零碳目标推动涡轮风扇发动机技术持续发展

在所有关于电动和混动等新概念推进系统的讨论中，人们很容易认为燃气涡轮发动机将逐渐被取代。但随着航空业为实现零碳目标而采取的多种举措表明，由于燃气涡轮发动机具有较高的功率密度，并且在未来将使用可再生航空燃料（SAF）甚至氢气为燃料以实现脱碳的目标，涡轮风扇发动机制造商正进入一个新技术发展时代，从而保证了燃气涡轮发动机在未来的关键作用。从更大的涵道比和更小的核心机到新的燃料和混合动力，新技术的发展甚至比该行业在上世纪70年代石油危机后的各项改进更引人注目。

CFM国际公司在2021年透露了为2030年代的下一代客机研究一种开式转子发动机的计划。可持续发动机革新（RISE）计划的目标是，与目前的发动机相比，减少20%的燃料消耗和二氧化碳排放，并在20,000~35,000磅（9071~15875千克）推力的级别上成为目前Leap 1发动机的继任者。

演示项目的工作将在2022年进一步加强，以开发一个单级的、齿轮驱动的风扇，并在风扇后部配置主动定子。该计划预计在2025年左右进行飞行试验，包括一套颠覆性的技术，如新的燃烧室设计，以确保未来与SAF和液氢的兼容性，还包括整合电机和启动发电机以适应混合动力。除了这些特点，RISE计划还包括测试和开发一个小型核心机，以提高热效率，以及一个换热系统，用废气预热燃烧空气。同时还将使用先进的材料，如热端的陶瓷基复合材料（CMC）和树脂转移成型的复合材料风扇叶片。

图：CFM56涡扇发动机

同时，普惠公司正在进行GTF Advantage发动机的开发，这将为更大的飞机（如空客A321XLR）提供额外的发动机选项，同时保持在翼时间。改进后的发动机自2021年3月以来一直在普惠公司的波音747SP飞行试验台上进行飞行测试，并将于2023年获得认证，计划于2024年1月开始在空客A320neo系列上使用。

在此之后，普惠公司正在研究对GTF进行更加雄心勃勃的升级，这些升级围绕着三个主要的举措：混合电动运营的适应性，提高热力学性能和改善推进效率。该公司正在积极研究将发动机发展成并联式涡轮电力混合动力的计划，这将涉及到整合安装在发动机高压轴上的启动发电机和低压轴上的发电机。发动机热效率将随着材料与核心机设计的改进而不断提升，而推进效率的改进将主要集中于GTF发动机较短的进气道设计，这将有助于减轻重量和减少阻力。

图：普惠GTF涡扇发动机

罗罗公司将在2022年开始测试其全尺寸的UltraFan演示样机，并强调了其齿轮风扇概念的可扩展性，可以涵盖单通道和双通道客机的需求。罗罗公司还重建了Advance3演示器以验证UltraFan新的高压核心机，并计划于2022年进入UltraFan核心机的第二个主要测试阶段。

除了这些目前的燃气轮机技术发展，发动机制造商正在与研究机构、飞机制造商和监管机构合作，以确定下一代更可持续推进系统的技术路径。SAF的广泛开发和使用将为这些未来系统提供短期的桥梁，但更长远的愿景还包括更多的电力、混合电力和氢动力的概念。

所有的发动机制造商现在都在与飞机制造商、研究人员和操作人员进行SAF的项目合作，以期实现100%使用SAF燃料，并促进SAF的全面生产计划。2021年12月，美国联合航空公司与GE合作，在一架波音737-8飞机上，由一台发动机使用传统燃料，另一台发动机使用100%的SAF进行了飞行试验。目前，在飞机上使用的SAF比例限制在50%，因为这种燃料缺乏常规喷气燃料中的芳香烃，而这些碳氢化合物是满足现有燃料规格所必需的。

与此同时，根据11月宣布的一项协议，普惠公司正在与巴西航空工业公司（Embraer）合作，在2022年对配装PW1900G发动机的E195-E2进行100%的SAF飞行测试。普惠公司表示，最近披露的GTF Advantage发动机已被设计为从2024年服役开始就使用100%的SAF。

罗罗将在UltraFan发动机上测试SAF，并承诺到2023年将所有的遄达系列发动机与100%的SAF兼容。2021年早些时候，空客在其747-400飞行试验台上以100%的HEFA为燃料，进行了遄达XWB发动机的飞行试验；今年10月，又对遄达1000发动机进行了100%HEFA的飞行试验。根据ECLIF3与德国航空中心DLR和SAF生产商Neste进行的研究，空客的飞行结果表明，与传统的喷气燃料相比，替代燃料的颗粒物排放更少、能量更高。

图：罗罗Trent 1000涡扇发动机

在欧洲，作为其2020年公布的零排放飞机发展战略的一部分，空客将在2022年继续完善下一个单通道客机的设计及其动力系统的发展路线。尽管发动机制造商正在研究评估燃烧室和燃料系统是否能够使用液氢和气态氢，但整个行业的焦点都集中在一个更大的问题上，即氢燃料生产的基础设施是否能够支持空客在本世纪30年代末期将氢动力飞机投入使用的目标。

液氢似乎正逐渐成为英国政府支持的FlyZero项目中首选的未来可持续燃料——该项目是由航空航天技术研究所（Aerospace Technology Institute）进行的一项研究，目标是到2030年实现零碳排放的商业航空旅行。该项目的成果将于2022年初公布，预计将包括支线客机、单通道客机和中型客机的概念设计以及技术路线图、市场经济报告和可持续性评估。

FlyZero发布的最新的、也是最大的一款中型概念飞机，由一对以液氢为燃料的涡轮风扇发动机提供动力，能够搭载279名乘客飞越5250海里（9723千米）的航线。这项研究已经确定了多种样式的机体结构、系统和推进技术，以及用于加注燃料的基础设施和地面设备，其中包括不带燃料箱的机翼设计、低温氢气罐和燃料系统、燃料电池、电力系统和以氢气为燃料的燃气涡轮发动机。

图：空客氢能源概念飞机

美国航空航天局（NASA）可持续飞行国家伙伴关系（SFNP）正在进行类似的工作，以在2050年将航空碳排放比2005年减少一半。作为SFNP的一部分，NASA还启动了混合热效率核心机（HyTEC）项目，以开发具有更小核心和更高旁路比的未来喷气发动机。HyTEC项目的目标是比当前的涡扇发动机降低5%~10%的燃油消耗，并希望发动机的功率提取从目前的5%提高到20%，从而为飞机系统提供更多的电能。HyTEC项目分为两个主要阶段，目标是在2026年运行一个演示用核心机。

根据今年10月授予的一系列HyTEC合同，通用航空和普惠公司目前正在与美国航天局合作，开发先进机匣处理和先进设计，使其具有更小部件和更紧密的间隙，并使小型核心机压气机能够保持可操作性，同时优化性能和效率；通过开发先进的叶片和冷却设计以及空气动力学特性，实现更高效的涡轮运行；开发用于燃烧室的陶瓷基复合材料（CMC）内衬，以提高性能和耐用性；为涡轮叶片开发CMC和环境屏障涂层（EBC），以提高涡轮温度和效率。

NASA已经启动了电推进飞行示范系统（EPFD），作为兆瓦级电气化飞机推进（EAP）技术计划的一部分，2021年10月，NASA将EPFD合同授予通用航空和MagniX公司，包括未来三年内的地面和飞行演示。根据价值1.79亿美元的合同，通用航空将生产单通道级别的示范动力系统，预计总功率约为1.5兆瓦。根据7430万美元的合同，MagniX将开发一套500千瓦的系统，适用于19座的支线飞机。

来源：中国航空报

（中国航空报）

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。