■ 韓玉琪 李明 廖忠權(quán) 劉英杰 / 中國(guó)航發(fā)研究院

德國(guó)MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司于2022年11月29日宣布，其牽頭開展的包含混合電推進(jìn)的可持續(xù)噴水渦扇（SWITCH）項(xiàng)目獲得歐盟清潔航空（Clean Aviation）計(jì)劃資助。SWITCH項(xiàng)目的研發(fā)目標(biāo)是顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，并大幅降低飛機(jī)在整個(gè)運(yùn)行包線內(nèi)的排放，將中短程（航程4000km以內(nèi)）飛機(jī)的二氧化碳排放降低25%，氮氧化物排放降低80%，尾跡生成降低50%。

歐盟清潔航空是清潔天空（Clean Sky）的后續(xù)計(jì)劃，研發(fā)重點(diǎn)包含3個(gè)領(lǐng)域：混合電推進(jìn)支線飛機(jī)、超高效中短程飛機(jī)和氫動(dòng)力飛機(jī)。目標(biāo)是2030年時(shí)將飛機(jī)的溫室氣體排放量與2020年最先進(jìn)的技術(shù)相比降低不少于30%。該計(jì)劃在第一階段中，首批撥款6.54億歐元，資助20個(gè)航空研究和創(chuàng)新項(xiàng)目，其中包括SWITCH項(xiàng)目。

項(xiàng)目背景

在SWITCH項(xiàng)目中， 德國(guó)MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司將主導(dǎo)水增強(qiáng)渦扇（WET）系統(tǒng)和并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)與普惠公司的齒輪傳動(dòng)渦扇（GTF）發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)相結(jié)合。此外，SWITCH項(xiàng)目的動(dòng)力系統(tǒng)將能夠使用可持續(xù)航空燃料（SAF），并為未來使用氫燃料做好準(zhǔn)備。

SWITCH 項(xiàng)目同時(shí)得到了清潔航空計(jì)劃和英國(guó)研究與創(chuàng)新（UKRI）機(jī)構(gòu)的支持，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)6789 萬歐元，其中歐盟資助4850 萬歐元。項(xiàng)目獲批資金涵蓋第一階段（至2025年年底）工作，包括測(cè)試GTF 發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)改進(jìn)型版本，以及設(shè)計(jì)和測(cè)試WET 系統(tǒng)，并將其與其他動(dòng)力系統(tǒng)集成。項(xiàng)目的目標(biāo)是在第一階段結(jié)束時(shí)，WET 系統(tǒng)達(dá)到技術(shù)成熟度（TRL）4 級(jí)，混合電推進(jìn)系統(tǒng)達(dá)到TRL5；后續(xù)視情尋求資金開展第二階段（2026—2030 年）工作，包括該技術(shù)的地面和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)劃提升SWITCH 項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)至TRL6，如圖1 所示。

圖1 配裝SWITCH項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)示意

項(xiàng)目分工

SWITCH項(xiàng)目由MTU公司主導(dǎo)，普惠公司、柯林斯航宇公司、空客公司、吉?jiǎng)P恩（GKN）公司等航空航天企業(yè)，以及來自11個(gè)歐美國(guó)家的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)（包括希臘塞薩洛尼基亞里士多德大學(xué)、瑞典查爾默斯理工大學(xué)、德國(guó)斯圖加特大學(xué)和德國(guó)航空航天中心等）參與。

MTU公司主要負(fù)責(zé)研發(fā)WET系統(tǒng)。該系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中回收高溫水蒸氣，并將其重新注入燃燒室，并通過沖洗發(fā)動(dòng)機(jī)中積累的碳煙來減少尾跡云的形成。目前，MTU公司正在開發(fā)WET系統(tǒng)的蒸汽渦輪和水回收裝置。

普惠公司主要負(fù)責(zé)將并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)和WET系統(tǒng)集成到GTF發(fā)動(dòng)機(jī)中，并提供蒸汽噴射燃燒室。普惠公司通過由美國(guó)能源部預(yù)先研究計(jì)劃局（ARPA-E）資助的氫蒸汽噴射間冷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（HySIITE）項(xiàng)目，積累了在氫渦輪動(dòng)力中集成并使用蒸汽注入-回收系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。

柯林斯宇航公司主要負(fù)責(zé)提供兆瓦級(jí)電動(dòng)發(fā)電機(jī)（包括高壓軸上的500kW機(jī)組和低壓軸上的1MW機(jī)組），以及電力電子設(shè)備、高壓直流配電和保護(hù)系統(tǒng)、冷凝器等熱管理組件和容納這些組件的新型短艙架構(gòu)，并尋求最大程度地優(yōu)化反推裝置?？铝炙褂詈焦居?jì)劃將在伊利諾伊州羅克福德市投入使用的新設(shè)施驗(yàn)證SWITCH的集成電力系統(tǒng)，同時(shí)合作伙伴準(zhǔn)備在柯林斯宇航公司的“電網(wǎng)”(The Grid）實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證集成動(dòng)力系統(tǒng)。

吉?jiǎng)P恩公司主要負(fù)責(zé)研發(fā)混合電推進(jìn)GTF發(fā)動(dòng)機(jī)所需的架構(gòu)，包括集成電機(jī)、蒸汽發(fā)生器和換熱器，公司旗下的?？斯矩?fù)責(zé)開發(fā)高壓配電和布線系統(tǒng)。

空客公司主要負(fù)責(zé)評(píng)估收益并確保從飛機(jī)層面的系統(tǒng)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)這些收益，包括SWTICH技術(shù)的飛發(fā)集成，以及評(píng)估包括飛機(jī)設(shè)計(jì)、電池和能源管理系統(tǒng)在內(nèi)的各種性能優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵技術(shù)

SWITCH項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)主要由WET系統(tǒng)、并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)與GTF發(fā)動(dòng)機(jī)三大部分構(gòu)成，如圖2所示，各部分的關(guān)鍵技術(shù)各有側(cè)重。

圖2 SWITCH項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)組成及原理

WET系統(tǒng)

WET系統(tǒng)（見圖3）可顯著改善巡航階段對(duì)氣候的影響，該技術(shù)有望減少15%～20%的二氧化碳排放、80%的氮氧化物排放以及約50%的尾跡形成，計(jì)劃2035年投入市場(chǎng)。

圖3 WET系統(tǒng)原理示意

WET系統(tǒng)通過使用蒸汽發(fā)生器蒸發(fā)水并將其注入燃燒室的“濕燃燒”方式，從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中回收余熱并加以利用，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，從而達(dá)到降低油耗的效果；同時(shí)，水蒸氣的高比熱容有助于降低燃燒室高溫區(qū)溫度，從而抑制氮氧化物生成；排氣中大多數(shù)碳煙顆粒被沖刷也有助于減少尾跡的產(chǎn)生。WET系統(tǒng)在GTF發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，其工作循環(huán)過程為：蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生熱蒸汽，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣在此過程中被冷卻，當(dāng)排氣在冷凝器中進(jìn)一步冷卻時(shí)，所含的水蒸氣開始冷凝，冷凝放熱被外涵道氣流吸收、液態(tài)水在水分離器中與排氣分離，在此過程中冷凝核也被從排氣中沖洗出來，增壓泵將水加至高壓并輸送至蒸汽發(fā)生器，熱蒸汽在蒸汽渦輪中膨脹做功后進(jìn)入燃燒室，產(chǎn)生的動(dòng)力通過低壓軸輸出。

WET系統(tǒng)所包含的冷凝器、蒸汽發(fā)生器和水分離器等零部件將使發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)質(zhì)量增加約50%，使發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度更長(zhǎng)，也帶來了更大的飛行阻力。MTU公司將和空客公司合作，探索一種將發(fā)動(dòng)機(jī)集成到機(jī)翼中的新方法，并通過降低耗油率使這一劣勢(shì)獲得更多補(bǔ)償。換熱系統(tǒng)也會(huì)帶來流路的一些總壓損失，進(jìn)而對(duì)整機(jī)性能帶來不利影響，增加了整機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)

并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)有助于降低飛機(jī)起飛、爬升、降落和滑行階段的污染物排放和噪聲水平，尤其是對(duì)中短程飛機(jī)而言，這些階段占整個(gè)飛行時(shí)間的比例較高，節(jié)油降噪的效果更為明顯。

并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)原理如圖4所示。起飛和爬升階段飛機(jī)需要較大推力，電動(dòng)系統(tǒng)可以提供一部分助力；巡航和著陸階段飛機(jī)需要的推力較小，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)多余的功可以儲(chǔ)存在電池中；通過電動(dòng)系統(tǒng)的“削峰填谷”效用，提升整個(gè)飛行過程的燃油效率。

圖4 并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)示意

當(dāng)前電池的能量密度和電機(jī)的功率密度較低是該系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，普惠公司估計(jì)該系統(tǒng)將增加1t的質(zhì)量；高空高壓的用電安全是需要重點(diǎn)考慮的因素，高電壓可以提高電力系統(tǒng)的效率并減輕質(zhì)量，但同時(shí)也會(huì)增加電弧放電的風(fēng)險(xiǎn)，空客公司的目標(biāo)是達(dá)到800V電壓。

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)通過減速器來降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提高涵道比、降低排氣速度以提高推進(jìn)效率，達(dá)到降低耗油率和噪聲的效果。

受風(fēng)扇葉片榫根與輪盤強(qiáng)度的限制，風(fēng)扇葉片的葉尖速度一般不超過 400 ～ 450m/s，而傳統(tǒng)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇部件直徑又很大，這導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速被限制得較低，也即與其同軸工作的低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低，導(dǎo)致低壓轉(zhuǎn)子效率低、級(jí)數(shù)多。風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)之間引入齒輪減速器，可使兩者可在各自的最佳轉(zhuǎn)速下工作，低壓渦輪可采用更高轉(zhuǎn)速?gòu)亩鴾p少級(jí)數(shù)，如現(xiàn)役的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)PW1100G-JM低壓渦輪僅為3級(jí)，比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)少了4級(jí)。

高速大功率齒輪減速器是GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵，對(duì)傳動(dòng)效率、散熱、可靠性和耐久性要求極高，需要經(jīng)過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證。PW1100G發(fā)動(dòng)機(jī)的齒輪減速器在全功率工作時(shí)，傳遞的功率超過22MW；羅羅公司正在研發(fā)的“超扇”（UltraFan）發(fā)動(dòng)機(jī)也采用了齒輪減速器，額定功率為50MW，試驗(yàn)測(cè)試中達(dá)到了64MW。

結(jié)束語

碳中和目標(biāo)對(duì)航空業(yè)提出了艱巨要求，而航空動(dòng)力的技術(shù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的關(guān)鍵。對(duì)于2035年左右投入使用的下一代商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)：CFM國(guó)際公司通過可持續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)革命性驗(yàn)證（RISE）項(xiàng)目來加速研發(fā)開式轉(zhuǎn)子架構(gòu)、先進(jìn)材料和混合電推進(jìn)系統(tǒng)等技術(shù)，以提升20%的燃油效率來實(shí)現(xiàn)減排；而隨著SWITCH項(xiàng)目的公布和開展，普惠公司和MTU公司的思路也逐漸清晰，即通過研發(fā)GTF架構(gòu)、WET系統(tǒng)和混合電推進(jìn)系統(tǒng)等技術(shù)來應(yīng)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)，以提升25%的燃油效率來實(shí)現(xiàn)減排；同時(shí)雙方都還將探索可持續(xù)航空燃料和氫燃料的使用。