間冷回熱循環發動機電子樣機設計

曾慶萬，馮松濤，馬　健（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

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間冷回熱循環發動機電子樣機設計

曾慶萬，馮松濤，馬健
（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

摘要：在追蹤和分析國外間冷回熱技術在航空發動機領域應用的基礎上，根據國內研究現狀，對間冷器和回熱器進行了模擬實驗研究。初步擬定了間冷回熱發動機總體結構方案，并將此結構方案建立為電子樣機。總結了間冷回熱發動機中各部件、系統，以及特有的間冷器管路系統和回熱器管路系統的布局規律。通過樣機建模，初步掌握了間冷回熱發動機總體結構方案設計特點，探索了各部件、系統的布局，為間冷回熱發動機的進一步研究積累了經驗。

關鍵詞：航空發動機；間冷回熱循環；結構布局；電子樣機；跟蹤探索

tracking and exploration

1　引言

鑒于航空運輸增量需求以及對經濟性和環保要求的提高，世界范圍內都在尋求適應未來航空運輸市場的創新型發展途徑，涉及推進技術的包括對現有型號發動機的改型和局部技術的創新，研發技術更高的下一代發動機以及新概念發動機等。間冷回熱發動機就是一種新概念航空發動機［1］。

間冷回熱循環發動機是一種在熱力循環上有別于現役航空發動機的高效推進器，主要體現在兩個環節：一是在增壓級與高壓壓氣機之間增加一個間冷器流通環節，利用從風扇出口引來的部分冷氣降低進入高壓壓氣機的空氣溫度，以提高高壓壓氣機加壓效率或減輕設計難度；二是在高壓壓氣機與燃燒室之間增加回熱器環節，利用渦輪出口燃氣的熱量進一步加熱進入燃燒室的空氣，這樣做首先可相對減少燃油消耗量，其次尾氣排放時污染物含量更低。由于其利用了降低發動機增壓級出口氣流的溫度而使高壓壓氣機效率更高、利用渦輪后排氣的高溫加熱進入燃燒室的氣流而使產生同等推力所需燃油更少，所以此形式的發動機具有燃油經濟性和環保優勢。在目前資源日漸枯竭、追求高的綜合效益的形勢下，更具發展前景［2］。

鑒于間冷回熱發動機的性能優勢，歐盟、美國、俄羅斯等啟動了多個研究計劃，如歐盟第5框架協議的CLEAN和AEROHEX計劃［3］，歐盟第6框架協議的NEWAC計劃［4］。多個研究機構和發動機公司參與了這些計劃，開展了大量的研究工作并取得階段性成果。為跟蹤國外技術研究，中國燃氣渦輪研究院進行了間冷器和回熱器的模型試驗研究，同時以現階段技術為背景完成整機結構方案設計，并進行建模以利于分析優化。

2　整機布局

間冷回熱渦扇發動機結構（圖1）包括：風扇、增壓級、高壓壓氣機、燃燒室、高低壓渦輪、噴管、外涵道、間冷涵道、間冷器、回熱器以及其他系統。

圖1　間冷回熱發動機結構總圖Fig.1 Structure of the intercooled recuperated aero-engine

頂層設計確定發動機的總體參數，各部件根據給定參數進行分析并完成部件方案設計，得到整個發動機的流道參數。依據流道數據，各部件進行初步的結構方案設計，然后由總體結構完成整機方案設計，同時協調部件間結構和尺寸。

在對發動機各部件進行布局優化時，考慮到需要盡量縮短發動機總體長度，高壓壓氣機采用一級軸流加一級離心的組合。同時，將間冷器布置在更大半徑處的外涵道內，增壓級與高壓壓氣機間之間采用交叉進排氣管路連接。

3　支點布局及轉子連接

間冷回熱渦扇發動機需采用很大的涵道比，在風扇直徑很大的情況下其轉速需要降低以適應現階段材料的強度，這就造成風扇與增壓級（低壓渦輪）不能在共同轉速下運轉，必須增加減速齒輪箱以使風扇與增壓級（低壓渦輪）各自以最佳轉速工作。綜合考慮風扇和低壓轉子（增壓級與低壓渦輪）的工作情況，減速器的傳動比設計為2.94，結構為星型輪系，采用5個行星輪，見圖2。

圖2　減速器結構示意圖Fig.2 Structure of the retarder

轉子支承如圖3所示。風扇轉子采用兩個圓錐滾子軸承呈懸臂支承，由增壓級和低壓渦輪組成的低壓轉子采用1-1-0的支撐形式，由高壓壓氣機和高壓渦輪組成的高壓轉子采用1-0-1的支撐形式。

風扇轉子和低壓轉子前支點共同支承于增壓級進氣機匣，其載荷由風扇整流器傳至前安裝節。高壓轉子前支點支承于高壓壓氣機進氣機匣，其載荷也由風扇整流器傳至前安裝節。高、低壓轉子的后支點都支承于高低壓渦輪的級間機匣軸承座上，其載荷通過級間機匣傳至后安裝節。

高壓壓氣機轉子與高壓渦輪轉子通過鼓筒采用圓弧端齒連接傳遞載荷，并用精密螺栓緊固承受軸向載荷。增壓級與低壓渦輪采用套齒加端面壓緊螺母連接，并與減速器采用套齒傳遞扭矩。風扇轉子采用法蘭盤形式與減速器外殼連接。

4　間冷器/回熱器布局

由于間冷器是利用外涵中風扇整流器后的一部分氣流，冷卻來自增壓級出口經過了增壓加溫的氣流，這就需要在外涵道中專門設置一條間冷涵道。為便于間冷涵道中間冷器的安裝和管道的法蘭盤螺栓擰緊，間冷涵道的機匣設計成三段式。

圖3　間冷回熱發動機支點布局示意圖Fig.3 Pivot distribution of the intercooled recuperated aero-engine

如圖4所示，間冷器總共設置20個，5個一組安裝在由4個支板形成的4個扇形腔內。每組間冷器的后端設計有安裝法蘭邊，與間冷涵道第二段后端安裝邊連接固定，間冷器的前段與進排氣管道連接。

圖4　間冷器周向分布示意圖Fig.4 Circumferential distribution of intercooler

尾噴管中布置8個回熱器，上、下側各3個與發動機軸線呈一定角度布局，左、右兩側各1個與發動機軸線平行布局，如圖5所示。為最大化利用尾噴管中的熱量，提高換熱效率，應讓燃氣盡量流經回熱器芯體，這就要求各回熱器之間增加封嚴擋板，避免高溫燃氣從大的空隙中流出［5］。

圖5　回熱器在噴管中分布示意圖Fig.5 Distribution of recuperator in the nozzle

5　間冷器/回熱器管路布局

與傳統循環發動機相比，間冷回熱渦扇發動機中，除增加了間冷器和回熱器這兩大特殊部件外，還增加了與間冷器和回熱器相配的管路系統。

由于采用了新的熱力循環形式，間冷回熱發動機各腔室所用密封引氣、冷卻引氣等都會做很大調整。加之新增的間冷器、回熱器系統的管路，使得發動機其他管路的布局更加困難。管路系統的布局取決于間冷器在發動機中的安裝位置，最有利于核心機氣流流動的方案是加大增壓級和高壓壓氣機的軸向間距，將間冷器安排在其間。這樣從增壓級出來的氣流平直流過間冷器后不用改變流向直接進入高壓壓氣機，減小了氣動損失；但這種方案增加了發動機的長度和質量，也使來自外涵的冷卻氣流流路復雜化。另一種方案是將間冷器布局在外涵流道中，這樣不用考慮冷卻氣流的流入和排出問題，但外涵道中氣流流速過高，損失太大，同樣不適合；同時，來自增壓級的氣流需要引到外涵的流路較長，回到高壓壓氣機的流路也同樣較長。所以最佳布局位置是外涵道和核心機之間的環形空腔，但同時帶來另一個問題：流出增壓級的氣流流向改變及流出間冷器進入高壓壓氣機的氣流流向改變帶來的壓力損失。為此，提出一種利用相對較高的氣動載荷的S形擴張管道來分配增壓級的排氣，以樹枝狀離散地流進各個間冷器單元，同時利用C形管道加速流出間冷器的氣流，收集后進入高壓壓氣機，如圖6所示。

圖6　間冷器進、排氣管路結構示意圖Fig.6 Pipeline structure of inlet and exhaust of intercooler

對于增加了間冷器的發動機，其管路系統設計關鍵在于如何布置間冷器的進、排氣管路。由于主流量都流經此系統，所以管路系統的流通面積必須滿足增壓級出口空氣流量的要求、盡量減小壓力損失；同時也要考慮增壓級的不同結構形式對間冷器進氣管的布局的影響。如果采用軸流加離心方案，則到間冷器一段管道的路徑可依照離心壓氣機出口稍作匹配即可與間冷器連接；如果只采用軸流式壓氣機方案，則需要從增壓級出口到間冷器進口根據壓力損失和流速等要求設計特定路徑。

增壓級和間冷器之間的連接管道必須緊湊、輕質、高效及氣動損失最低，且氣流在進入間冷器時每個間冷器單元之間的流量要均勻，否則會影響壓氣機的正常工作。同樣，從間冷器流出進入高壓壓氣機的氣流也要能均勻流動，否則會造成高壓壓氣機進氣畸變，影響其正常工作。如果管路設計造成的不利影響較大，將抵消間冷器帶來的好處。

回熱器管路與間冷器管路布局的不同之處，在于發動機后部要增加較多的其他各部件間的系統管線，如渦輪冷卻引氣管路、軸承腔封嚴引氣管路等。

束管式回熱器單元體在發動機中的布局一般如圖7所示，上、下各3個，左、右各1個。上部3個回熱器分別在兩側將進氣管和排氣管接口連在一起，向前引伸至高壓壓氣機出口和燃燒室進口，下部同樣布置；左、右則各自將進、排氣管向前引至集氣環。

圖7　回熱器單元布置及管路走向示意圖Fig.7 Recuperator component distribution and pipeline layout

回熱器與高壓壓氣機以及燃燒室的連接，在周向可將回熱器的進、排氣管錯開布置，分別在高壓壓氣機出口和燃燒室進口處設置集氣環，與來自回熱器的管道連接，盡量保證燃燒室進氣均勻。

為便于安裝，來自回熱器進、出口的各個管路逐漸匯集后在穿過渦輪后機匣時采用分段設計思路，將一段管路焊接于渦輪后機匣上，其兩端采用法蘭連接形式。

6　安裝節及吊掛

根據發動機的載荷傳遞路線及機匣具體情況，兩個安裝節分別安排在風扇整流機匣和渦輪后機匣上（圖8）。

為加強整個發動機傳力機匣剛性，解決前后安裝節跨度較大帶來的兩個吊點之間結構會產生較大撓度的問題，在間冷涵道機匣外面設計一個中介安裝節，采用一個整體的承力大梁結構將三個點連接起來。這樣發動機中間部分的載荷可通過軸承機匣，傳至連接增壓級與高壓壓氣機結合部和外涵內機匣的增強鼓筒，再通過間冷涵道支板傳至大梁吊裝結構。

圖8　間冷回熱發動機安裝節吊掛Fig.8 Hanger of the intercooled recuperated aero-engine

7　結束語

在間冷回熱循環發動機的總體結構設計時，針對間冷器、回熱器布局進行了多次協調對比，包括中央傳動、附件機匣的調整，安裝節的布置，間冷器和回熱器管路的設計等。通過完成總體結構設計，基本掌握了間冷回熱發動機結構設計的思路和此類發動機特有的局部結構特點，為今后的技術設計打下了基礎。

由于項目任務性質和時間關系，本次設計中有多個方面未進行細節考慮，如間冷器、回熱器管路系統的特性分析，間冷器、回熱器在各自熱量交換空間的優化分析等，后續工作中應結合整機進行詳細的定量分析。

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.

［2］McDonald C F，Rodgers C. Heat-exchanged propulsion gas turbines: a candidate for future lower SFC and reduced emission military and civil aeroengines［R］. ASME GT2009-59156，2009.

［3］Boggia S，Rüd K. Intercooled recuperated gas turbine engine concept［R］. AIAA 2005-4192，2005.

［4］Rolt A M，Baker N J. Intercooled turbofan engine design and technology research in the EU framework 6 NEWAC programme［R］. ISABE 2009-1278，2009.

［5］Missirlis D，Yakinthos K，Seite O，et al. Modeling an installation of recuperative heat exchangers for an aero engine［R］. ASME GT2010-22263，2010.

Digital mock-up design of the intercooled recuperated cycle aero-engine

ZENG Qing-wan，FENG Song-tao，MA Jian
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Abstract：Based on the tracking and analysis of the application of intercooled recuperated technology on aero-engine overseas，according to the domestic research status，experiment research of intercooler and recuperator was carried out. The general structure of the intercooled recuperated aero-engine was primarily studied and built as digital mock-up. The layout rules of components，systems，and special intercooler pipeline and recuperator pipeline were summarized. By building the mock-up，the characteristics of project design for the intercooled recuperated aero-engine were grasped，and the layout of components and systems were explored，which provide a basement for the optimization of engineering design.

key words：aero-engine；intercooled recuperated cycle；structure layout；digital mock-up；

中圖分類號：V231.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2620（2016）01-0021-04

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-02-20

作者簡介：曾慶萬（1971-），男，四川大竹人，高級工程師，主要從事航空發動機總體結構設計。