高效清洁民用航空发动机技术

　　一、高效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%。

图1 间冷回热发动机工作原理图

　　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。

　　齿轮传动风扇技术

　　齿轮传动风扇发动机（GTF）（图2）是在风扇和低压压气机间引入减速齿轮箱，使得风扇和低压转子均处于最优转速条件下工作。低压转子在高转速下工作，保证较高效率，以匹配高压转子的最佳使用速度。同时，风扇在较低的转速下，气动损失和噪声都较小，从而实现通过增大发动机涵道比，提高发动机可靠性。齿轮传动风扇发动机涵道比可以提高到10～12，其耗油率较传统涡扇发动机可以降低15%～20%。而齿轮传动风扇叶尖速度降低减小了噪声，其噪声可以达到比国际民航组织规定低20dB。

图2 PW1100G齿轮传动风扇发动机剖析图

　　齿轮传动风扇发动机由于减速齿轮箱的引入，必然带来风扇直径的增加，其发动机质量明显增加，如果不能很好地解决质量问题，齿轮风扇难以应用；同时由于减速齿轮箱的引入，风扇转速与低压转子转速分开，对高速低压压气机和高速低压涡轮带来了新的技术挑战，为此，齿轮风扇发动机的研制需要突破和解决如下技术难题：

　　a）减速齿轮箱的质量、可靠性是决定齿轮风扇发动机设计成败的关键，由于减速器采用了大量高速大负荷齿轮与轴承，其工作条件恶劣、零件数量多，因此减速齿轮箱需要在传动系统设计、润滑、冷却和齿轮箱饶曲控制方面有所突破，使减速齿轮箱满足轻质、高效和高可靠的设计要求；

　　b）由于齿轮风扇发动机风扇转速和低压转子转速是分开的，高速低压压气机需要在比传统风扇更高的转速和马赫数下工作，同时由于齿轮箱的加入，其直径增大，需要尽可能地减轻其重量，因此高速低压压气机设计面临气动性能和结构完整性两方面的技术挑战，因此需要突破轻质、紧凑高速低压压气机设计技术；

　　c）风扇转速和低压转子转速分开会对低压涡轮设计起着具有决定性的影响，传统低压涡轮高效率得益于适中的亚声速流动马赫数，而高速低压涡轮较高的切线速度导致整个流道处于跨声速流动状态，流道内的激波前锋同附面层相互作用产生损失，降低效率，同时高切线速度又导致涡轮盘出现高的机械负荷，极高的离心负荷将导致轮毂截面处，叶片的横截面和厚度较传统低压涡轮叶片明显加大和增厚，增加低压涡轮的重量，因此在齿轮风扇发动机研制中需要突破高效、轻质高速低压涡轮设计技术。

　　普惠公司于80年代投资3.5亿美元，对传动风扇的减速器进行深入研究，并取得相应进展。2013年6月，美国航空租赁公司和普惠公司已经签订备忘录，选定采用GTF技术的普惠“静洁动力”PW1100G-JM发动机为其确认订购的30架空客A320/A321neo飞机提供动力。

　　目前我国齿轮风发动机尚处于跟踪国外技术发展，结合国内研究基础，积极寻求国际合作的阶段。根据我国民航支线飞机的发展和越来越注重航空环境要求的趋势，齿轮风扇传动发动机的需求一定会日后凸显出来。

　　开式转子技术

　　开式转子发动机（CROR）也称桨扇发动机或无涵道风扇发动机，采用一对相互反转的风扇，可以设计为拉动式或推进式，与传统喷气发动机相比，开式转子发动机的显著特点在于可以获得超高的涵道比，预计最高可以达到35，由于去掉了发动机短舱，减小了阻力，以及相互反转的开式转子发动机可以节省25%～30%的燃油消耗，污染排放减少可高达30%。

　　尽管开式转子存在发动机风扇直径大，增加发动机重量，造成安装困难，甚至改变飞机构型并且噪声较大等问题，但随着燃油价格的不断上涨和环境方面要求的不断提高，开式转子发动机被认为是现有唯一能达到ACARE提出的2020年目标。对于开式转子发动机除飞机增加消音装置减少噪音外，发动机本身还面临如下主要技术难题需要解决：

　　a）发动机风扇直径几乎达到目前涵道短舱的2倍，无论采用拉动式或推进式结构布局，均需采用同飞行器构型进行一体化设计技术，降低飞行器构型对发动机性能的影响，达到改善发动机性能；

　　b）“拉动式”和“推进式”开式转子发动机驱动桨扇的方式有所不同，“拉动式”采用齿轮驱动方式，“推进式”也可以采用齿轮驱动方式，采用齿轮驱动桨扇方式必然需要发动机设计解决高效、轻质、高可靠性齿轮箱设计技术，当然“推进式”开式转子发动机也可以采用涡轮不经齿轮箱和传动轴直接带动对转桨扇，但该方式由于桨扇叶尖速度等因素的限制，动力涡轮和桨扇均不能在最佳转速工作，从而牺牲效率，因此需要解决动力涡轮和桨扇性能优匹配设计技术。

图3AN-70安装的D-27发动机

　　上世纪80年代，PW公司与Allison公司合作发展过开式转子发动机，并于1989年在麦道公司的MD-80飞行试验台上进行了578-DX验证机的飞行试验（如图4所示）。但是，目前世界上只有乌克兰的D-27发动机安装在AN-70军用运输机（如图3所示）上投入了使用。在2000年以来，NASA提出了N+1目标，力争于2015年，在现有基础上，使开式转子发动机噪声降低33%；并且RR、GE、CFM公司等都在按计划对开式转子发动机进行深入研究。2011年6月，欧洲净洁天空研究计划的专家完成了对在空客A340-600飞行试验台一侧安装对转开式转子发动机的可行性研究，这意味着满足航空公司对更佳燃油效率需要的工作又向前迈进一步。

图4曾经在ＭＤ－８上测试的PW/Allison 578-DX发动机

　　在开式转子发动机技术领域，国内仅开展过有限的探索性研究，初步建立了开式转子发动机对转桨扇部件性能计算模型，评估其对发动机总体性能的影响。

　　二、清洁民用航空发动机技术

　　低排放燃烧技术

　　清洁发动机把降低污染排放作为实现其清洁的主要技术手段，燃烧室是航空发动机排污染排放的直接来源。为了提高民用发动机的竞争力，实现低污染的目标，各国发动机研制都投入大量精力和财力。国际民航组织（ICAO）规定的民用航空发动机主要污染物有CO、NOx、UHC和烟等，其中NOx尤为重要，2010年2月在加拿大蒙特利尔进行的ICAO/CAEP/8会议明确了近期（2015年）NOx将要求污染排放在CAEP/6的基础上降低50%，远期（2020年后）NOx排放要求在CAEP/6基础上降低70%。为了满足世界环境保护组织日益严苛的要求，同时也为了人类生存环境的持续的发展，低排放燃烧技术成为促进近年来航空运输业发展的主要动力之一。

　　发动机排放的污染物主要有NOX、CO、冒烟和UHC等，其中：CO是一种不完全燃烧产物，通常在燃烧室主燃区内由于富油缺乏氧气而燃烧不充分形成；UHC主要由于燃油中有一部分碳氢化合物只是蒸发，未参加燃烧反应以油珠或油蒸汽形式出现形成UHC；NOX按生成机理分为热力型、瞬发型和燃料型，燃料型主要是由于航空煤油中所含氮引起的，但航空煤油含氮仅为万分之六左右，燃料型NOX可以忽略不计，NOx产生的原因主要来自于“热力” 和“瞬发”型，前者主要出现在高温贫油情况，而后者主要是在低温富油条件下产生；冒烟主要成分为微小烟粒（尺寸在0.01～0.06μm），其主要在高温主燃区中局部富油区内生成。

　　从污染排放产生机理可以看出，影响航空发动机燃烧室排气污染的主要因素有：1）主燃区温度和当量比；2）主燃区燃烧过程的均匀程度；3）在主燃区的停留时间；4） 火焰筒壁面骤熄特性； 5）中间区的作用等。图5给出了NOx和CO两种污染成分与主燃区当量比的关系，从图中可以看出：在贫油一侧，主燃区当量比0.6～0.8范围内，NOx和CO的生成很低，在富油一侧，主燃区当量比1.4以上NOx的生成较低，但此时CO的生成较高，CO可以通过贫油补燃的方法降低，以达到提高效率的目的。根据污染排放与主燃区当量比的关系，降低NOx排放可以通过贫油燃烧和富油燃烧两种技术途径来实现，在此基础发展了三种低污染燃烧技术，针对贫油燃烧发展了贫油预混预蒸发燃烧技术（Lean Premixed Prevaporized Combustion，简称LPP）和贫油直接混合燃烧技术（Lean Direct Mixing Combustion，简称LDM），针对富油燃烧发展了富油燃烧-焠熄-贫油燃烧技术（Rich burn-Quench-Lean burn，简称RQL）。目前看来，贫油燃烧技术和富油燃烧技术在低排放燃烧室上均有应用，其中贫油燃烧技术的典型代表为GE公司的TAPS燃烧室和RRD公司的Lean Burn燃烧室，富油燃烧技术的典型代表为PW公司的TALON燃烧室。

　　贫油燃烧技术和富油燃烧技术目前均都取得了不错的成绩，那么未来超低排放燃烧室到底应该采用哪种技术呢？表1分析比较了三种低污染燃烧技术的特点，从表中可以看出LDM燃烧技术除了污染排放很低外，可以避免LPP燃烧技术的回火和自燃问题，同时也可以避免RQL燃烧技术的高冒烟和自燃问题，因此LDM燃烧技术是最有望成为未来超低污染燃烧室的燃烧方式。

　　国内低排放燃烧技术起步较晚，前期主要在搜集整理国外相关研究资料的基础上开展低排放燃烧室的数值模拟和基础试验研究，随着国家启动大飞机项目，相应增加了对大客动力研发的投入，国内各航空发动机研究所和高校积极开展了民用航空发动机的关键技术预先研究，目前在低排放燃烧技术方面已取得了一定成绩。

　　替代燃料技术

　　未来原油的产量可能无法与全球对航空运输的需求同步，并且随着人们对环境问题的日益重视，国际民航组织提出了更为严苛的排放要求，替代燃料应运而生。从2006年10月，FAA，DOD及其航空和燃料组织，通过建立CAAFI（Commercial Aviation Alternative Fuel Initiative）探索替代燃料的可行性。替代燃料的使用分为三个阶段：近期、中期、远期。近期的替代燃料由煤油和合成燃料构成，用于现役的和近期的飞机中；中期阶段（未来10～50年），可能将生物和合成燃料用于未来超高效飞机设计中。长期阶段（未来50年后），在发动机和飞机中，燃料的CO2排放极低甚至为零。

　　一类替代燃料为合成燃料，其原料主要是煤炭、天然气和其他碳氢化合物，通过Fischer-Tropsch（FT）过程对原料进行合成。其化学特性和性能与传统燃料相近，但含微量硫磺和芳香烃，并且其氢/碳比（C/H）较高，这就可能大大减少PM排放和二次排放及少量减少CO2排放。但合成燃料在燃料制备过程中需要消耗能源，虽然排放降低了，但对于航空公司来说，燃料的本身的价格需要增加，同时该类型燃料为不可再生燃料，因此合成燃料技术的应用前景有限。

　　另一类替代燃料为生物燃料（又称再生燃料），主要从生物油中获取。使用生物燃料的全部CO2排放有望比化石燃料减少80%；此外，生物燃料含杂质（比如硫）更少，因此二氧化硫和煤烟的排放会大大减少。第一代生物燃料以粮食作物为原料，主要来源为玉米、小麦和大豆等，由于这种燃料占用耕地太多且对人类粮食供应造成威胁和影响，因此到目前为止，第一代生物燃料也没能在燃料使用中在占较大份额。目前世界各国着力研究第二代生物燃料，其原料采用生产率更高的植物，如海藻、盐土植物和高纤维质植物，提高了燃料供给能力，同时解决了第一代生物燃料存在的“与粮争地”和“与人争食”的问题。

　　为争夺未来市场竞争中掌握更多的行业话语权，飞机制造商在生物燃料开发技术大潮中首当其冲，2008年至今，多家航空公司与飞机制造商联合开展进行了大量的生物燃料飞行试验。在2011 年7 月，德国汉莎航空公司（Deutsche Lufthansa AG）在全球第一个使用生物燃料的定期航班投入商业运营，南非约翰内斯堡机场已使用替代燃料多年。波音公司预计在2015年中期，生物燃料将在航空运输业重大规模使用。

　　我国在国家中长期科学和技术发展规划中制定了煤的清洁高效开发和液化应用，可再生能源低成本规模化开发利用以及新能源的开发利用等发展规划，国内企业以及相关高校纷纷开展煤变油（CTL）、天然气液化（GTL）和生物燃料（BTL）等相关技术的研发。

　　三、对民用航空发动机发展的思考

　　近年来，世界航空强国通过发展绿色航空技术，以达到抢占未来航空市场竞争的制高点。中国作为航空运输量世界排名第二的发展中国家，虽成为航空大国，但与航空强国还有一定的差距，面对日益严苛的环保标准和要求，针对绿色航空采用什么样的态度和措施是民用航空业发展的核心问题。笔者认为：

　　坚持以自主研究为主、对外开展专业化合作相结合的发展思路

　　民用航空发动机要满足极高的安全性、经济性、环保性以及舒适性等方面的要求，从而使民用发动机更强调经济、可靠、长寿命、低噪声、低排放等技术指标。如果在这些方面不具有很强的竞争力，将难以取得商业上的成功，这也是航空寡头抢占民用航空发动机市场的资本。经验和教训反复证明，航空发动机的核心技术是用金钱买不来、用市场换不来的，只能走自主创新之路。只有通过自主技术预先研究，提升自主研发水平，形成真正的高技术产业，才能在民用航空发动机市场占有一席之地。

　　国际合作是民用航空发动机发展的主要趋势，我国民用航空发动机研制基础薄弱，产品屈指可数。面对民机市场的激烈竞争，仅仅依靠自身能力很难打开局面。通过国际合作一方面可以利用国际资源，加快研制进度，降低研制风险，另一方面可借鉴国外在适航取证、开发市场、经营管理和售后服务方面的成功经验。

　　因此，现阶段必须要以民用飞机的特殊要求作为牵引和指导，在开展自主研究的同时，注重与国外专业化公司开展合作，系统开展民用发动机关键技术专项研究，形成独立而完整的发展体系，为“绿色、安全”的民用航空发动机提供坚实的技术基础和有力保障。

　　制定符合民用航空发动机研制规律的技术途径和实施方案

　　首先，需要根据民用航空发动机的特殊要求，制定长期规划并稳步实施。

　　其次，需要根据未来民用航空发动机技术发展趋势，开展民用航空发动机关键技术研究，打好基础，加强技术储备，并以市场需求为向导，技术验证为目标，发展成熟的核心机及验证机，提升自主研发水平。

　　第三针对民机市场需求，以国际合作为主，进行重点产品开发、产品维修，尽快进入民机市场。同时，在项目的带动下，逐渐建立并完善民用航空发动机研发体系，形成能适应市场变化的产业发展体系。

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