解析三大高效清洁航空发动机技术 中国研究待突破

　　高效清洁民用航空发动机技术

　　降低油耗和减少污染排放是下一代民用航空的主攻方向，其中降低油耗的主要方法有两种：一为提高整机效率，这主要通过提高发动机的总压比和更高的循环温度来实现，受现有材料和冷却技术水平的限制，很难进一步提高；另一方法为提高推进效率，这主要通过提高涵道比，增大空气流量，降低排气速度来实现，传统涡扇发动机如采用非常高的涵道比会导致风扇和低压系统的适配。

　　受传统涡扇发动机循环和结构的性能改进限制，进一步降低油耗的潜力有限，为满足降低油耗的要求，为此有别于传统涡扇发动机的新型发动机技术应运而生，间冷回热发动机、齿轮传动风扇发动机和开式转子发动机是其中的典型代表。

　　间冷回热技术

　　图1所示为间冷回热发动机(IRA)原理图，空气经增压级压缩后，应用间冷器有效降低了高压压气机进口温度，减小了高压压气机耗功，同时增大了回热器中空气和燃气的温差，提高了回热器换热效率。高压压气机出口气流与低压涡轮出口气流通过回热器进行热交换，有效利用了涡轮出口燃气余热，增加了燃烧室进口的空气总温，在涡轮前温度不变的前提下减少了燃烧室供油量，提高了发动机热效率，降低了耗油率，结合了间冷回热技术和齿轮传动风扇技术的航空发动机最多可少产生80%的氮氧化物，噪声可降低35dB，燃料消耗和CO2排放最多可减少18%。

　　由于间冷器和回热器的引入，发动机的各大部件需要根据间冷回热循环发动机的气动热力特性和结构特点重新设计，间冷回热技术已在地面燃气轮机装置中得到了广泛应用，但用于航空发动机，需要进一步解决如下技术难题：

　　a)间冷和回热特性对间冷回热发动机性能起着决定性的影响，间冷器和回热器的引入可以提高发动机热效率，但同时增加了发动机的重量和费用，因此需要重点解决低压降、高效率、紧凑型间冷器和回热器设计技术；

　　b)为配合气流进入间冷器，间冷回热发动机的高速低压转子需要采用“轴流+径流”的流动形式。高速低压压气机工作在与高压压气机负荷相当、且雷诺数相对较低的不理想跨音速流场条件，同时由于采用齿轮驱动风扇，几何流道可能会受齿轮箱的限制和干扰，增加了低压压气机的设计难度，为保持工作范围和部件效率与传统低压压气机相当或优于传统发动机，需要突破“轴流+径流”高速低压压气机设计技术；

　　c)为获得间冷回热发动机的最佳性能，要求回热器具有很强的换热冷能，这依赖于足够高低压涡轮出口温度来保证回热器冷热端的温差，为保证发动机在飞行包线内尽可能保持高的高压涡轮进口温度，需要开发可变几何低压涡轮设计系统来实现回热器性能的充分发挥；

　　d)与地面或舰船用间冷回热燃气轮机不同，航空发动机引入间冷回热技术不仅对间冷器和回热器提出了轻质紧凑要求，同时对发动机布局提出了有别于传统发动机的要求，为实现发动机结构紧凑，改善发动机综合性能，需要解决换热器(间冷器和回热器)与发动机一体化设计和优化设计技术。

　　上世纪90年代以来德国MTU公司相继提出间冷回热循环浆扇发动机和涡扇发动机概念，并在欧盟CLEAN和NEWAC计划中得到支持。而在舰船燃气轮机的运用中，间冷回热发动机已经推出了装备于45型驱逐舰的WR21发动机。在欧盟提出的高效环境友好型航空发动机(简称EEFAE)计划下，间冷回热发动机技术目标使得CO2排放降低20%(相比1995年技术的发动机)，NOx排放降低80%(相比CAEP/2)。

　　国内在地面和舰船用燃机动力已开展研究并逐步转向工程化应用。目前，国内还正在开展间冷回热航空发动机的预先研究工作。