欧洲清洁航空计划加快推进未来客机推进系统研究

2024年1月8日至12日,欧洲清洁航空计划执行董事Axel Krein在佛罗里达州奥兰多举行的美国航空航天学会(AIAA)2024技术研讨会议上指出:“航空业实现未来可持续发展目标的希望取决于推进技术的颠覆性突破,我们非常关注推进力。”与清洁航空的两个先行者计划(洁净天空1/2,安排约500个研究项目)相比,清洁航空只有28个项目,预计不会有更多的项目进入,“最多可能再增加15-20个。”

清洁航空计划共设5个子计划,分别为:混电动力飞机、氢动力飞机、超高效中短程飞机和交叉领域。其中超高效中短程飞机包括7个项目,首批启动的5个项目中,3个关注的是超高效推进系统,目标是为空客未来单通道飞机的三种发动机选择奠定基础。三个项目分别是:Heaven(虚拟新颖设计氢发动机架构)、Switch(可持续喷水涡轮风扇结合混合动力)、Ofelia(航空环境低影响开式风扇)。

Heaven(虚拟新颖设计氢发动机架构)是一个基于罗罗公司超高涵道比UltraFan发动机小型化版本的氢和混合燃气涡轮发动机项目。耗资3560万欧元,旨在将UltraFan概念缩小到中短程市场,并将其与混合动力技术和直接氢(H2)燃烧相结合,目标是在飞机层面减少30%的燃油消耗,其中20%将来自发动机。其中10%已经过验证可由UltraFan架构获得。

Switch(可持续喷水涡轮风扇结合混合动力)项目由MTU航空发动机公司主导,耗资约6789万欧元,是基于普惠公司PW1100G齿轮传动涡轮风扇的喷水和混合动力衍生发动机。Switch项目的目标是与现有发动机相比减少25%的燃油消耗,并将MTU开发的水增强型涡轮风扇(WET)概念与普惠PW1100G齿轮传动涡轮风扇的混合动力架构结合起来。Switch还可解决降低氮氧化物(NOx)和尾迹的问题。WET概念中,废气加热产生的蒸汽被注入燃烧室,加湿的质量流含有比空气多得多的可提取能量。将所利用的液态水加压到必要的压力,所需的功率比压缩空气的功率小两个数量级,这就减少了发动机的内部功率需求。与传统的燃气轮机相比,两者都可以带来明显的比功率增加。将通常未使用的废气热量回收到系统中,可使热力学效率显著提高。通过蒸汽发生器下游的冷凝器,水被转化到液态,然后从废气-蒸汽混合物中回收。蒸汽(约30%核心机流量)和湿燃气提高了功率系数,可以减小核心机尺寸和降低NOx排放;蒸汽由排气热量加热,提高了整体效率并减少燃油消耗和二氧化碳排放(较GTF2降低10%);使用泵为液态水加压,效率高,能量需求少,可以减小核心机尺寸并提高涵道比;尾气中的水经过冷凝并重新进入循环可以减少尾迹排放。

Ofelia(航空环境低影响开式风扇)项目由赛峰公司领导,支持CFM公司的可持续发动机革命性创新(RISE) 开式风扇发动机技术。该项目耗资1.392亿欧元,目标是在2026年至2027年的清洁航空计划第二阶段,对大型开放式风扇发动机进行地面测试,进而在空客A380飞行试验台上进行飞行测试。基线开式转子发动机使用改进的通用电气Passport发动机作为燃气发生器,也将在GE航空的波音747-400飞行试验台上进行测试。

按照清洁航空计划安排,到2025年,上述项目将通过地面试验使技术成熟度达到TRL4。选定的技术将于2026年进入第二阶段,并通过集成演示在2028年达到TRL6。