capsule endoscopy （VCE） when esophogastroduodenoscopy （EGD） and biopsy is unable to provide a diagnosis： a case series.[J]. BMC Gastroenterology，2012. [3]J?rvi K. Cervex brush versus vaginal-cervical-endocervical （VCE） triple smear techniques in cervical sampling[J]. Cytopathology： official journal of the British Society for Clinical Cytology，1997，8（4）. [4]李爱群，陈鑫，左晓宝. 铁磁形状记忆合金研究进展与展望（Ⅰ）：材料、力学特性[J].防灾减灾工程学报，2011（1）：1-14. [5]王家海，宣力伟.形状记忆合金在驱动器上的应用研究[J].机电产品开发与创新，2006（4）：65-67. |
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