歐盟間冷回熱循環燃氣渦輪發動機發展綜述

沈　虹，周　軍，陳玉潔，李　茜（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

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歐盟間冷回熱循環燃氣渦輪發動機發展綜述

沈虹，周軍，陳玉潔，李茜
（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

摘要：作為一種新概念動力技術，間冷回熱循環燃氣渦輪發動機可滿足未來推進裝置對成本控制、環境友好性和燃料高效利用等方面的要求。概述了間冷回熱發動機的結構特點和性能優勢，并詳細介紹了歐盟根據第5和第6框架協議所開展的間冷回熱渦扇發動機研發工作及取得的成果。結合航空發動機的特點，指出研制和發展新型間冷回熱航空發動機的關鍵，在于結構緊湊、換熱效率高、質量輕的間冷器和回熱器的創新設計，間冷回熱循環在航空領域的應用還將面臨一系列挑戰。

關鍵詞：間冷回熱；動力技術；航空發動機；燃氣輪機；間冷器；回熱器；歐盟

1　引言

20世紀90年代以來，隨著航空燃油價格的持續攀升，以及公眾對環境問題的日益關注，迫使航空工業界尋求發展燃油效率更高、噪聲更低和污染物排放更低的清潔型發動機。目前，傳統結構的發動機在耗油率和環境友好性方面的提升潛力已非常有限，因此采用新型結構的發動機是航空推進技術發展的一個趨勢。

在眾多新型結構的發動機中，采用間冷回熱技術的渦扇發動機是受到重視的一類［1］。國外研究人員早在20世紀40年代，就已認識到間冷和回熱技術具有提高燃氣渦輪發動機性能的潛力。1943年，德國首先提出熱交換航空發動機概念，并研制出一臺低總壓比回熱循環渦槳發動機；同年，英國提出Bristol Theseus回熱循環渦槳發動機概念并啟動研制計劃，Bristol Theseus是第一臺引入回熱器部件的航空發動機。英國R-R公司于1947年開始研制艦用中冷回熱燃氣輪機RM60（兩級中間冷卻，帶排氣回熱，三軸），1951年完成陸上試驗，功率達3 898 kW。1967年，美國艾利遜公司啟動T63-A-5回熱循環渦軸發動機研制計劃，設計制造的T63發動機安裝在一架YOH-6A直升機上進行了50 h的飛行試驗——這是唯一一次使用回熱循環航空發動機的有人飛行器飛行試驗。20世紀80年代，英國和美國以斯貝和RB211航空發動機為基礎，開發間冷回熱循環燃氣輪機；90年代中后期，英國和美國聯合研制成功了間冷回熱循環的WR-21艦船燃氣輪機［2-4］，該發動機也是目前唯一完成研制并投入使用的大功率間冷回熱循環燃氣輪機。

2　間冷回熱發動機結構及性能優勢

間冷回熱循環發動機是在傳統高壓和低壓壓氣機之間設置一臺中間冷卻器，在排氣中設置一臺回熱器而構成的新型燃氣渦輪發動機［5］。主要結構包括風扇、減速齒輪箱、低壓壓氣機、間冷器、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、回熱器和相應管路系統（圖1）。相比于常規渦扇發動機，其最大優勢是耗油率降低，發動機污染排放減少。

圖1　間冷回熱發動機結構簡圖Fig.1 IRA engine structure

研究發現：在傳統渦扇發動機高、低壓壓氣機之間增加一個冷卻器后，可大大降低高壓壓氣機的出口溫度；由于燃燒室進口溫度較低，簡化了燃燒室結構設計的復雜性，還能降低NOx排放量；同時，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。在排氣中增加一個回熱器，能夠回收低壓渦輪排氣中的廢熱，對燃燒室進口氣流進行預熱，從而減少了達到渦輪進口溫度所需的燃油量，降低了耗油率。圖2示出了間冷回熱發動機在環境友好性方面的優勢，可見與常規渦扇發動機相比，間冷回熱發動機產生的NOx最多可減少80%，噪聲降低36dB，耗油率和CO2排放量最多減少18%。

圖2　間冷回熱發動機環境友好性示意圖Fig.2 Environmental-friendliness of IRA engine

3　國外航空用間冷回熱發動機研發工作及進展

在傳統渦扇發動機結構中引入間冷器和回熱器，會導致發動機結構更復雜，制造難度和研制成本大大增加。研發新型間冷回熱航空發動機的主要技術瓶頸，在于間冷器和回熱器的創新設計，即需研究不同結構的間冷器和回熱器的換熱特性，對間冷器與回熱器的材料、質量、尺寸、流動損失、換熱效率等進行綜合分析與優化，最終設計出適合大涵道比渦扇用的結構緊湊、換熱效率高、質量輕的間冷器和回熱器。歐盟、美國、俄羅斯等針對間冷回熱循環在航空發動機上的應用開展了廣泛研究，其中以歐盟第5、第6框架協議［6-7］取得的成果最為顯著。

3.1第5框架協議中的CLEAN計劃和AEROHEX計劃

在第5框架協議下，2000年歐盟啟動了為期4年、總投資約1億英鎊的高效環境友好航空發動機（EEFAE）計劃。而其中兩個子計劃——環境友好型航空發動機部件驗證（CLEAN）計劃和航空發機先進排氣回熱器技術（AEROHEX）計劃，都提出了研究間冷回熱循環航空發動機。

3.1.1 CLEAN計劃

CLEAN計劃研制的間冷回熱發動機，是以先進的齒輪驅動大涵道比三軸渦扇發動機為基礎［8］，將先進核心機技術與間冷回熱發動機典型的高溫排氣部件技術結合起來。其中核心機技術由SNECMA和Avio兩家公司提供，高轉速低壓渦輪技術由MTU和Volvo兩家公司負責，回熱器則由MTU公司研制［6］。結構包括齒輪驅動的先進風扇、低壓軸上的減速齒輪箱、平板式間冷器、徑向高壓壓氣機、低污染燃燒室、變幾何渦輪系統、回熱器、管路系統以及三噴管系統。該款間冷回熱發動機的驗證機已完成了部件試驗，并于2005年7月安裝在高空試驗臺上進行了試驗驗證。

3.1.2 AEROHEX計劃

AEROHEX計劃重點關注熱交換器的研制，主要研究領域包括回熱器的熱力-機械設計（最恰當的結構布局、熱力與結構分析和壽命分析）、流體特性研究及制造方法。為開展壽命循環研究，加工了一個換熱器試驗件進行低周疲勞試驗，還創建了樣件的有限元模型。通過試驗樣機的CFD仿真，開展了熱排氣區域的流動特性分析，為回熱器布局改進提供了數據基礎。

3.2第6框架協議中的NEWAC計劃

根據歐盟第6框架協議，2006年5月啟動了新型航空發動機方案（NEWAC）計劃。該計劃由德國MTU公司負責協調，共40多個相關單位參加［9］。目標是結合間冷技術、更低的渦輪冷卻空氣溫度、貧油燃燒和核心機壓氣機效率改進，進一步降低耗油率和NOx排放量。NEWAC計劃提出并研究了包括間冷回熱構型的各種創新型核心機概念，重點研究了回熱器布局和管路設計的優化，以改善系統質量和壓力損失。NEWAC計劃中有關間冷回熱技術的子計劃共有3個：整機一體化計劃（SP1）、間冷壓縮系統計劃（SP3）和貧油燃燒計劃（SP6）。

3.2.1 SP1計劃

SP1計劃中多個基準發動機設計時，融合了NEWAC其他子計劃所研究的新技術和成果。這些基準發動機的設計性能，將隨著子計劃成果的引入而不斷提升。SP1計劃將評估包括間冷和間冷回熱在內的新技術的優缺點。

3.2.2 SP3計劃

SP3計劃主要研究間冷渦扇發動機所需的關鍵技術，以達到SP1中規定的要求。部件技術包括：高效、緊湊、輕質量、低損耗的中間冷卻器，中間冷卻器所需的低損耗進口和出口管路系統，支撐中間冷卻器的模塊，保持轉子間隙的發動機中間機匣結構，在較高總壓比間冷發動機循環中保持壓氣機效率和工作性能的新系統及葉片設計。具體研究工作如下：

（1）換熱器管路。高壓管路的氣動設計由R-R公司、Volvo航空公司和Loughborough大學三方合作完成，其結構見圖3。全尺寸模型已在Loughborough大學完成試驗，S形通道和C形通道試驗結果與CFD預測結果一致。試驗結果表明，只要S形通道分流器結構緊湊、且C形通道進口處的速度剖面在控制范圍內，就可達到目標性能。低壓管路的研究，側重于外涵道的環形排氣道和下游的擴壓器。Loughborough大學通過建造的第二臺全環形試驗臺架，探索了不同的排氣道和擴壓器結構以及各種面積和質量流比率。

圖3　高壓管路試驗件橫截面圖Fig.3 Cross section of high pressure pipeline test specimen

（2）中間機匣。中壓和高壓壓氣機之間的中間機匣是發動機的重要結構部件，對維持結構剛度至關重要。由于間冷回熱發動機中必須布局用于換熱的S形管路和C形管路，因此與傳統渦扇發動機相比，其機械設計更加復雜。圖4為Volvo航空公司設計的大型發動機中間機匣的具體布局。

圖4　大型發動機中間機匣組件Fig.4 Intermediate casing assembly

（3）整機建模。間冷發動機由于其核心機直徑較小，在推力載荷和機動載荷作用下，高壓機匣可能遭遇更多的變形，造成相對較小的高壓壓氣機葉片和渦輪葉片的葉尖間隙不成比例增長，影響高壓壓氣機效率。間冷回熱發動機的初步整機機械建模已證明存在這種危險性，因此為了在不增加質量的情況下改進葉尖間隙，同時確保中間機匣設計更堅固，完成了進一步的建模。圖5為原始整機模型。

（4）間冷器設計。間冷器工作溫度高達300℃，其技術難點在于既要保證其輕質、低損耗、高效、緊湊、耐久和經濟性，還要具備很好的抗污垢和抗阻塞能力。SP3計劃選定的間冷器矩陣結構是一種橫向流、交叉波紋曲面設計（圖6），這種結構無需采用高導熱性材料，同時可提供多個氣流通道。

圖5　整機模型Fig.5 Engine model

圖6　間冷器矩陣結構Fig.6 Intercooler matrix

（5）壓氣機設計。SP3計劃核心機壓氣機研發由R-R公司完成。整個壓氣機設計采用了最新的平行二維/三維葉片CFD技術，包括最優化的前緣形狀和彎度分布，及最小化二次損失。一個特別的設計是降低壓氣機性能對葉尖間隙變化的敏感度，減小因核心機體積縮小對壓氣機效率和工作性能造成的影響。圖7為R-R公司設計的高壓壓氣機葉片。

圖7　高壓壓氣機葉片Fig.7 High pressure compressor blade

3.2.3 SP6計劃

SP6計劃研究了三種貧油燃燒室。R-R德國公司研發了用于間冷發動機研究的各種尺寸的單環形貧油直接噴射（LDI）燃燒室，并對其NOx排放做了初步評估。在SP6計劃中，將對比目前壓力更高的燃燒室做進一步試驗，以便得出更全面的評估。

4　結束語

間冷回熱燃氣渦輪發動機具有降低耗油率和污染物排放的潛能。將最優結構的間冷回熱發動機與1995年技術水平的渦扇發動機相比，耗油率降低18.7%，而且通過進一步改善冷卻結構，可使耗油率下降超過20%。對于NOx的排放，間冷回熱發動機較ICAO-96標準降低60%，利用創新的燃燒技術甚至有望降低80%。

以德國MTU、英國R-R和法國SNECMA公司為代表的歐盟多個國家的公司、研究院和學院，參與了間冷回熱燃氣渦輪發動機的研制，其大量的研發工作及部件和整機試驗均證明，間冷回熱循環有進一步提高發動機性能的可能性。但也應認識到，由于增加了間冷器、回熱器及相應管路系統，發動機的結構無疑變得更加復雜，設計時也需考慮更多的變量；此外，部件的增加還將造成發動機質量、制造和維護成本大幅提升。這些技術瓶頸都將是間冷回熱循環在航空發動機上應用所面臨的巨大挑戰。

參考文獻：

［1］王占學，龔昊，劉增文，等.間冷回熱航空發動機技術發展趨勢分析［J］.航空發動機，2013，39（6）：13—18.

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［9］Wilfert G，Joerg S，Rolt A M，et al. New environmental friendly aero engine core concepts［R］. ISABE 2007-1120，2007.

The development of intercooled recuperated cycle aero-engine
in Europe Union

SHEN Hong，ZHOU Jun，CHEN Yu-jie，LI Qian
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Abstract:As a new concept of power technology，the intercooled recuperated gas turbine engine could meet demands of cost，environmental-friendliness and fuel efficiency from future propulsion system. Structure features and performance advantages of intercooled recuperated aero-engines（IRA）were presented；IRA engine development carried out and results achieved by EU according to 5thand 6thframeworks were also introduced in detail. Based on the characteristics of aero-engine，the key to develop new IRA engine was pointed out，that is the compact intercooler with high heat exchange efficiency and light weight as well as innovative design of recuperator，and the application of intercooled recuperated cycle in aviation still faces a lot of challenges.

Key words：intercooled recuperated；power technology；aero-engine；gas turbine；intercooler；recuperator；EU

中圖分類號：V23

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2620（2016）01-0010-04

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-02-24

作者簡介：沈虹（1970-），女，重慶人，副譯審，主要從事航空發動機情報研究工作。