間冷回熱航空發動機技術發展趨勢分析

王占學，龔 昊，劉增文，周 莉

（西北工業大學動力與能源學院，西安710072）

間冷回熱航空發動機技術發展趨勢分析

王占學，龔 昊，劉增文，周 莉

（西北工業大學動力與能源學院，西安710072）

間冷回熱航空發動機是最受到重視的新型循環發動機。詳細分析了間冷回熱航空發動機的研究背景和開展該類發動機研究的必要性，描述了間冷回熱發動機的基本工作原理和典型的技術特征。在此基礎上，結合間冷回熱航空發動機的技術發展歷程的回顧，對其技術發展趨勢和應用前景做出了預測。分析表明：間冷回熱航空發動機以其低油耗的顯著技術優勢，將成為未來最有希望的“環境友好”民用航空發動機概念之一。

間冷；回熱；航空發動機；技術發展趨勢

0 引言

近年來，民用航空運輸量不斷增長，航空業迅速發展。與此同時，燃油價格不斷上漲，環保要求也愈發嚴格。民航領域迫切要求進一步降低發動機的油耗，并減小發動機排放和噪聲對環境的影響，以提高民航運輸經濟性。目前，常規循環航空發動機性能水平已經很高，其性能參數進一步提高受到限制。因此可以考慮新型熱力循環，發展“環境友好”民用航空發動機。在當今世界航空強國提出的諸多研究計劃中，間冷回熱航空發動機（IRA）是一個重要研究方向，通過使用間冷回熱循環技術可以進一步提高航空發動機的性能和環保水平。

本文旨在通過分析間冷回熱航空發動機的研究背景、技術特點和技術發展歷程，指出開展相關研究的必要性，并對其發展趨勢做出預測。

1 研究背景

1.1 民用航空領域面臨的壓力

民用航空運輸已成為現代社會重要的組成部分。隨著科技進步和經濟增長，世界航空運輸不斷發展，尤其是2003年以來，發展速度越來越快。世界經濟的發展，人民收入的提高，貿易往來的增多，給民用航空運輸帶來了新的市場。但同時航空燃油價格上漲和越來越嚴格的環保要求也成為民用航空領域不得不面對的壓力。

2011年，空客公司發布了未來航空運輸量預測報告[1]。報告指出，根據國際民用航空組織（ICAO）統計的世界航空運輸量，1970～2010年，每隔15年，世界航空運輸量翻1番。空客公司對未來航空運輸量的預測為：未來15年，世界航空運輸量將較2011年的水平翻1番，年增長達4.8%，如圖1所示。近年來，原油價格波動較為劇烈，其中有能源危機的大背景，也有政治因素的作用，但是從根本上講能源危機并未解除，未來油價增長的趨勢是不會改變的，預計2010～2030年，國際平均原油價格將超過120美元/桶，如圖2所示。而航空燃料價格趨勢和原油價格趨勢是一致的。從航空公司經濟性角度看，由于航空燃料占總航空運輸成本的25%以上，航空燃料價格的上漲趨勢進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和空客公司對未來航空運輸量的預測[1]

圖2 ICAO和空客公司對未來原油價格的預測[1]

從航空運輸對環境影響的角度，有預測表明，至2050年，航空運輸對環境的影響將占到全部人類活動的7%。鑒于航空運輸快速發展的趨勢，其對環境的影響日益顯著。世界經濟越發達地區，航線越密集，對環境的影響也越嚴重。為加強對環境的保護，1983年，ICAO成立了航空環境保護委員會（CAEP）。CAEP分別于1986、1993、1999和2004年制定了排放標準CAEP/1、CAEP/2、CAEP/4和CAEP/6。一些國家對飛機噪聲和污染排放也提出了嚴格要求，例如瑞典、瑞士、英國、德國就制定了著陸收費標準。隨著航空運輸的快速發展及對環境的影響越來越嚴重，飛機污染排放的規則將會不斷更新，且會更加嚴格。環保要求成為民用航空領域不得不面對的新的壓力，并且在未來，此壓力將越來越明顯。

為了應對挑戰，歐盟航空研究咨詢委員會（ACARE）制定了2020年發展目標，要求2020年以后投入使用的飛機和發動機，SFC將減少50%。其中，飛機的貢獻占20%～25%，發動機的貢獻占15% ～20%，空管的貢獻占5%～10%。具體到發動機來說，要求SFC（基準為2000年TRENT700和CFM56發動機）降低 20%，NOX排放減少 80%（相對ICAO1996），噪聲減少10 dB。

1.2 間冷回熱航空發動機概念的引出

一方面，民航飛機航程的增大，未來航空燃油價格的上漲，要求發動機的耗油率進一步降低，以提高飛機經濟性。盡管隨著氣動設計、材料技術的發展，發動機熱力循環參數和部件效率仍有一定提高的空間，但這種空間已經很小。傳統簡單循環航空發動機性能水平已經很高，其性能參數進一步提高受到限制。因此，要求發展新概念循環航空發動機。

另一方面，航空運輸的增長和公眾對環境污染的意識不斷增強，使得航空發動機排放和噪聲成為航線經濟性越來越重要的問題，也成為發動機制造商之間競爭越來越重要的方面。隨著各國政府提高對環境污染的關注以及系列政策的出臺，民航運輸的成本明顯增加。因此，要求發展“環境友好”民用航空發動機。

綜合來看，最可行的降低發動機SFC的方法是研究新型熱力循環發動機。在當前所關注的新型熱力循環發動機中，采用間冷回熱技術的渦扇發動機是最受到重視的一類新型渦扇發動機。

2 基本原理和技術特點

以間冷回熱大涵道比渦扇發動機為例，發動機截面如圖3所示。其熱力循環與常規循環相比，增加了間冷過程和回熱過程。其間冷器和回熱器均為間壁式換熱器，冷熱端氣流僅換熱，不摻混。間冷器熱端位于增壓級(IPC)與高壓壓氣機(HPC)之間，熱端進口24接增壓級出口，熱端出口25接高壓壓氣機進口；外涵道中增加1個分流器，分出一中涵道，間冷器冷端占據中涵道，冷端進口13、冷端出口14接外涵道。回熱器位于低壓渦輪后，冷端通過導管與高壓壓氣機出口（燃燒室進口）相連，冷端進口3接高壓壓氣機出口，冷端出口3r接燃燒室進口；熱端進口6接低壓渦輪出口，熱端出口6r接尾噴管進口。

圖3 間冷回熱航空發動機截面

空氣進入進氣道后，內涵空氣首先經過風扇和增壓級的壓縮后流入間冷器，再通過間冷器與外涵空氣進行熱交換，內涵空氣溫度降低后進入高壓壓氣機。經過高壓壓氣機壓縮后，通過導管流入位于低壓渦輪后的回熱器。在回熱器中，由高壓壓氣機流出的空氣從低壓渦輪較高溫度的排氣中吸收熱量，再通過導管流回燃燒室。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到高壓渦輪的目標進口溫度。流出燃燒室的燃氣在高壓渦輪和低壓渦輪中膨脹作功，然后通過尾噴管排出。同時，經過間冷環節，外涵道氣流經熱交換后總溫升高，提高了作功能力，增大了單位推力。最終內外涵道排氣共同產生飛機所需的推力。

研究發現，將間冷器引入燃氣渦輪發動機具有以下優點：能夠大大降低驅動高壓壓氣機所需的功輸入；可用冷卻器冷卻二次流空氣；可在所有推力范圍內提高發動機性能；燃燒室進口溫度較低，易于設計熱端部件，且能夠降低NOX的排放量。但與此同時，也必須解決以下問題：由于最優的總壓比較大，需要更多級壓氣機和渦輪，需要提高靜態和動態燃氣負荷，因此，影響了轉子葉片、核心機機匣和高壓軸推力軸承的負荷；核心機尺寸小，降低了部件效率；需要更多的壓氣機可調級或放氣閥，還可能需要渦輪可調，以控制壓氣機的工作線。

將回熱器引入燃氣渦輪發動機帶來的好處是：由于最優總壓比明顯減小，簡化了葉片機的設計，并可以使用冷卻空氣作為冷卻介質；提高了部分推力狀態的性能，特別是在渦輪采用可調面積導向器的情況下；大大提高了總壓比有限的小發動機的性能；在一定的推力下，可以減小渦扇發動機的涵道比和減少低壓渦輪所需的級數；降低低壓渦輪的噪聲。但與此同時，將回熱器引入燃氣渦輪發動機也面臨著以下問題：在大推力下，較大發動機的收益很小、費用增加、質量增大、復雜性增加；承受熱負荷的回熱器耐久機械性能差；較高的燃燒室進口溫度可能增加NOX的排放量。

如果將間冷器與回熱器同時引入燃氣渦輪發動機，除了需要解決質量明顯增大的問題外，可以在所有推力下，特別是對較小的發動機，能夠降低發動機的耗油率；依據所選擇的循環，有降低NOX排放量的潛力,并可以減少部件數量，降低成本。間冷回熱循環較只間冷或只回熱的具有明顯優勢，發動機的熱效率更高，減少污染物排放的潛力也更大，是最有希望達到ACARE目標的新概念發動機。

3 技術發展歷程

間冷回熱技術研究可追溯到20世紀40～50年代。當時就已經認識到間冷回熱技術具有提高燃氣渦輪發動機性能的潛力，并開展了大量研究。之后的幾十年中，德國、英國、前蘇聯（俄羅斯）、美國等國均有研究機構或公司在航空發動機和燃氣輪機方面不同程度地開展過間冷回熱技術研究，包括飛機用發動機、直升機用發動機、巡航導彈/無人機用發動機、艦船燃氣輪機、車輛用燃氣輪機、發電用燃氣輪機和微型燃氣輪機等。

目前，間冷回熱技術在燃氣輪機上已成功應用，主要代表有美國阿夫柯·萊卡明公司研制的M1A1坦克用回熱燃氣輪機AGT1500、格魯曼/羅羅公司合作研制的英國皇家海軍Type45型D級驅逐艦用間冷回熱燃氣輪機WR-21、美國通用公司研制的發電用間冷燃氣輪機LMS100等。在微型燃氣輪機上，各種構型的回熱器均有使用，成功地提高了熱效率。在航空發動機方面，間冷回熱技術的發展歷程及重要成果如圖4所示[2-4]。

熱交換航空發動機概念的提出最初是由于當時航空發動機技術水平較低，迫切希望能夠降低發動機油耗從而增大飛機的航程。從1943～1970年期間，進行了大量的理論和試驗研究，由于當時航空發動機總壓比不高，因此研究主要針對回熱航空發動機。

圖4 間冷回熱航空發動機技術發展歷程及重要成果

1943年，德國首次提出熱交換航空發動機概念。該發動機為是1低總壓比帶有錐形轉鼓回熱器的回熱渦槳發動機，設計用于為Me264轟炸機增加航程，但該發動機并沒有被制造和試驗。同年，英國提出Bristol Theseus回熱渦槳發動機概念，并開始實施研制計劃，第1次將回熱器安裝到航空發動機中。該發動機設計用于為商業航線飛機節油并增加航程。1945年底，該發動機第1次運行時毀壞，計劃中止[1]。

1967年，為了對帶回熱的推進系統進行飛行驗證，美國研究了直升機（輕型觀察直升機）用Allison T63回熱渦軸發動機。1967年10月20日，回熱T63發動機被安裝在1架YOH-6A直升機上，進行了50 h的飛行試驗，這是帶換熱器發動機惟一的1次載人飛行試驗[1]。

1970～2000年，一方面由于常規循環航空發動機技術水平不斷提高，同時輕質高效換熱器技術并未取得突破；另一方面，燃油價格和環境壓力并未成為航空發動機設計的關鍵驅動力，民用間冷回熱航空發動機研究趨于停滯。但由于間冷回熱技術降低紅外信號等潛在的軍事用途，各國提出了大量的無人機和直升機用間冷回熱航空發動機概念，這些發動機絕大多數都沒有被制造和試驗，僅進行了概念研究和方案論證。

進入21世紀后，由于能源危機的壓力和對環境污染的關注，間冷回熱航空發動機再次成為研究熱點。為了進一步提高航空發動機的熱效率，降低航空發動機的耗油率和NOX排放量，歐盟提出了很多涉及間冷回熱航空發動機的研究計劃，如FP5下的環保型航空發動機部件驗證（CLEAN）計劃、FP6下的新型航空發動機方案（NEWAC）計劃和FP7下的清潔天空（Clean Sky）預研計劃等，持續支持間冷回熱航空發動機技術研究[5-7]。另外，德國MTU公司內部的潔凈航空發動機（CLAIRE）計劃也將換熱器技術列為重要技術基礎[8-9]。

在CLEAN計劃的支持下，德國MTU和法國SNECMA公司等提出并研究了間冷回熱循環發動機技術。目標是使CO2排放降低20%（相比1995年技術的發動機）和使NOX排放降低80%（相比CAEP/2）。經理論與試驗研究，結果為CO2排放降低16%，NOX排放降低60%。由于間冷回熱航空發動機技術復雜，2015年前不考慮飛行驗證，實際使用在2020年以后。

在CLEAN計劃之后，歐盟又啟動了NEWAC計劃。目標仍然是希望采用熱交換器技術提高發動機熱效率，使CO2和NOX排放降低6%和16%，排放指標與ACARE目標要求接近。該計劃下，IRA回熱器布局研究進展順利，取得了大量的數值模擬數據，為最終回熱器在發動機中布局的優化打下堅實的基礎。在支持間冷技術的壓縮系統研究方面也取得了相當的技術進展。

CLAIRE計劃是MTU內部技術計劃，分3步進行。（1）2005～2014年，完成齒輪傳動渦扇發動機的研究，實現較2005年水平的V2500發動機的耗油率降低15%的目標；（2）2015～2025年，完成對轉渦扇發動機的研究，實現較2005年水平的V2500發動機的耗油率降低20%的目標，即實現ACARE的目標；（3）2025～2035年，完成帶間冷回熱器的對轉渦扇發動機的研究，實現較2005年水平的V2500發動機的耗油率降低30%的目標，實現徹底的技術領先。目前，該計劃各項研究工作正在開展[9]。

值得注意的是，德國MTU公司分別于1989年提出間冷回熱槳扇發動機概念，于2002年提出間冷回熱渦扇發動機概念。這些MTU早期的間冷回熱航空發動機研究為其后來承擔歐盟CLEAN和NEWAC 2個計劃中的間冷回熱航空發動機研究打下良好的技術基礎，同時為該公司自身的CLAIRE計劃的不斷推進做了良好開端。

綜合分析目前國外在間冷回熱渦扇發動機領域的研究成果可知，盡管該項技術短期內尚不可能進入工程實用階段，但其代表了有效提高發動機循環熱效率，降低耗油率和污染物排放的1種新技術。

在間冷回熱技術研究方面，中國在地面或艦船燃氣輪機已開展研究，并逐步轉向工程化應用。但由于航空發動機使用的特殊性，決定了其采用間冷回熱技術會具有比地面或艦船燃氣輪機更復雜的技術特征。與國外先進民用大涵道比渦扇發動機已經達到的水平相比，中國先進循環民用大涵道比渦扇發動機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 技術發展趨勢分析

4.1 民用航空發動機發展方向

當代民用航空發動機的發展方向是節能環保航空發動機，即“綠色發動機”。在研究中，歐洲和美國有一些技術合作，但是發展路線也有差異。就目前的觀點來看，歐洲建立了更加雄心勃勃的構想，致力于發展高度先進的和非常規的航空發動機概念，例如間冷回熱循環系統。美國主要依賴常規循環和齒輪驅動渦扇發動機先進推進系統。技術路線如圖5所示[10]。因此，民用間冷回熱循環發動機研究方面，目前的研究熱點是用于商用大飛機的間冷回熱大涵道比渦扇發動機，研究主體在歐洲，研究目的是降低發動機耗油率并減少排放，最終實現ACARE 2020目標。在歐盟框架計劃下，間冷回熱大涵道比渦扇發動機研究以MTU公司為核心，涉及的研究機構、公司、大學遍布整個歐洲。

圖5 “綠色發動機”發展路線[10]

根據CLEAN、NEWAC、CLAIRE等計劃的研究目標、研究思路和階段成果可以作出預測，在諸多研究計劃的支持下，堅持開展間冷回熱循環大涵道比渦扇發動機技術研究，不斷突破該發動機相關的技術難點和關鍵技術，最終可以實現間冷回熱循環大涵道比渦扇發動機的工程應用。

間冷回熱循環大涵道比渦扇發動機的低耗油率、低排放和低噪聲特性是通過不斷增大涵道比，降低外涵風扇壓比，使用間冷回熱循環技術，使用低排放燃燒室實現的。其技術發展趨勢如下：

（1）從短期看，其涵道比將維持在高的數值；從長期來看，其涵道比必然會超過現役所有渦扇發動機的，達到18～20左右，以實現極低的耗油率和噪聲。

（2）其核心機非常緊湊高效，通過實現間冷器和回熱器的優化布局，其尺寸可能會比相同推力級的渦扇發動機增大10%以內。

（3）從短期看，通過長航程應用，其增大的質量完全可以通過燃油量的減少得到補償；從長期看，通過輕質緊湊換熱器的技術突破，有可能實現IRA發動機總質量不增加。

（4）間冷回熱循環渦扇發動機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的應用創造了條件，將引領低排放燃燒的技術研究。

（5）換熱器研究方面，未來輕質、緊湊、高效換熱的間冷器和回熱器會最終應用到航空發動機上，為間冷回熱循環渦扇發動機的工程應用實現最重要的技術突破。

間冷回熱循環技術在民用發動機上的應用主要是間冷循環渦扇發動機、間冷回熱循環渦扇發動機和間冷回熱循環槳扇發動機等。

4.2 軍用航空發動機發展方向

間冷回熱循環技術在軍用航空發動機上的應用，主要是通過降低耗油率來增大飛機的航程或留空時間；通過減小發動機排氣溫度從而減小紅外信號增強飛機的戰場生存能力和突防能力。

根據文獻[4]介紹，軍用間冷回熱循環發動機的研究主體為美國，其間冷回熱循環發動機可能的技術路線為：

（1）研究無人機/巡航彈用發動機，如無人機和無人戰斗機用回熱小型渦槳發動機和回熱小型渦扇發動機、高空無人機用間冷回熱小型渦扇發動機、巡航導彈用回熱小型槳扇發動機等，目的是增加留空時間或航程并減少紅外輻射。

（2）研究軍用直升機用回熱循環渦軸發動機，目的是通過降低耗油率來增大飛機的航程或留空時間，同時由于排氣溫度降低可以減小紅外信號和噪聲，增強戰場生存能力。

（3）待間冷回熱循環技術在小發動機上應用成熟后，研制更大更復雜的軍用間冷回熱航空發動機，先小推力級的，后大推力級的，如軍用運輸機用回熱循環渦槳發動機，以增大飛機的航程，同時減小紅外信號；巡邏機用回熱循環渦槳發動機，以增加飛機的留空時間，同時減小紅外信號，增強戰場生存能力。

5 結束語

間冷回熱航空發動機以其低油耗的顯著技術優勢成為未來最有希望的“環境友好”民用航空發動機概念之一。當前有必要開展間冷回熱航空發動機為代表的新型循環航空發動機技術預研工作，一方面可以為中國民用航空發動機技術發展做必要的技術儲備，另一方面可以通過其技術牽引作用促進中國航空發動機技術發展。

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

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[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.

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[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（1969），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為航空發動機總體設計和推進系統氣動熱力學。

工業和信息化部民用飛機專項科研項目（MJ-D-2011-10）資助

2013-06-03