【行业动态】美国陆军正在研发可变形涡轴发动机，效率提升超过6%

导读：据美国army网站12月1日报道，美国陆军团队和学术研究人员正在研发一种新型涡轴发动机设计，其可以在飞行重自动调节发动机叶片位置，从而提升发动机的整体性能。

美国陆军作战能力发展司令部（现称为DEVCOM），美国陆军研究实验室、爱荷华州立大学和布朗大学的研究人员使用陆军超级计算机进行流体动力学耦合计算和替代模型分析，以开发新的变形概念，尤其是在飞行器动态运动中。这一发现可以提高国防部和民用部门直升机使用涡轴发动机的性能。

陆军航空工程研究员路易斯·布拉沃（Luis Bravo）博士表示：“当今的燃气涡轮发动机经过优化，可在单一设计飞行速度下以固定的叶片几何形状在特定的运行条件下达到最佳性能。当在最佳设计点以外进行操纵时（例如在起飞或着陆期间或进行紧急操纵时），此设计通常会造成严重的性能损失。变速概念则通过考虑所有工作条件下将叶片空气动力效率保持在最佳范围内来提高整个性能。”

与该研究小组合作的陆军航空研究人员Muthuvel Murugan博士说，美国陆军专利局正在申请一种根据进口流量自动调节叶片设计概念的专利。

该研究团队通过对陆军旋翼飞机的燃气涡轮发动机（例如为阿帕奇和黑鹰直升机提供动力的T-700发动机）的建模，分析和优化，展示了他们的仿真框架。

布拉沃表示：“高保真建模在航空发动机设计中提供了卓越的准确性。但是，为了实现最佳设计，这种精确的建模水平会带来较高的计算成本。为了减少实现这种高度准确性所需的设计迭代次数，我们使用了一个替代框架，该框架基于统计抽样方法和精确的优化器来选择最佳性能，这样就以更低的成本实现了发动机的优化设计。”

该团队在一台发动机的一级高压涡轮上研究了改进后的空气动力学特性，在转子叶片上采用了主动流量控制方法，从而可以精确调节喉部面积。该团队还检查了典型的旋翼飞行器巡航条件，特别是通过确定在设计点和非设计点发动机运行期间定子和转子叶片的最佳位置，分别达到发动机转速的50%，75%和100%。使用提出的框架，研究人员在发动机效率方面获得了6.1%的显著改进，在轴输出功率方面获得了49%的显著提升。这些结果对于扩展变形发动机概念至关紧要，该概念可提供更多动力，同时降低直升机的运营成本。

DEVCOM航空与导弹中心的凯文·克纳（Kevin Kerner）说：“高效的变形发动机技术可以使先进的旋翼飞机使用减慢或优化的旋翼配置，以实现更高的速度或航程能力。”

该小组在美国军方主导的特刊《动力与推进系统中多相流体动力学的进展Advancementsin Multiphase Fluid Dynamics in Energy & Propulsion Systems》中发表了自己的研究成果《使用替代管理框架和高保真流量模型优化燃气涡轮发动机性能Optimizing gas turbine performance using the surrogate managementframework and high-fidelity flow modeling》。

DEVCOM航空与导弹中心的安妮迪亚-戈沙尔（Anindya Ghoshal）表示：“自动调整发动机的想法来自变体系统（morphingsystems），美国陆军研究实验室正在利用这些自动调节发动机概念来开发一种未来可转换发动机概念，这将使未来的陆军飞行器能够在巡航时进行超音速或跨音速飞行，同时实现高效的悬停。”

研究团队计划通过开发实验原型并将这种方法扩展到发动机的多级涡轮部件中，并研究主动流量控制在耦合脉冲燃烧器设计中的优势。该研究小组还计划继续将其研究结果传播给美国陆军航空界，为当前飞行平台以及未来的发展和现代化工作提供信息。

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