间冷回热循环航空发动机

间冷回热循环航空(IRA)发动机是一种装有间冷器和回热器的涡扇发动机，与传统涡扇发动机相比，IRA发动机在降低耗油率方面具有明显的优势。

简介间冷回热循环航空(IRA)发动机是一种装有间冷器和回热器的涡扇发动机，与传统涡扇发动机相比，IRA发动机在降低耗油率方面具有明显的优势。除了减少高压压气机转子的加功量以外，间冷器降低了高压压气机的进口温度及出口温度，相应提高了回热器的效率。在空气进人燃烧室之前，回热器能够回收低压涡轮出口的废热，对空气进行预热，从而降低了耗油率。无论是在起飞状态还是在巡航状态，面积可调的低压涡轮能确保低压涡轮保持足够高的出口温度,充分发挥了回热器的作用,从而在整个功率范围内大幅度降低了间冷回热循环航空发动机的耗油率。

发展历程间冷回热循环航空发动机的空气进人进气道后，首先经过风扇和低压压气机的压缩，然后流人间冷器进行冷却。从间冷器流出的冷却空气经过高压压气机压缩后，通过导管流人位于低压涡轮后的回热器。在回热器中，由高压 压气机流出的空气从低压涡轮较高温度的排气中吸收热量，并被预热，最后再通过导管流回燃烧室。由于从排气中回收了一部分热量，燃烧室只要有较低的温升就可达到高压涡轮的目标进口温度，从而减少了燃油用量。流出燃烧室的燃气再经高压涡轮和面积可调的低压涡轮的扩压，通过排气喷管排出，最后产生飞机所需的推力。

20世纪研究IRA已取得的成就20世纪60~ 70年代，人们就已经认识到热交换器(间冷器和回热器)具有提高燃气涡轮发动机性能的潜力，并进行了大量的理论和试验研究。研究发现，将间冷器引人燃气涡轮发动机具有以下优点: 能够大大降低驱动高压压气机所需的功输入(提高发动机的单位功率);可以采用较小的核心机，或在核心机大小一定的情况下， 能够获得较大的推力，可用冷却器冷却空气，可在所有推力下适当提高发动机性能;燃烧室进口温度较低，易于设计热端部件，且能够降低NO的排放量。

但是，与此同时，也必须解决以下问题:由于最优的总压比较高，需要更多级压气机和涡轮，需要提高静态和动态燃气负荷，因此，影响了转子叶片、核心机机匣和高压轴推力轴承的负荷，核心机尺寸小，降低了部件效率需要更多的压气机可调级或放气阀，还可能需要涡轮可调，以控制压气机的工作线。

将回热器引人燃气涡轮发动机带来的好处是:由于最优总压比明显降低，简化了叶片机的设计，并可以使用冷却空气作为冷却介质，提高了部分推力状态的性能，特别是在涡轮采用可调面积导向器的情况下，大大提高了总压比有限的小发动机的性能，在一定的推力下，可以减小涡扇发动机的涵道比和减少低压涡轮所需的级数，降低低压涡轮的噪声。

但是，与此同时，将回热器引入燃气涡轮发动机也面临着以下问题:在大推力下，较大发动机的收益很小费用增加、质量增大、复杂性增加承受热负荷的回热器耐久机械性能差较高的燃烧室进口温度可能提高NO、的排放量。

间冷器在高、低压压气机间引人间冷器，允许热效率相对独立于压比， 且允许将最优压比控制在25~ 30。间冷器不但降低了压气机的性能要求，而且降低了压气机的工作温度。这样，压气机出口空气温度和涡轮排气温度间存在较大的温度差，可以从涡轮排气中更多地吸收热量，有效地提高燃烧室进口温度。由于间冷器增加了发动机的质量和费用，所以间冷器的气动热力设计特别关键。

回热器位于低压涡轮热排气流中的整个回热器组件(包括机匣和连接管路)1都由MTU公司在欧洲的EEFEA计划下研制。它充分利用了MTU公司在换热器技术计划(AEROHEX)中发明的型面管基结构的换热器技术，具有结构紧凑和耐大的温度梯度的特性。MTU公司开发这种类型的换热器已有较长的历史，现已应用于陆基燃气轮机上。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所