变循环发动机（VCE，Variable Cycle Engine），是一种新构型发动机。
传统发动机设计结构固定决定了其热力循环特性也是固定的，因此一种发动机只能在一种模式下工作，它只能在有限的飞行包线范围内，才具备最好的性能，因此最佳使用范围区间较窄。（各类型发动机特点见前推文《简述喷气式发动机分类》）。
而变循环发动机则不同，是一种多设计点发动机，它可以通过改变一些部件的几何形状、尺寸和位置，来调节发动机的热力循环特性。它的设计运用范围很宽，飞行包线远比现有的航空发动机大得多。
变循环发动机分类及结构特点
比较典型的变循环布局包括选择放气式变循环布局、双压缩系统变循环布局、带核心机驱动风扇CDFS的双外涵变循环布局、涡轮/冲压变循环组合布局以及带Flade风扇的三涵道变循环布局等。
双外涵变循环发动机
GE公司的F120是迄今为止唯一经过飞行实验的双外涵变循环发动机，以其发动机为例：
结构上，该发动机将风扇分为前后两部分，分别位于不同的轴上，并设有各自出口涵道。这种结构使得发动机在宽广的飞行工作范围内能够更好地控制各涵道的空气流量，从而提高发动机的性能。
其次，双外涵变循环发动机具有涡喷和涡扇两种工作模式。通过模式选择阀门等可调机构，发动机可以根据飞行需求在不同的工作模式之间切换。在起飞和亚声速飞行时，发动机类似于低涵道比涡扇发动机，能够减小溢流阻力和后体阻力，提高推进效率，降低耗油率。而在爬升/加速和超声飞行时，发动机则以涡喷模式工作，产生高单位推力以满足飞行需要。
该布局优势在于可以合理分配高/低压涡轮的功率，使得高/低压涡轮都是一级结构。此外，高压涡轮的功率增加可以降低低压涡轮的进口气流总温，从而减少低压涡轮的冷却引气需求量。
这些特点使得双外涵变循环发动机在未来军用飞机和超声速客机动力装置的设计中具有广阔的应用前景。
F120双外涵变循环发动机两种不同工作模式的结构示意图
注：相比同时期普惠公司的YF119发动机，YF120 VCE技术较为超前，在推力和耗油率方面更具优势。然而由于YF119发动机采用了常规混合排气涡扇发动机的结构，相比于YF120 VCE，YF119发动机的耐久性提高了2倍，零件减少了40%，寿命延长了50%。鉴于安装于F15飞机和F16飞机的F100发动机频繁出现耐久性和可靠性的问题，美国空军在ATF计划中最终选择了技术更成熟的也是我们最熟知的YF119发动机。
涡轮/冲压变循环发动机
涡轮/冲压变循环发动机是一种结合了涡扇发动机和冲压发动机特性的先进推进系统，该发动机通过可调几何结构（如模式选择阀门、高压压气机可变静子导叶等）实现了多种工作模式之间的平滑转换。这些模式包括中涵道比涡扇模式、小涵道比涡扇模式和冲压模式，以适应不同飞行阶段的需求。
在地面起飞和亚声速巡航阶段采用中涵道比涡扇模式，提供足够的推力并降低噪声水平。在高空大马赫数爬升阶段，发动机转换为小涵道比涡扇模式，以提高单位推力。当飞行马赫数超过2.5时，发动机进入冲压模式，利用冲压原理产生更高的推力，满足高超声速飞行的需求。
最后，该发动机通过优化气流分配和调节各部件的工作状态，实现了在宽广飞行范围内的高效推进。这种变循环设计不仅提高了发动机的性能，还降低了燃油消耗，为高超声速运输机的研发提供了有力支持。
GE公司申请的一项变循环涡扇冲压组合发动机发明专利
该专利指出，变循环涡扇冲压组合发动机具有单外涵、双外涵、风车冲压等3种工作模态。
带Flade风扇的三涵道
变循环发动机
带Flade风扇的三涵道变循环发动机通过引入Flade风扇级，延伸出第三外涵道，实现了更大幅度的变循环能力。这种设计使得发动机能够根据飞行需求，独立地改变进入风扇和核心机的空气流量和压比。
三涵道布局使得发动机在亚声速和超声速工作状态下，能够更有效地管理气流，避免进气道溢流和过大溢流阻力，从而改善了发动机的安装性能。该发动机具有多种稳态工作模式，包括单涵循环、双涵循环、单外涵+第三涵道以及三涵循环等，以适应不同飞行阶段的需求。
这种灵活性提高了发动机的性能和效率，为航空器的设计和运营提供了更多选择。
需要克服的关键技术
三涵变循环发动机总体设计及试验验证技术;
单独可变流量和压比可控的Flade风扇设计技术;
高负荷、高效率风扇(压气机)设计技术;
高负荷、高效、高稳定性、宽使用范围CDFS设计技术;
热管理系统设计技术；
宽工作范围、无导叶对转涡轮设计技术;
混合器/加力燃烧室支板稳定器一体化设计技术;
高效、低损失进排气系统设计技术;
高温多转子机械系统设计技术等.
拓展
通用电气(GE)开发的GE XA100是一种最新设计的自适应循环发动机，这是NGAD（美国空军第六代战斗机）的动力，它的推力达到了20吨级，推重比达到15以上。
这种变循环发动机结合了涡喷和涡扇发动机的优点，比目前美国最先进的发动机，推力增加10%，可降低油耗25%，增加航程35%。同时普惠公司XA101自适应循环发动机也已经在测试。
参考文献
[1] 朱之丽，陈敏，航空燃气涡轮发动机工作原理及性能[M]，上海交通大学出版社，2014.
[2] 郝旺，刘永泉，美国自适应循环发动机的发展历程[J]，推进技术，2024.
[3]王占学，张明阳，变循环涡扇冲压组合发动机发展现状及关键技术分析[J]，2020.
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文案｜星辰时客
排版｜王洋芋
