高效清潔民用航空發動機技術

據統計，航空燃料占總航空運輸成本的36%以上，航空公司一直面臨著必須不斷降低油耗（高效）的壓力，如何實現民用航空發動機燃油消耗的顯著降低，一直是各大航空公司和發動機公司追求的目標。事實上，航空運輸業的飛速發展在帶來社會進步和經濟效益的同時，也帶來了日益嚴重的環境污染。為保障航空業的發展和保護人類賴以生存的環境，綠色航空成為航空業發展的單行線，它既是航空業發展的更高目標，同時也是航空業可持續發展的基本要求之一。在一些國家和國際組織的推動下，相繼出臺了一些越來越嚴苛的，針對飛機排放和噪聲標準的階段性環保目標與政策。一方面這些新的環保標準推動了航空業技術革命，有利于行業的良性發展，另一方面綠色環保要求無形中抬高了行業的門檻，對像我國在內的民用航空業后來者帶來了更大的壓力。為滿足來自環境（污染排放）、資源（燃料）和社會（噪聲）的要求，新一代民用航空發動機必然朝著高效清潔方向發展。

高效民用航空發動機技術

降低油耗和減少污染排放是下一代民用航空的主攻方向，其中降低油耗的方法主要有兩種：一為提高整機效率，這主要通過提高發動機的總壓比和更高的循環溫度來實現，受現有材料和冷卻技術水平的限制，很難進一步提高；另一方法為提高推進效率，這主要通過提高涵道比，增大空氣流量，降低排氣速度來實現，傳統渦扇發動機如采用非常高的涵道比會導致風扇和低壓系統的不適配。

受傳統渦扇發動機循環和結構的性能改進限制，進一步降低油耗的潛力有限，為滿足降低油耗的要求，為此有別于傳統渦扇發動機的新型發動機技術應運而生，間冷回熱發動機、齒輪傳動風扇發動機和開式轉子發動機是其中的典型代表。

間冷回熱技術

圖1所示為間冷回熱發動機（IRA）原理圖，空氣經增壓級壓縮后，應用間冷器有效降低了高壓壓氣機進口溫度，減小了高壓壓氣機耗功，同時增大了回熱器中空氣和燃氣的溫差，提高了回熱器換熱效率。高壓壓氣機出口氣流與低壓渦輪出口氣流通過回熱器進行熱交換，有效利用了渦輪出口燃氣余熱，增加了燃燒室進口的空氣總溫，在渦輪前溫度不變的前提下減少了燃燒室供油量，提高了發動機熱效率，降低了耗油率，結合了間冷回熱技術和齒輪傳動風扇技術的航空發動機最多可少產生80%的氮氧化物，噪聲可降低35dB，燃料消耗和CO2 排放最多可減少18%。

由于間冷器和回熱器的引入，發動機的各大部件需要根據間冷回熱循環發動機的氣動熱力特性和結構特點重新設計，間冷回熱技術已在地面燃氣輪機裝置中得到了廣泛應用，但用于航空發動機，需要進一步解決如下技術難題：

a）間冷和回熱特性對間冷回熱發動機性能起著決定性的影響，間冷器和回熱器的引入可以提高發動機熱效率，但同時增加了發動機的重量和費用，因此需要重點解決低壓降、高效率、緊湊型間冷器和回熱器設計技術。

b）為配合氣流進入間冷器，間冷回熱發動機的高速低壓轉子需要采用“軸流+徑流”的流動形式。高速低壓壓氣機工作在與高壓壓氣機負荷相當、且雷諾數相對較低的不理想跨音速流場條件，同時由于采用齒輪驅動風扇，幾何流道可能會受齒輪箱的限制和干擾，增加了低壓壓氣機的設計難度，為保持工作范圍和部件效率與傳統低壓壓氣機相當或優于傳統發動機，需要突破“軸流+徑流”高速低壓壓氣機設計技術。

c）為獲得間冷回熱發動機的最佳性能，要求回熱器具有很強的換熱冷能，這依賴于足夠高低壓渦輪出口溫度來保證回熱器冷熱端的溫差，為保證發動機在飛行包線內盡可能保持高的高壓渦輪進口溫度，需要開發可變幾何低壓渦輪設計系統來實現回熱器性能的充分發揮。

d）與地面或艦船用間冷回熱燃氣輪機不同，航空發動機引入間冷回熱技術不僅對間冷器和回熱器提出了輕質緊湊要求，同時對發動機布局提出了有別于傳統發動機的要求，為實現發動機結構緊湊，改善發動機綜合性能，需要解決換熱器（間冷器和回熱器）與發動機一體化設計和優化設計技術。

上世紀90年代以來德國MTU公司相繼提出間冷回熱循環槳扇發動機和渦扇發動機概念，并在歐盟CLEAN和NEWAC計劃中得到支持。而在艦船燃氣輪機的運用中，間冷回熱發動機已經推出了裝備于45型驅逐艦的WR21發動機。在歐盟提出的高效環境友好型航空發動機（簡稱EEFAE）計劃下，間冷回熱發動機技術目標使得CO2排放降低20%（相比1995年技術的發動機），NOx排放降低80%（相比CAEP/2）。

國內在地面和艦船用燃機動力已開展研究并逐步轉向工程化應用。目前，國內還正在開展間冷回熱航空發動機的預先研究工作。

齒輪傳動風扇技術

齒輪傳動風扇發動機（GTF）（圖2）是在風扇和低壓壓氣機間引入減速齒輪箱，使得風扇和低壓轉子均處于最優轉速條件下工作。低壓轉子在高轉速下工作，保證較高效率，以匹配高壓轉子的最佳使用速度。同時，風扇在較低的轉速下，氣動損失和噪聲都較小，從而實現通過增大發動機涵道比，提高發動機可靠性。齒輪傳動風扇發動機涵道比可以提高到10～12，其耗油率較傳統渦扇發動機可以降低15%～20%。而齒輪傳動風扇葉尖速度降低減小了噪聲，其噪聲可以達到比國際民航組織規定低20分貝。

齒輪傳動風扇發動機由于減速齒輪箱的引入，必然帶來風扇直徑的增加，其發動機質量明顯增加，如果不能很好地解決質量問題，齒輪風扇難以應用；同時由于減速齒輪箱的引入，風扇轉速與低壓轉子轉速分開，對高速低壓壓氣機和高速低壓渦輪帶來了新的技術挑戰，為此，齒輪風扇發動機的研制需要突破和解決如下技術難題。

a）減速齒輪箱的質量、可靠性是決定齒輪風扇發動機設計成敗的關鍵，由于減速器采用了大量高速大負荷齒輪與軸承，其工作條件惡劣、零件數量多，因此減速齒輪箱需要在傳動系統設計、潤滑、冷卻和齒輪箱撓曲控制方面有所突破，使減速齒輪箱滿足輕質、高效和高可靠的設計要求。

b）由于齒輪風扇發動機風扇轉速和低壓轉子轉速是分開的，高速低壓壓氣機需要在比傳統風扇更高的轉速和馬赫數下工作，同時由于齒輪箱的加入，其直徑增大，需要盡可能地減輕其重量，因此高速低壓壓氣機設計面臨氣動性能和結構完整性兩方面的技術挑戰，因此需要突破輕質、緊湊高速低壓壓氣機設計技術。

c）風扇轉速和低壓轉子轉速分開會對低壓渦輪設計起著具有決定性的影響，傳統低壓渦輪高效率得益于適中的亞聲速流動馬赫數，而高速低壓渦輪較高的切線速度導致整個流道處于跨聲速流動狀態，流道內的激波前鋒同附面層相互作用產生損失，降低效率，同時高切線速度又導致渦輪盤出現高的機械負荷，極高的離心負荷將導致輪轂截面處，葉片的橫截面和厚度較傳統低壓渦輪葉片明顯加大和增厚，增加低壓渦輪的重量，因此在齒輪風扇發動機研制中需要突破高效、輕質高速低壓渦輪設計技術。

普惠公司于80年代投資3.5億美元，對傳動風扇的減速器進行深入研究，并取得相應進展。2013年6月，美國航空租賃公司和普惠公司已經簽訂備忘錄，選定采用GTF技術的普惠“靜潔動力”PW1100G-JM發動機為其確認訂購的30架A320/A321neo飛機提供動力。

目前我國齒輪風扇發動機尚處于跟蹤國外技術發展，結合國內研究基礎，積極尋求國際合作的階段。根據我國民航支線飛機的發展和越來越注重航空環境要求的趨勢，齒輪風扇傳動發動機的需求一定會日后凸顯出來。

開式轉子技術

開式轉子發動機（CROR）也稱槳扇發動機或無涵道風扇發動機，采用一對相互反轉的風扇，可以設計為拉動式或推進式，與傳統噴氣發動機相比，開式轉子發動機的顯著特點在于可以獲得超高的涵道比，預計最高可以達到35，由于去掉了發動機短艙，減小了阻力，以及相互反轉的開式轉子發動機可以節省25%～30%的燃油消耗，污染排放減少可高達30%。

盡管開式轉子存在發動機風扇直徑大，增加發動機重量，造成安裝困難，甚至改變飛機構型并且噪聲較大等問題，但隨著燃油價格的不斷上漲和環境方面要求的不斷提高，開式轉子發動機被認為是現有唯一能達到ACARE提出的2020年目標。對于開式轉子發動機除飛機增加消音裝置減少噪音外，發動機本身還面臨如下主要技術難題需要解決：

a）發動機風扇直徑幾乎達到目前涵道短艙的2倍，無論采用拉動式或推進式結構布局，均需采用同飛行器構型進行一體化設計技術，降低飛行器構型對發動機性能的影響，達到改善發動機性能。

b）“拉動式”和“推進式”開式轉子發動機驅動槳扇的方式有所不同，“拉動式”采用齒輪驅動方式，“推進式”也可以采用齒輪驅動方式，采用齒輪驅動槳扇方式必然需要發動機設計解決高效、輕質、高可靠性齒輪箱設計技術，當然“推進式”開式轉子發動機也可以采用渦輪不經齒輪箱和傳動軸直接帶動對轉槳扇，但該方式由于槳扇葉尖速度等因素的限制，動力渦輪和槳扇均不能在最佳轉速工作，從而犧牲效率，因此需要解決動力渦輪和槳扇性能優匹配設計技術。

上世紀80年代，PW公司與Allison公司合作發展過開式轉子發動機，并于1989年在麥道公司的MD-80飛行試驗臺上進行了578-DX驗證機的飛行試驗（如圖4所示）。但是，目前世界上只有烏克蘭的D-27發動機安裝在安-70軍用運輸機（如圖3所示）上投入了使用。在2000年以來， NASA提出了N+1目標，力爭于2015年，在現有基礎上，使開式轉子發動機噪聲降低33%；并且RR、GE、CFM公司等都在按計劃對開式轉子發動機進行深入研究。201FZeQ8FyaJqleJr3tPlmlVfr0TidblAtocJ4gpzw3qAE=1年6月，歐洲凈潔天空研究計劃的專家完成了對在空客A340-600飛行試驗臺一側安裝對轉開式轉子發動機的可行性研究，這意味著滿足航空公司對更佳燃油效率需要的工作又向前邁進一步。

在開式轉子發動機技術領域，國內僅開展過有限的探索性研究，初步建立了開式轉子發動機對轉槳扇部件性能計算模型，評估其對發動機總體性能的影響。

清潔民用航空發動機技術

低排放燃燒技術

清潔發動機把降低污染排放作為實現其清潔的主要技術手段，燃燒室是航空發動機排污染排放的直接來源。為了提高民用發動機的競爭力，實現低污染的目標，各國發動機研制都投入大量精力和財力。國際民航組織（ICAO）規定的民用航空發動機主要污染物有CO、NOx、UHC和煙等，其中NOx尤為重要，2010年2月在加拿大蒙特利爾進行的ICAO/CAEP/8會議明確了近期（2015年）NOx將要求污染排放在CAEP/6的基礎上降低50%，遠期（2020年后）NOx排放要求在CAEP/6基礎上降低70%。為了滿足世界環境保護組織日益嚴苛的要求，同時也為了人類生存環境的持續的發展，低排放燃燒技術成為促進近年來航空運輸業發展的主要動力之一。

發動機排放的污染物主要有NOx、CO、冒煙和UHC等，其中：CO是一種不完全燃燒產物，通常在燃燒室主燃區內由于富油缺乏氧氣而燃燒不充分形成；UHC主要由于燃油中有一部分碳氫化合物只是蒸發，未參加燃燒反應以油珠或油蒸汽形式出現形成UHC；NOx按生成機理分為熱力型、瞬發型和燃料型，燃料型主要是由于航空煤油中所含氮引起的，但航空煤油含氮僅為萬分之六左右，燃料型NOx可以忽略不計，NOx產生的原因主要來自于“熱力” 和“瞬發”型，前者主要出現在高溫貧油情況，而后者主要是在低溫富油條件下產生；冒煙主要成分為微小煙粒（尺寸在0.01～0.06μm），其主要在高溫主燃區中局部富油區內生成。

從污染排放產生機理可以看出，影響航空發動機燃燒室排氣污染的主要因素有：1）主燃區溫度和當量比；2）主燃區燃燒過程的均勻程度；3）在主燃區的停留時間；4） 火焰筒壁面驟熄特性； 5）中間區的作用等。圖5給出了NOx和CO兩種污染成分與主燃區當量比的關系，從圖中可以看出：在貧油一側，主燃區當量比0.6～0.8范圍內，NOx和CO的生成很低，在富油一側，主燃區當量比1.4以上NOx的生成較低，但此時CO的生成較高，CO可以通過貧油補燃的方法降低，以達到提高效率的目的。根據污染排放與主燃區當量比的關系，降低NOx排放可以通過貧油燃燒和富油燃燒兩種技術途徑來實現，在此基礎發展了三種低污染燃燒技術（表1），針對貧油燃燒發展了貧油預混預蒸發燃燒技術（Lean Premixed Prevaporized Combustion，簡稱LPP）和貧油直接混合燃燒技術（Lean Direct Mixing Combustion，簡稱LDM），針對富油燃燒發展了富油燃燒-焠熄-貧油燃燒技術（Rich burn-Quench-Lean burn，簡稱RQL）。目前看來，貧油燃燒技術和富油燃燒技術在低排放燃燒室上均有應用，其中貧油燃燒技術的典型代表為GE公司的TAPS燃燒室和RRD公司的Lean Burn燃燒室，富油燃燒技術的典型代表為PW公司的TALON燃燒室。

貧油燃燒技術和富油燃燒技術目前均都取得了不錯的成績，那么未來超低排放燃燒室到底應該采用哪種技術呢？表1分析比較了三種低污染燃燒技術的特點，從表中可以看出LDM燃燒技術除了污染排放很低外，可以避免LPP燃燒技術的回火和自燃問題，同時也可以避免RQL燃燒技術的高冒煙和自燃問題，因此LDM燃燒技術是最有望成為未來超低污染燃燒室的燃燒方式。

國內低排放燃燒技術起步較晚，前期主要在搜集整理國外相關研究資料的基礎上開展低排放燃燒室的數值模擬和基礎試驗研究，隨著國家啟動大飛機項目，相應增加了對大客動力研發的投入，國內各航空發動機研究所和高校積極開展了民用航空發動機的關鍵技術預先研究，目前在低排放燃燒技術方面已取得了一定成績。

替代燃料技術

未來原油的產量可能無法與全球對航空運輸的需求同步，并且隨著人們對環境問題的日益重視，國際民航組織提出了更為嚴苛的排放要求，替代燃料應運而生。從2006年10月，FAA、DOD及其航空和燃料組織，通過建立CAAFI（Commercial Aviation Alternative Fuel Initiative）探索替代燃料的可行性。替代燃料的使用分為三個階段：近期、中期、遠期。近期的替代燃料由煤油和合成燃料構成，用于現役的和近期的飛機中；中期階段（未來10～50年），可能將生物和合成燃料用于未來超高效飛機設計中。長期階段（未來50年后），在發動機和飛機中，燃料的CO2排放極低甚至為零。

一類替代燃料為合成燃料，其原料主要是煤炭、天然氣和其他碳氫化合物，通過Fischer-Tropsch（FT）過程對原料進行合成。其化學特性和性能與傳統燃料相近，但含微量硫黃和芳香烴，并且其氫/碳比（C/H）較高，這就可能大大減少PM排放和二次排放及少量減少CO2排放。但合成燃料在燃料制備過程中需要消耗能源，雖然排放降低了，但對于航空公司來說，燃料的本身的價格需要增加，同時該類型燃料為不可再生燃料，因此合成燃料技術的應用前景有限。

另一類替代燃料為生物燃料（又稱再生燃料），主要從生物油中獲取。使用生物燃料的全部CO2排放有望比化石燃料減少80%；此外，生物燃料含雜質（比如硫）更少，因此二氧化硫和煤煙的排放會大大減少。第一代生物燃料以糧食作物為原料，主要來源為玉米、小麥和大豆等，由于這種燃料占用耕地太多且對人類糧食供應造成威脅和影響，因此到目前為止，第一代生物燃料也沒能在燃料使用中在占較大份額。目前世界各國著力研究第二代生物燃料，其原料采用生產率更高的植物，如海藻、鹽土植物和高纖維質植物，提高了燃料供給能力，同時解決了第一代生物燃料存在的“與糧爭地”和“與人爭食”的問題。

為爭奪未來市場競爭中掌握更多的行業話語權，飛機制造商在生物燃料開發技術大潮中首當其沖，2008年至今，多家航空公司與飛機制造商聯合開展進行了大量的生物燃料飛行試驗。在2011 年7 月，德國漢莎航空公司（Deutsche Lufthansa AG）在全球第一個使用生物燃料的定期航班投入商業運營，南非約翰內斯堡機場已使用替代燃料多年。波音公司預計在2015年中期，生物燃料將在航空運輸業重大規模使用。

我國在國家中長期科學和技術發展規劃中制定了煤的清潔高效開發和液化應用，可再生能源低成本規模化開發利用以及新能源的開發利用等發展規劃，國內企業以及相關高校紛紛開展煤變油（CTL）、天然氣液化（GTL）和生物燃料（BTL）等相關技術的研發。

對民用航空發動機發展的思考

近年來，世界航空強國通過發展綠色航空技術，以達到搶占未來航空市場競爭的制高點。中國作為航空運輸量世界排名第二的發展中國家，雖成為航空大國，但與航空強國還有一定的差距，面對日益嚴苛的環保標準和要求，針對綠色航空采用什么樣的態度和措施是民用航空業發展的核心問題。筆者認為：

1）堅持以自主研究為主、對外開展專業化合作相結合的發展思路民用航空發動機要求滿足極高的安全性、經濟性、環保性以及舒適性等方面的要求，從而使民用發動機更強調經濟、可靠、長壽命、低噪聲、低排放等技術指標。如果在這些方面不具有很強的競爭力，將難以取得商業上的成功，這也是航空寡頭搶占民用航空發動機市場的資本。經驗和教訓反復證明，航空發動機的核心技術是用金錢買不來、用市場換不來的，只能走自主創新之路。只有通過自主技術預先研究，提升自主研發水平，形成真正的高技術產業，才能在民用航空發動機市場占有一席之地。

國際合作是民用航空發動機發展的主要趨勢，我國民用航空發動機研制基礎薄弱，產品屈指可數。面對民機市場的激烈競爭，僅僅依靠自身能力很難打開局面。通過國際合作一方面可以利用國際資源，加快研制進度，降低研制風險，另一方面可借鑒國外在適航取證、開發市場、經營管理和售后服務方面的成功經驗。

因此，現階段必須要以民用飛機的特殊要求作為牽引和指導，在開展自主研究的同時，注重與國外專業化公司開展合作，系統開展民用發動機關鍵技術專項研究，形成獨立而完整的發展體系，為“綠色、安全”的民用航空發動機提供堅實的技術基礎和有力保障。

2）制定符合民用航空發動機研制規律的技術途徑和實施方案

首先，需要根據民用航空發動機的特殊要求，制定長期規劃并穩步實施。

其次，需要根據未來民用航空發動機技術發展趨勢，開展民用航空發動機關鍵技術研究，打好基礎，加強技術儲備，并以市場需求為向導，技術驗證為目標，發展成熟的核心機及驗證機，提升自主研發水平。

第三針對民機市場需求，以國際合作為主，進行重點產品開發、產品維修，盡快進入民機市場。同時，在項目的帶動下，逐漸建立并完善民用航空發動機研發體系，形成能適應市場變化的產業發展體系。