李瑞军，王靖凯，吴 濛

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

自涡轮喷气发动机问世以来，航空发动机性能设计人员就一直在为如何解决大单位推力和低燃油消耗率之间的矛盾而努力工作。涡喷发动机单位推力较大，但是耗油率太高；大涵道比涡扇发动机耗油率较低，但是单位推力太小[1-2]，需要更大的发动机尺寸和质量来弥补。因此，需根据不同任务需求采取折衷的设计思路，但却不能同时兼顾大单位推力和低耗油率的要求。变循环发动机是通过改变发动机某些部件的几何形状、尺寸或位置来改变其热力循环的燃气涡轮发动机，利用变循环改变发动机循环参数，理论上可以使发动机在各种飞行和工作状态下均具备良好的性能[3-5]。

自适应变循环发动机是变循环发动机的一种发展型，相比变循环发动机具有更大的参数调节范围和更好的性能。关于自适应变循环发动机的性能优势，各种文献资料说法不一。美国空军实验室预计，变循环发动机的耗油率将比F135 发动机的低25%，使飞机的作战半径增加25%～30%，续航时间增加30%～40%[6-8]；与常规循环结构涡扇发动机相比，自适应变循环发动机完成相同的飞行任务可以节省12%～17%的燃油[9]；美国“自适应发动机技术研发（Adapative Engine Technology Development，AETD）”项目中研究和验证的自适应变循环发动机与F135 发动机相比，燃油消耗量减少20%，净推力增大5%，加力推力增大10%，航程延长30%[10]。

以上数据大部分来源于外文资料或报道，其说法和数据有较大差异，有的说是耗油率降低，有的说是燃油效率提高或是燃油消耗量降低，概念很不统一，对比的基础和边界条件也未知，很容易造成误解。似乎凡是变循环发动机或自适应变循环发动机都能够达到这样的性能优势。本文针对如何评价自适应变循环发动机性能优势开展分析和讨论。

1 自适应发动机性能优势评价方法

航空发动机一般用耗油率、单位推力、推重比等指标评价其性能先进程度或者优势，这些指标相对比较单一，主要针对发动机自身技术优势，未与终端产品飞机的使用结合，综合评价能力不足。本文引入2 种评价方法用于自适应变循环发动机的性能优势评价。

1.1 评价方法1

该方法基于发动机与飞机起飞质量直接关联的2个参数提出，即发动机耗油率和发动机质量。

自适应变循环发动机最大的优势是提升飞机航程，因此在评价过程中有必要引入航程参数R，假设飞机巡航速度为V0，即可计算出飞行时间t

假设飞机所载燃油全部用于巡航，飞机载油质量WF为[11-12]

式中：Fcr为发动机巡航状态安装推力；i为配装在飞机上的发动机台份数；Isfc.cr为发动机巡航状态耗油率。

飞机起飞质量WTO定义为[13]

式中：WS为飞机机体质量；WP为有效载荷质量；WE为发动机质量；WF为飞机载油质量。

上式中与发动机性能相关的参数为发动机质量和在一定航程下飞机需要消耗的燃油质量，由此引入燃油质量和发动机质量单位推力之和

将式（4）代入式（2）可得

式中：γcr为高空巡航时发动机单位推力质量。

从式（5）中可见，在给定航程，即固定巡航时间之后，可以按照巡航状态的安装耗油率和巡航状态单位推力质量计算¯，该值越小越好。

1.2 评价方法2

类比运输机评价概念，引入飞机燃油效率ηAero，表示在消耗单位燃油流量时飞机完成任务的能力水平（航程和有效载荷的乘积），即

该参数即取决于飞机自身气动力和结构设计的完善程度，也取决于发动机的耗油率。

为计算固定航程下的发动机燃油消耗，需引入航程计算式[14]

式中：L/D为飞机升阻比；V0为巡航速度；μ为飞机载油系数

在给定有效载荷和航程的情况下，根据经验公式获得飞机空重比，根据式（9）[15]可计算出飞机起飞质量，然后根据式（8）得出燃油消耗量，将该值代入式（6），即可得出飞机燃油效率。

2 自适应变循环发动机性能评价

2.1 利用方法1进行评价

自适应变循环发动机带来耗油率降低的同时，也将带来发动机质量的增加。利用方法1 可评价自适应变循环发动机耗油率降低与质量增加之间的平衡关系，从式（5）中可见，该平衡关系受到巡航时间的影响，即与飞机的航程相关。

假设飞机燃油全部用于巡航，巡航高度为11 km，巡航马赫数为0.8。首先研究耗油率每降低1%和发动机质量每增加1%对的一般规律。航程分别按照3500、4500 km 计算，巡航耗油率和发动机质量WE对影响的计算结果如图1所示。

图1 巡航耗油率Isfc.cr和发动机质量WE变化对的影响

从图中可见：

（1）当耗油率降低和发动机质量增加至某一平衡点时，存在最小值，发动机性能方案最优。

（2）最优点对应的发动机耗油率降低值和发动机质量增加值与飞机航程相关，航程越长，对应平衡点的发动机耗油率降低值和发动机质量增加值越大。

（3）在本文假设的任务条件下，当航程R=3500 km 时，相比基准值，耗油率降低约45%、发动机质量增加约80%时值最小；当航程增加至R=4500 km时，使最小的发动机耗油率降低值和发动机质量增加值更大。

在同等技术水平条件下，假设自适应变循环发动机相比常规涡扇发动机，在亚声速巡航状态下耗油率降低10%、质量增加分别为30%和20%的2 种情况下，研究飞机航程达到多少时，自适应变循环发动机相比常规涡扇发动机更有优势，航程R和质量WE对的影响如图2所示。

从图中可见：

（1）航程越长，自适应变循环发动机相比常规涡扇发动机的优势越明显。

（2）假设自适应变循环发动机相比常规涡扇发动机在巡航状态下的耗油率降低10%，如果质量增加达到30%，则航程需超过3500 km 时，才能体现自适应变循环发动机的性能优势；如果质量增加控制在20%，则航程在3000 km 以上即可体现自适应变循环发动机的性能优势。

2.2 利用方法2进行评价

假设飞机有效载荷Wp=5 t，飞机巡航速度V0=850 km/h，研究飞机在不同升阻比L/D和航程R条件下，自适应变循环发动机相比常规涡扇发动机降低不同耗油率时，飞机节省的燃油消耗量和飞机燃油效率提升值。飞机空重比参考文献[15]进行计算，载油系数μ通过式（7）计算，通过反复的循环迭代，可计算出完成假设任务时需要消耗的燃油流量和燃油效率。同样假设飞机燃油全部用于巡航，巡航高度为11 km，巡航马赫数为0.8。巡航耗油率Isfc.cr对燃油消耗质量WF和燃油效率ηAero影响的最终计算结果如图3所示。

从图中可见：

（1）自适应变循环发动机相比常规涡扇发动机，在耗油率降低时，其对飞机燃油消耗质量和燃油效率的影响程度与飞机航程和飞机升阻比相关，飞机航程越长、升阻比越小，耗油率降低带来的收益越明显。

（2）在巡航航程R=3500 km，L/D=10.5 时，如果自适应变循环发动机的巡航耗油率相比常规涡扇发动机的降低10%，可使飞机燃油消耗质量减少约19%，飞机燃油效率提高约24%。

图3 巡航耗油率Isfc.cr变化对WF和ηAero的影响

（3）在巡航航程R=4500 km，L/D=10.5 时，如果自适应变循环发动机的巡航耗油率相比常规涡扇发动机的降低10%，可使飞机燃油消耗量减少约24%，飞机燃油效率提高约30%。

3 结论

本文开展了2 种评价自适应变循环发动机性能优势的方法研究。第1 种方法以发动机重量和飞机燃油消耗量之和为评价目标值；第2 种方法以飞机燃油消耗量和燃油效率为评价目标值，最终可得出如下结论：

（1）性能评价方法1 既考虑了自适应变循环发动机耗油率降低带来的优势，也考虑了发动机质量增加带来的劣势，因此存在某个平衡点，要体现发动机耗油率带来的优势，需尽可能控制发动机质量增加不要过大。同时，当自适应变循环发动机用在航程更长的飞机上时，其优势才能体现得更明显。

（2）性能评价方法2 仅考虑了自适应变循环发动机耗油率降低带来的优势，未考虑发动机质量增加带来的劣势，但考虑了升阻比的影响。该方法揭示了发动机耗油率特性影响飞机机体及方案的设计，发动机耗油率对飞机燃油消耗量的影响呈指数关系，并非线性关系，而且受到航程和飞机升阻比的影响。原因是在发动机耗油率降低的条件下完成同样任务时，飞机起飞质量减小，需发动机提供的推力更小，则燃油消耗质量必然更少。