零碳目標推動渦輪風扇發動機技術持續發展

導讀：據美國航空周刊網站2021年12月13日刊文，在所有關于電動和混動等新概念推進系統的討論中，人們很容易認為燃氣渦輪發動機將逐漸被取代。但隨著航空業為實現零碳目標而采取的多種舉措表明，由于燃氣渦輪發動機具有較高的功率密度，并且在未來將使用SAF甚至氫氣為燃料以實現脫碳的目標，渦輪風扇發動機制造商正進入一個新技術發展時代，從而保證了燃氣渦輪發動機在未來的關鍵作用。從更大的涵道比和更小的核心機到新的燃料和混合動力，新技術的發展甚至比該行業在上世紀70年代石油危機后的各項改進更引人注目。

值得關注的新技術包括：開式轉子、齒輪傳動和小型核心機，而可持續航空燃料及其混合適應性將是關鍵。

CFM國際公司在2021年透露了為2030年代的下一代客機研究一種開式轉子發動機的計劃?？沙掷m發動機革新（RISE）計劃的目標是，與目前的發動機相比，減少20%的燃料消耗和二氧化碳排放，并在20,000-35,000磅推力的級別上成為目前Leap 1發動機的繼任者。

演示項目的工作將在2022年進一步加強，以開發一個單級的、齒輪驅動的風扇，并在風扇后部配置主動定子。該計劃預計在2025年左右進行飛行試驗，包括一套顛覆性的技術，如新的燃燒室設計，以確保未來與SAF和液氫的兼容性，還包括整合電機和啟動發電機以適應混合動力。除了這些特點，RISE計劃還包括測試和開發一個小型核心機，以提高熱效率，以及一個換熱系統，用廢氣預熱燃燒空氣。同時還將使用先進的材料，如熱端的陶瓷基復合材料（CMC）和樹脂轉移成型的復合材料風扇葉片。

同時，普惠公司正在進行GTF Advantage發動機的開發，這將為更大的飛機（如空客A321XLR）提供額外的發動機選項，同時保持在翼時間。改進后的發動機自2021年3月以來一直在普惠公司的波音747SP飛行試驗臺上進行飛行測試，并將于2023年獲得認證，計劃于2024年1月開始在空客A320neo系列上使用。

再此之后，普惠公司正在研究對GTF進行更加雄心勃勃的升級，這些升級圍繞著三個主要的舉措：混合電動運營的適應性，提高熱力學性能和改善推進效率。該公司正在積極研究將發動機發展成并聯式渦輪電力混合動力的計劃，這將涉及到整合安裝在發動機高壓軸上的啟動發電機和低壓軸上的發電機。發動機熱效率將隨著材料與核心機設計的改進而不斷提升，而推進效率的改進將主要集中于GTF發動機較短的進氣道設計，這將有助于減輕重量和減少阻力。

羅羅公司將在2022年開始測試其全尺寸的UltraFan演示樣機，并強調了其齒輪風扇概念的可擴展性，可以涵蓋單通道和雙通道客機的需求。羅羅公司還重建了Advance3演示器以驗證UltraFan新的高壓核心機，并計劃于2022年進入UltraFan核心機的第二個主要測試階段。

除了這些目前的燃氣輪機技術發展，發動機制造商正在與研究機構、飛機制造商和監管機構合作，以確定下一代更可持續推進系統的技術路徑。SAF的廣泛開發和使用將為這些未來系統提供短期的橋梁，但更長遠的愿景還包括更多的電力、混合電力和氫動力的概念。

所有的發動機制造商現在都在與飛機制造商、研究人員和操作人員進行SAF的項目合作，以期實現100%使用SAF燃料，并促進SAF的全面生產計劃。2021年12月，美國聯合航空公司與GE合作，在一架波音737-8飛機上，由一臺發動機使用傳統燃料，另一臺發動機使用100%的SAF進行了飛行試驗。目前，在飛機上使用的SAF比例限制在50%，因為這種燃料缺乏常規噴氣燃料中的芳香烴，而這些碳氫化合物是滿足現有燃料規格所必需的。

與此同時，根據11月宣布的一項協議，普惠公司正在與巴西航空工業公司（Embraer）合作，在2022年對配裝PW1900G發動機的E195-E2進行100%的SAF飛行測試。普惠公司表示，最近披露的GTF Advantage發動機已被設計為從2024年服役開始就使用100%的SAF。

羅羅將在UltraFan發動機上測試SAF，并承諾到2023年將所有的遄達系列發動機與100%的SAF兼容。2021年早些時候，空客在其747-400飛行試驗臺上以100%的HEFA為燃料，進行了遄達XWB發動機的飛行試驗；今年10月，又對遄達1000發動機進行了100%HEFA的飛行試驗。根據ECLIF3 與德國航空中心DLR和SAF生產商Neste進行的研究，空客的飛行結果表明，與傳統的噴氣燃料相比，替代燃料的顆粒物排放更少、能量更高。

在歐洲，作為其2020年公布的零排放飛機發展戰略的一部分，空客將在2022年繼續完善下一個單通道客機的設計及其動力系統的發展路線。盡管發動機制造商正在研究評估燃燒室和燃料系統是否能夠使用液氫和氣態氫，但整個行業的焦點都集中在一個更大的問題上，即氫燃料生產的基礎設施是否能夠支持空客在本世紀30年代末期將氫動力飛機投入使用的目標。

液氫（LH2）似乎正逐漸成為英國政府支持的FlyZero項目中首選的未來可持續燃料——該項目是由航空航天技術研究所（Aerospace Technology Institute）進行的一項研究，目標是到 2030 年實現零碳排放的商業航空旅行。該項目的成果將于2022年初公布，預計將包括支線客機、單通道客機和中型客機的概念設計以及技術路線圖、市場經濟報告和可持續性評估。

FlyZero 發布的最新的、也是最大的一款中型概念飛機，由一對以液氫為燃料的渦輪風扇發動機提供動力，能夠搭載 279 名乘客飛越5250 海里的航線。這項研究已經確定了多種樣式的機體結構、系統和推進技術，以及用于加注燃料的基礎設施和地面設備，其中包括不帶燃料箱的機翼設計、低溫氫氣罐和燃料系統、燃料電池、電力系統和以氫氣為燃料的燃氣渦輪發動機。

美國航空航天局（NASA）可持續飛行國家伙伴關系（SFNP）正在進行類似的工作，以在 2050 年將航空碳排放比 2005 年減少一半。作為 SFNP的一部分，NASA 還啟動了混合熱效率核心機（HyTEC）項目，以開發具有更小核心和更高旁路比的未來噴氣發動機。HyTEC項目的目標是比當前的渦扇發動機降低 5-10%的燃油消耗，并希望發動機的功率提取從目前的 5%提高到20%，從而為飛機系統提供更多的電能。HyTEC項目分為兩個主要階段，目標是在2026年運行一個演示用核心機。

根據今年10月授予的一系列HyTEC合同，通用航空和普惠公司目前正在與美國航天局合作，開發先進機匣處理和先進設計，使其具有更小部件和更緊密的間隙，并使小型核心機壓氣機能夠保持可操作性，同時優化性能和效率；通過開發先進的葉片和冷卻設計以及空氣動力學特性，實現更高效的渦輪運行；開發用于燃燒室的陶瓷基復合材料（CMC）內襯，以提高性能和耐用性；為渦輪葉片開發CMC和環境屏障涂層（EBC），以提高渦輪溫度和效率。

NASA已經啟動了電推進飛行示范系統（EPFD），作為兆瓦級電氣化飛機推進（EAP）技術計劃的一部分，2021年10月，NASA將EPFD合同授予通用航空和MagniX公司，包括未來三年內的地面和飛行演示。根據價值1.79億美元的合同，通用航空將生產單通道級別的示范動力系統，預計總功率約為1.5兆瓦。根據7430萬美元的合同，MagniX 將開發一套500千瓦的系統，適用于19座的支線飛機。