間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

王占學(xué)，龔 昊，劉增文，周 莉

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

王占學(xué)，龔 昊，劉增文，周 莉

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)是最受到重視的新型循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。詳細(xì)分析了間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的研究背景和開(kāi)展該類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)研究的必要性，描述了間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作原理和典型的技術(shù)特征。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展歷程的回顧，對(duì)其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景做出了預(yù)測(cè)。分析表明：間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)以其低油耗的顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將成為未來(lái)最有希望的“環(huán)境友好”民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)概念之一。

間冷；回?zé)?；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

近年來(lái)，民用航空運(yùn)輸量不斷增長(zhǎng)，航空業(yè)迅速發(fā)展。與此同時(shí)，燃油價(jià)格不斷上漲，環(huán)保要求也愈發(fā)嚴(yán)格。民航領(lǐng)域迫切要求進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗，并減小發(fā)動(dòng)機(jī)排放和噪聲對(duì)環(huán)境的影響，以提高民航運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性。目前，常規(guī)循環(huán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平已經(jīng)很高，其性能參數(shù)進(jìn)一步提高受到限制。因此可以考慮新型熱力循環(huán)，發(fā)展“環(huán)境友好”民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)。在當(dāng)今世界航空強(qiáng)國(guó)提出的諸多研究計(jì)劃中，間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)（IRA）是一個(gè)重要研究方向，通過(guò)使用間冷回?zé)嵫h(huán)技術(shù)可以進(jìn)一步提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和環(huán)保水平。

本文旨在通過(guò)分析間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的研究背景、技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展歷程，指出開(kāi)展相關(guān)研究的必要性，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)。

1 研究背景

1.1 民用航空領(lǐng)域面臨的壓力

民用航空運(yùn)輸已成為現(xiàn)代社會(huì)重要的組成部分。隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，世界航空運(yùn)輸不斷發(fā)展，尤其是2003年以來(lái)，發(fā)展速度越來(lái)越快。世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民收入的提高，貿(mào)易往來(lái)的增多，給民用航空運(yùn)輸帶來(lái)了新的市場(chǎng)。但同時(shí)航空燃油價(jià)格上漲和越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)保要求也成為民用航空領(lǐng)域不得不面對(duì)的壓力。

2011年，空客公司發(fā)布了未來(lái)航空運(yùn)輸量預(yù)測(cè)報(bào)告[1]。報(bào)告指出，根據(jù)國(guó)際民用航空組織（ICAO）統(tǒng)計(jì)的世界航空運(yùn)輸量，1970～2010年，每隔15年，世界航空運(yùn)輸量翻1番?？湛凸緦?duì)未來(lái)航空運(yùn)輸量的預(yù)測(cè)為：未來(lái)15年，世界航空運(yùn)輸量將較2011年的水平翻1番，年增長(zhǎng)達(dá)4.8%，如圖1所示。近年來(lái)，原油價(jià)格波動(dòng)較為劇烈，其中有能源危機(jī)的大背景，也有政治因素的作用，但是從根本上講能源危機(jī)并未解除，未來(lái)油價(jià)增長(zhǎng)的趨勢(shì)是不會(huì)改變的，預(yù)計(jì)2010～2030年，國(guó)際平均原油價(jià)格將超過(guò)120美元/桶，如圖2所示。而航空燃料價(jià)格趨勢(shì)和原油價(jià)格趨勢(shì)是一致的。從航空公司經(jīng)濟(jì)性角度看，由于航空燃料占總航空運(yùn)輸成本的25%以上，航空燃料價(jià)格的上漲趨勢(shì)進(jìn)一步增加了航空公司要求顯著降低燃油消耗量的迫切性。

圖1 ICAO和空客公司對(duì)未來(lái)航空運(yùn)輸量的預(yù)測(cè)[1]

圖2 ICAO和空客公司對(duì)未來(lái)原油價(jià)格的預(yù)測(cè)[1]

從航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境影響的角度，有預(yù)測(cè)表明，至2050年，航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響將占到全部人類(lèi)活動(dòng)的7%。鑒于航空運(yùn)輸快速發(fā)展的趨勢(shì)，其對(duì)環(huán)境的影響日益顯著。世界經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)地區(qū)，航線(xiàn)越密集，對(duì)環(huán)境的影響也越嚴(yán)重。為加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的保護(hù)，1983年，ICAO成立了航空環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（CAEP）。CAEP分別于1986、1993、1999和2004年制定了排放標(biāo)準(zhǔn)CAEP/1、CAEP/2、CAEP/4和CAEP/6。一些國(guó)家對(duì)飛機(jī)噪聲和污染排放也提出了嚴(yán)格要求，例如瑞典、瑞士、英國(guó)、德國(guó)就制定了著陸收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。隨著航空運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展及對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越嚴(yán)重，飛機(jī)污染排放的規(guī)則將會(huì)不斷更新，且會(huì)更加嚴(yán)格。環(huán)保要求成為民用航空領(lǐng)域不得不面對(duì)的新的壓力，并且在未來(lái)，此壓力將越來(lái)越明顯。

為了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，歐盟航空研究咨詢(xún)委員會(huì)（ACARE）制定了2020年發(fā)展目標(biāo)，要求2020年以后投入使用的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，SFC將減少50%。其中，飛機(jī)的貢獻(xiàn)占20%～25%，發(fā)動(dòng)機(jī)的貢獻(xiàn)占15% ～20%，空管的貢獻(xiàn)占5%～10%。具體到發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，要求SFC（基準(zhǔn)為2000年TRENT700和CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)）降低 20%，NOX排放減少 80%（相對(duì)ICAO1996），噪聲減少10 dB。

1.2 間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)概念的引出

一方面，民航飛機(jī)航程的增大，未來(lái)航空燃油價(jià)格的上漲，要求發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率進(jìn)一步降低，以提高飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性。盡管隨著氣動(dòng)設(shè)計(jì)、材料技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)參數(shù)和部件效率仍有一定提高的空間，但這種空間已經(jīng)很小。傳統(tǒng)簡(jiǎn)單循環(huán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平已經(jīng)很高，其性能參數(shù)進(jìn)一步提高受到限制。因此，要求發(fā)展新概念循環(huán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

另一方面，航空運(yùn)輸?shù)脑鲩L(zhǎng)和公眾對(duì)環(huán)境污染的意識(shí)不斷增強(qiáng)，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)排放和噪聲成為航線(xiàn)經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越重要的問(wèn)題，也成為發(fā)動(dòng)機(jī)制造商之間競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越重要的方面。隨著各國(guó)政府提高對(duì)環(huán)境污染的關(guān)注以及系列政策的出臺(tái)，民航運(yùn)輸?shù)某杀久黠@增加。因此，要求發(fā)展“環(huán)境友好”民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

綜合來(lái)看，最可行的降低發(fā)動(dòng)機(jī)SFC的方法是研究新型熱力循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。在當(dāng)前所關(guān)注的新型熱力循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中，采用間冷回?zé)峒夹g(shù)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是最受到重視的一類(lèi)新型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 基本原理和技術(shù)特點(diǎn)

以間冷回?zé)岽蠛辣葴u扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，發(fā)動(dòng)機(jī)截面如圖3所示。其熱力循環(huán)與常規(guī)循環(huán)相比，增加了間冷過(guò)程和回?zé)徇^(guò)程。其間冷器和回?zé)崞骶鶠殚g壁式換熱器，冷熱端氣流僅換熱，不摻混。間冷器熱端位于增壓級(jí)(IPC)與高壓壓氣機(jī)(HPC)之間，熱端進(jìn)口24接增壓級(jí)出口，熱端出口25接高壓壓氣機(jī)進(jìn)口；外涵道中增加1個(gè)分流器，分出一中涵道，間冷器冷端占據(jù)中涵道，冷端進(jìn)口13、冷端出口14接外涵道?；?zé)崞魑挥诘蛪簻u輪后，冷端通過(guò)導(dǎo)管與高壓壓氣機(jī)出口（燃燒室進(jìn)口）相連，冷端進(jìn)口3接高壓壓氣機(jī)出口，冷端出口3r接燃燒室進(jìn)口；熱端進(jìn)口6接低壓渦輪出口，熱端出口6r接尾噴管進(jìn)口。

圖3 間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)截面

空氣進(jìn)入進(jìn)氣道后，內(nèi)涵空氣首先經(jīng)過(guò)風(fēng)扇和增壓級(jí)的壓縮后流入間冷器，再通過(guò)間冷器與外涵空氣進(jìn)行熱交換，內(nèi)涵空氣溫度降低后進(jìn)入高壓壓氣機(jī)。經(jīng)過(guò)高壓壓氣機(jī)壓縮后，通過(guò)導(dǎo)管流入位于低壓渦輪后的回?zé)崞?。在回?zé)崞髦校筛邏簤簹鈾C(jī)流出的空氣從低壓渦輪較高溫度的排氣中吸收熱量，再通過(guò)導(dǎo)管流回燃燒室。由于從排氣中回收了一部分熱量，燃燒室只要有較低的溫升就可達(dá)到高壓渦輪的目標(biāo)進(jìn)口溫度。流出燃燒室的燃?xì)庠诟邏簻u輪和低壓渦輪中膨脹作功，然后通過(guò)尾噴管排出。同時(shí)，經(jīng)過(guò)間冷環(huán)節(jié)，外涵道氣流經(jīng)熱交換后總溫升高，提高了作功能力，增大了單位推力。最終內(nèi)外涵道排氣共同產(chǎn)生飛機(jī)所需的推力。

研究發(fā)現(xiàn)，將間冷器引入燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠大大降低驅(qū)動(dòng)高壓壓氣機(jī)所需的功輸入；可用冷卻器冷卻二次流空氣；可在所有推力范圍內(nèi)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能；燃燒室進(jìn)口溫度較低，易于設(shè)計(jì)熱端部件，且能夠降低NOX的排放量。但與此同時(shí)，也必須解決以下問(wèn)題：由于最優(yōu)的總壓比較大，需要更多級(jí)壓氣機(jī)和渦輪，需要提高靜態(tài)和動(dòng)態(tài)燃?xì)庳?fù)荷，因此，影響了轉(zhuǎn)子葉片、核心機(jī)機(jī)匣和高壓軸推力軸承的負(fù)荷；核心機(jī)尺寸小，降低了部件效率；需要更多的壓氣機(jī)可調(diào)級(jí)或放氣閥，還可能需要渦輪可調(diào)，以控制壓氣機(jī)的工作線(xiàn)。

將回?zé)崞饕肴細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的好處是：由于最優(yōu)總壓比明顯減小，簡(jiǎn)化了葉片機(jī)的設(shè)計(jì)，并可以使用冷卻空氣作為冷卻介質(zhì)；提高了部分推力狀態(tài)的性能，特別是在渦輪采用可調(diào)面積導(dǎo)向器的情況下；大大提高了總壓比有限的小發(fā)動(dòng)機(jī)的性能；在一定的推力下，可以減小渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比和減少低壓渦輪所需的級(jí)數(shù)；降低低壓渦輪的噪聲。但與此同時(shí)，將回?zé)崞饕肴細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)也面臨著以下問(wèn)題：在大推力下，較大發(fā)動(dòng)機(jī)的收益很小、費(fèi)用增加、質(zhì)量增大、復(fù)雜性增加；承受熱負(fù)荷的回?zé)崞髂途脵C(jī)械性能差；較高的燃燒室進(jìn)口溫度可能增加NOX的排放量。

如果將間冷器與回?zé)崞魍瑫r(shí)引入燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，除了需要解決質(zhì)量明顯增大的問(wèn)題外，可以在所有推力下，特別是對(duì)較小的發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率；依據(jù)所選擇的循環(huán)，有降低NOX排放量的潛力,并可以減少部件數(shù)量，降低成本。間冷回?zé)嵫h(huán)較只間冷或只回?zé)岬木哂忻黠@優(yōu)勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率更高，減少污染物排放的潛力也更大，是最有希望達(dá)到ACARE目標(biāo)的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)。

3 技術(shù)發(fā)展歷程

間冷回?zé)峒夹g(shù)研究可追溯到20世紀(jì)40～50年代。當(dāng)時(shí)就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到間冷回?zé)峒夹g(shù)具有提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能的潛力，并開(kāi)展了大量研究。之后的幾十年中，德國(guó)、英國(guó)、前蘇聯(lián)（俄羅斯）、美國(guó)等國(guó)均有研究機(jī)構(gòu)或公司在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)方面不同程度地開(kāi)展過(guò)間冷回?zé)峒夹g(shù)研究，包括飛機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)、巡航導(dǎo)彈/無(wú)人機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)、艦船燃?xì)廨啓C(jī)、車(chē)輛用燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)等。

目前，間冷回?zé)峒夹g(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)上已成功應(yīng)用，主要代表有美國(guó)阿夫柯·萊卡明公司研制的M1A1坦克用回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)AGT1500、格魯曼/羅羅公司合作研制的英國(guó)皇家海軍Type45型D級(jí)驅(qū)逐艦用間冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)WR-21、美國(guó)通用公司研制的發(fā)電用間冷燃?xì)廨啓C(jī)LMS100等。在微型燃?xì)廨啓C(jī)上，各種構(gòu)型的回?zé)崞骶惺褂茫晒Φ靥岣吡藷嵝?。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面，間冷回?zé)峒夹g(shù)的發(fā)展歷程及重要成果如圖4所示[2-4]。

熱交換航空發(fā)動(dòng)機(jī)概念的提出最初是由于當(dāng)時(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平較低，迫切希望能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗從而增大飛機(jī)的航程。從1943～1970年期間，進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，由于當(dāng)時(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比不高，因此研究主要針對(duì)回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)。

圖4 間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程及重要成果

1943年，德國(guó)首次提出熱交換航空發(fā)動(dòng)機(jī)概念。該發(fā)動(dòng)機(jī)為是1低總壓比帶有錐形轉(zhuǎn)鼓回?zé)崞鞯幕責(zé)釡u槳發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)用于為Me264轟炸機(jī)增加航程，但該發(fā)動(dòng)機(jī)并沒(méi)有被制造和試驗(yàn)。同年，英國(guó)提出Bristol Theseus回?zé)釡u槳發(fā)動(dòng)機(jī)概念，并開(kāi)始實(shí)施研制計(jì)劃，第1次將回?zé)崞靼惭b到航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)用于為商業(yè)航線(xiàn)飛機(jī)節(jié)油并增加航程。1945年底，該發(fā)動(dòng)機(jī)第1次運(yùn)行時(shí)毀壞，計(jì)劃中止[1]。

1967年，為了對(duì)帶回?zé)岬耐七M(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行飛行驗(yàn)證，美國(guó)研究了直升機(jī)（輕型觀察直升機(jī)）用Allison T63回?zé)釡u軸發(fā)動(dòng)機(jī)。1967年10月20日，回?zé)酺63發(fā)動(dòng)機(jī)被安裝在1架YOH-6A直升機(jī)上，進(jìn)行了50 h的飛行試驗(yàn)，這是帶換熱器發(fā)動(dòng)機(jī)惟一的1次載人飛行試驗(yàn)[1]。

1970～2000年，一方面由于常規(guī)循環(huán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平不斷提高，同時(shí)輕質(zhì)高效換熱器技術(shù)并未取得突破；另一方面，燃油價(jià)格和環(huán)境壓力并未成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，民用間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)研究趨于停滯。但由于間冷回?zé)峒夹g(shù)降低紅外信號(hào)等潛在的軍事用途，各國(guó)提出了大量的無(wú)人機(jī)和直升機(jī)用間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)概念，這些發(fā)動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)都沒(méi)有被制造和試驗(yàn)，僅進(jìn)行了概念研究和方案論證。

進(jìn)入21世紀(jì)后，由于能源危機(jī)的壓力和對(duì)環(huán)境污染的關(guān)注，間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)再次成為研究熱點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率和NOX排放量，歐盟提出了很多涉及間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的研究計(jì)劃，如FP5下的環(huán)保型航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件驗(yàn)證（CLEAN）計(jì)劃、FP6下的新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)方案（NEWAC）計(jì)劃和FP7下的清潔天空（Clean Sky）預(yù)研計(jì)劃等，持續(xù)支持間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究[5-7]。另外，德國(guó)MTU公司內(nèi)部的潔凈航空發(fā)動(dòng)機(jī)（CLAIRE）計(jì)劃也將換熱器技術(shù)列為重要技術(shù)基礎(chǔ)[8-9]。

在CLEAN計(jì)劃的支持下，德國(guó)MTU和法國(guó)SNECMA公司等提出并研究了間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。目標(biāo)是使CO2排放降低20%（相比1995年技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)）和使NOX排放降低80%（相比CAEP/2）。經(jīng)理論與試驗(yàn)研究，結(jié)果為CO2排放降低16%，NOX排放降低60%。由于間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)復(fù)雜，2015年前不考慮飛行驗(yàn)證，實(shí)際使用在2020年以后。

在CLEAN計(jì)劃之后，歐盟又啟動(dòng)了NEWAC計(jì)劃。目標(biāo)仍然是希望采用熱交換器技術(shù)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，使CO2和NOX排放降低6%和16%，排放指標(biāo)與ACARE目標(biāo)要求接近。該計(jì)劃下，IRA回?zé)崞鞑季盅芯窟M(jìn)展順利，取得了大量的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，為最終回?zé)崞髟诎l(fā)動(dòng)機(jī)中布局的優(yōu)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在支持間冷技術(shù)的壓縮系統(tǒng)研究方面也取得了相當(dāng)?shù)募夹g(shù)進(jìn)展。

CLAIRE計(jì)劃是MTU內(nèi)部技術(shù)計(jì)劃，分3步進(jìn)行。（1）2005～2014年，完成齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，實(shí)現(xiàn)較2005年水平的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率降低15%的目標(biāo)；（2）2015～2025年，完成對(duì)轉(zhuǎn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，實(shí)現(xiàn)較2005年水平的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率降低20%的目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)ACARE的目標(biāo)；（3）2025～2035年，完成帶間冷回?zé)崞鞯膶?duì)轉(zhuǎn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，實(shí)現(xiàn)較2005年水平的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率降低30%的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)徹底的技術(shù)領(lǐng)先。目前，該計(jì)劃各項(xiàng)研究工作正在開(kāi)展[9]。

值得注意的是，德國(guó)MTU公司分別于1989年提出間冷回?zé)針劝l(fā)動(dòng)機(jī)概念，于2002年提出間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)概念。這些MTU早期的間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)研究為其后來(lái)承擔(dān)歐盟CLEAN和NEWAC 2個(gè)計(jì)劃中的間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)研究打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)為該公司自身的CLAIRE計(jì)劃的不斷推進(jìn)做了良好開(kāi)端。

綜合分析目前國(guó)外在間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究成果可知，盡管該項(xiàng)技術(shù)短期內(nèi)尚不可能進(jìn)入工程實(shí)用階段，但其代表了有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)熱效率，降低耗油率和污染物排放的1種新技術(shù)。

在間冷回?zé)峒夹g(shù)研究方面，中國(guó)在地面或艦船燃?xì)廨啓C(jī)已開(kāi)展研究，并逐步轉(zhuǎn)向工程化應(yīng)用。但由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的特殊性，決定了其采用間冷回?zé)峒夹g(shù)會(huì)具有比地面或艦船燃?xì)廨啓C(jī)更復(fù)雜的技術(shù)特征。與國(guó)外先進(jìn)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)達(dá)到的水平相比，中國(guó)先進(jìn)循環(huán)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究還僅僅停留在概念跟蹤和總體方案初步研究階段。

4 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

4.1 民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展方向

當(dāng)代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向是節(jié)能環(huán)保航空發(fā)動(dòng)機(jī)，即“綠色發(fā)動(dòng)機(jī)”。在研究中，歐洲和美國(guó)有一些技術(shù)合作，但是發(fā)展路線(xiàn)也有差異。就目前的觀點(diǎn)來(lái)看，歐洲建立了更加雄心勃勃的構(gòu)想，致力于發(fā)展高度先進(jìn)的和非常規(guī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)概念，例如間冷回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)。美國(guó)主要依賴(lài)常規(guī)循環(huán)和齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)。技術(shù)路線(xiàn)如圖5所示[10]。因此，民用間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研究方面，目前的研究熱點(diǎn)是用于商用大飛機(jī)的間冷回?zé)岽蠛辣葴u扇發(fā)動(dòng)機(jī)，研究主體在歐洲，研究目的是降低發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率并減少排放，最終實(shí)現(xiàn)ACARE 2020目標(biāo)。在歐盟框架計(jì)劃下，間冷回?zé)岽蠛辣葴u扇發(fā)動(dòng)機(jī)研究以MTU公司為核心，涉及的研究機(jī)構(gòu)、公司、大學(xué)遍布整個(gè)歐洲。

圖5 “綠色發(fā)動(dòng)機(jī)”發(fā)展路線(xiàn)[10]

根據(jù)CLEAN、NEWAC、CLAIRE等計(jì)劃的研究目標(biāo)、研究思路和階段成果可以作出預(yù)測(cè)，在諸多研究計(jì)劃的支持下，堅(jiān)持開(kāi)展間冷回?zé)嵫h(huán)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究，不斷突破該發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，最終可以實(shí)現(xiàn)間冷回?zé)嵫h(huán)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工程應(yīng)用。

間冷回?zé)嵫h(huán)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的低耗油率、低排放和低噪聲特性是通過(guò)不斷增大涵道比，降低外涵風(fēng)扇壓比，使用間冷回?zé)嵫h(huán)技術(shù)，使用低排放燃燒室實(shí)現(xiàn)的。其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）從短期看，其涵道比將維持在高的數(shù)值；從長(zhǎng)期來(lái)看，其涵道比必然會(huì)超過(guò)現(xiàn)役所有渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的，達(dá)到18～20左右，以實(shí)現(xiàn)極低的耗油率和噪聲。

（2）其核心機(jī)非常緊湊高效，通過(guò)實(shí)現(xiàn)間冷器和回?zé)崞鞯膬?yōu)化布局，其尺寸可能會(huì)比相同推力級(jí)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)增大10%以?xún)?nèi)。

（3）從短期看，通過(guò)長(zhǎng)航程應(yīng)用，其增大的質(zhì)量完全可以通過(guò)燃油量的減少得到補(bǔ)償；從長(zhǎng)期看，通過(guò)輕質(zhì)緊湊換熱器的技術(shù)突破，有可能實(shí)現(xiàn)IRA發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量不增加。

（4）間冷回?zé)嵫h(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的總壓比可以維持在較低值（25～30左右），為低排放燃燒室技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，將引領(lǐng)低排放燃燒的技術(shù)研究。

（5）換熱器研究方面，未來(lái)輕質(zhì)、緊湊、高效換熱的間冷器和回?zé)崞鲿?huì)最終應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，為間冷回?zé)嵫h(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最重要的技術(shù)突破。

間冷回?zé)嵫h(huán)技術(shù)在民用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用主要是間冷循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、間冷回?zé)嵫h(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和間冷回?zé)嵫h(huán)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)等。

4.2 軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展方向

間冷回?zé)嵫h(huán)技術(shù)在軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，主要是通過(guò)降低耗油率來(lái)增大飛機(jī)的航程或留空時(shí)間；通過(guò)減小發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度從而減小紅外信號(hào)增強(qiáng)飛機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力和突防能力。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]介紹，軍用間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主體為美國(guó)，其間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可能的技術(shù)路線(xiàn)為：

（1）研究無(wú)人機(jī)/巡航彈用發(fā)動(dòng)機(jī)，如無(wú)人機(jī)和無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)用回?zé)嵝⌒蜏u槳發(fā)動(dòng)機(jī)和回?zé)嵝⌒蜏u扇發(fā)動(dòng)機(jī)、高空無(wú)人機(jī)用間冷回?zé)嵝⌒蜏u扇發(fā)動(dòng)機(jī)、巡航導(dǎo)彈用回?zé)嵝⌒蜆劝l(fā)動(dòng)機(jī)等，目的是增加留空時(shí)間或航程并減少紅外輻射。

（2）研究軍用直升機(jī)用回?zé)嵫h(huán)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，目的是通過(guò)降低耗油率來(lái)增大飛機(jī)的航程或留空時(shí)間，同時(shí)由于排氣溫度降低可以減小紅外信號(hào)和噪聲，增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

（3）待間冷回?zé)嵫h(huán)技術(shù)在小發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用成熟后，研制更大更復(fù)雜的軍用間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)，先小推力級(jí)的，后大推力級(jí)的，如軍用運(yùn)輸機(jī)用回?zé)嵫h(huán)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，以增大飛機(jī)的航程，同時(shí)減小紅外信號(hào)；巡邏機(jī)用回?zé)嵫h(huán)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，以增加飛機(jī)的留空時(shí)間，同時(shí)減小紅外信號(hào)，增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)以其低油耗的顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)成為未來(lái)最有希望的“環(huán)境友好”民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)概念之一。當(dāng)前有必要開(kāi)展間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)為代表的新型循環(huán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)預(yù)研工作，一方面可以為中國(guó)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展做必要的技術(shù)儲(chǔ)備，另一方面可以通過(guò)其技術(shù)牽引作用促進(jìn)中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展。

[1]John Leahy.Delivering the future global market forecast 2011-2030[R].Blagnac:Airbus,2011.

[2]McDonald C F,Massardo A F,Rodgers C,et al.Recuperated gas turbine aeroengines,Part I-early development activities [J].Aircraft Engineering and Aerospace Technology:An InternationalJournal,2008,80（2）: 139-157.

[3]McDonald C F,Massardo A F,Rodgers C,et al.Recu-perated gas turbine aeroengines,Part II-engine design studies following early development testing[J].Aircraft Engineering and Aerospace Technology:An International Journal,2008,80（3）:280-294.

[4]McDonald C F,Massardo A F,Rodgers C,et al.Recu-perated gas turbine aeroengines，Part III-engine concepts for reduced emissions,lower fuel consumption, and noise abatement [J].Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal, 2008,80（4）:408-426.

[5]Wilfert G,Sieber J,Rolt A,et al.New environmental friendly aero engine core concepts [R]. ISABE-2007-1120.

[6]Rolt A M,Kyprianidis K G.Assessment of new aeroengine core concepts and technologies in the EU framework6 NEWAC programme [C]//27th International Congress of the Aeronautical Sciences,Nice,France, 2010.

[7]Boggia S,Rud K.Intercooled recuperated aeroengine [R].Munchen,MTU Aero Engines,2004.

[8]Gmelin T C,Hüttig G,Lehmann O.Summarized description of aircraft efficiency potentials taking account of current engine technology and foreseeable mediumterm developments[R].German Federal Ministry for the Environment,Nature Conservation and Nuclear Safety,FKZ UM 07 06 602/01,Berlin,Germany,2008.

[9]Engber M,Rüd K.Advanced technologies for next gen-

Analysis of Technical Development Trend of Intercooled Recuperated Aeroengine

WANG Zhan-xue,GONG Hao,LIU Zeng-wen,ZHOU Li
（School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072, China）

The research background of the intercooled recuperated aeroengine was analyzed in detail,and the necessity of its research was highlighted.The basic principle of the intercooled recuperated aeroengine and its technical characteristics were described.On this basis,through the review of the technical development progress of the intercooled recuperated aeroengine,a prediction of its technical development trend and application prospect was made out.The analysis results indicate that intercooled recuperated aeroengine with obviously technical advantages of low fuel consumption becomes one of the most promising"environment friendly"concepts of civil aviation engine.It is necessary to research the intercooled recuperated aero engine which is the representative of the unconventional thermal cycle aircraft engines.

intercooled;recuperated;aeroengine;technical development trend

王占學(xué)（1969），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)和推進(jìn)系統(tǒng)氣動(dòng)熱力學(xué)。

工業(yè)和信息化部民用飛機(jī)專(zhuān)項(xiàng)科研項(xiàng)目（MJ-D-2011-10）資助

2013-06-03