我国开展高效间冷回热齿轮传动涡扇发动机研制可行性分析

　（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

       摘 要：间冷回热齿轮传动涡扇发动机具有经济性好、“环境友好”等优点。本文介绍了间冷回热齿轮传动涡扇发动机发展现状，详细梳理了关键技术，从发展潜力、国内技术基础、风险分析等方面论证了我国发展间冷回热齿轮传动涡扇发动机的可行性。

　　关键词：间冷回热、齿轮传动、可行性

　　前言

　　面向未来后续大型军用运输机发展和“战略空军”发展，针对作战部队大量运送能力、快速反应能力、机动作战能力、持续作战能力等新的、更高的要求，形成对敌方最大战略威慑；积极落实“动力先行”发展战略，开展高效间冷回热齿轮传动大涵道比涡扇发动机研制。

　　间冷回热齿轮传动涡扇发动机采用先进齿轮转动装置和高效间冷回热器系统。间冷回热循环系统中，气流经低压部件压缩后流入间冷器进行冷却，之后经高压部件压缩并流入位于低压涡轮后的回热器，在回热器中与低压涡轮后排气热交换，最后再通过导管流入燃烧室；这一循环能够降低高压部件的气流进口温度，明显降低发动机耗油率。

　　齿轮传动风扇技术则可使低压转子在高效率转速下工作，实现与高压部件的最佳匹配，同时降低风扇叶片的叶尖速度，以达到降低耗油率和噪声的目的。

　　1.国外发展现状

　　间冷回热航空发动机（IRA）的技术研究可追溯至 20 世纪 40 年代。

　　德国为了增加 Me264 轰炸机的航程，于 1943 年首次提出热交换发动机概念，为一种回热涡桨发动机。同年，英国为了降低商业航线飞机的油耗，增加其航程，首次将回热器安装在航空发动机上，构成 BristolTheseus 回热涡桨发动机。

　　1950-1970 年之间，出现了多种带换热器的航空发动机概念和试验发动机，如美国的 T56-A-7、T78-A-2、T63-A-5 和 T53-L-9 回热发动机，德国的间冷回热桨扇发动机概念，前苏联的 AL-34-1 和 AL-34-2回热发动机等。其中，T63-A-5 回热涡轴发动机于 1967 年 10 月被安装在一架 YOH-6A 直升机上进行了 50h 的飞行试验，这是带换热器发动机唯一的一次载人飞行试验。

　　1970～2000 年，一方面由于常规循环航空发动机技术水平不断提高，同时轻质高效换热器技术并未取得突破；另一方面，燃油价格和环境压力并未成为航空发动机设计的关键驱动力，民用间冷回热航空发动机研究趋于停滞。但由于间冷回热技术降低红外信号等潜在的军事用途，各国提出了大量的无人机和直升机用间冷回热航空发动机概念，这些发动机绝大多数都没有被制造和试验，仅进行了概念研究和方案论证。

　　图 1 间冷回热航空发动机技术发展历程及成果进入 21 世纪后，由于能源危机的压力和对环境污染的关注，间冷回热航空发动机再次成为研究热点。为了进一步提高航空发动机的热效率，降低航空发动机的耗油率和 NOX 排放量，欧盟提出了很多涉及间冷回热航空发动机的研究计划，如 FP5 下的环保型航空发动机部件验证（CLEAN）计划、FP6 下的新型航空发动机方案（NEWAC）计划和 FP7 下的清洁天空（Clean Sky）预研计划等，持续支持间冷回热航空发动机技术研究。另外，德国 MTU 公司内部的洁净航发动机（CLAIRE）计划也将换热器技术列为重要技术基础。其中，间冷回热发动机的技术成果如图 1 所示。

　　在 CLEAN 计划的支持下，德国 MTU 和法国 SNECMA 公司等提出并研究了间冷回热循环发动机技术。目标是使 CO2 排放降低 20%（相比 1995 年技术的发动机） 和使 NOX 排放降低 80%（相比CAEP/2）。经理论与试验研究，结果为 CO2 排放降低 16%，NOX 排放降低 60%。由于间冷回热航空发动机技术复杂，2015 年前不考虑飞行验证，实际使用在 2020 年以后[1]。

　　CLAIRE 计划是 MTU 内部技术计划，分 3 步进行： （1）2005～2014年，完成齿轮传动涡扇发动机的研究，实现较 2005 年水平的 V2500 发动机的耗油率降低 15%的目标；（2）2015～2025 年，完成对转涡扇发动机的研究，实现较 2005 年水平的 V2500 发动机的耗油率降低 20%的目标，即实现 ACARE 的目标；（3）2025～2035 年，完成带间冷回热器的对转涡扇发动机的研究，实现较 2005 年水平的 V2500 发动机的耗油率降低 30%的目标，实现彻底的技术领先。目前，该计划各项研究工作正在开展。

　　齿轮传动涡扇发动机的概念最先由美国康莱明公司于 1963 年提出，目前世界上完成研制的主要有三个系列涡扇发动机，分别是美国康莱明公司（现霍尼韦尔国际公司）的 LF502/507 系列发动机、美国加雷特公司（现霍尼韦尔国际公司）的 TFE731 系列发动机和美国普?

　　惠公司的 PW1000G 系列发动机。

　　康莱明公司于 1969 年推出 LF502 发动机，主要用于商用和公务飞机，上世纪 70 年代取得适航证，后来又发展了 LF507 发动机。截至2005 年，LF502 发动机累计飞行时数超过 2400 万小时，LF507 发动机累计飞行时数达到 800 万小时。LF502/507 系列发动机的最大起飞推力为 3400 公斤，最大涵道比为 5.71。

　　加雷特公司于 1972 年推出市场反映非常好的 TFE731 发动机，目前 TFE731 发动机被认为是一种标准的公务机动力装置，至今已被 30余型飞机选用，其中包括一些军用教练机。截至 2005 年，投入使用的TFE731 系列发动机总计达 11700 多台，到 2009 年累计飞行时数超过 1亿小时。TFE731 系列发动机最大起飞推力为 2270 公斤，最大涵道比为 3.9。