综述
航空科学技术
绿色民用航空发动机关键技术
! 沈阳发动机设计研究所
摘要：随着降低排放与降低噪声技术的快速发展，!6世纪’6年代末，航空发动机设计与制造商提出了“绿色”发动机概念。该文综述了常规大涵道比涡扇发动机的三大“绿色”技术———先进的降低噪声技术、降低排放的技术和降低有害物质生成与排放的技术。关键词! 5绿色航空发动机成
降低排放
降低噪声
降低有害物生
梁春华
大量的降低噪声技术，并正在开发围巾式进口、叶型尾迹管理等新技术。
普・惠公司!6世纪$6年代末研制的
()!666、>!#66、()*666等发动机上得到了进一步的发展，目前正在开发和验证齿轮驱动涡扇发动
随
着市场竞争的日益激烈、环境要求的更加严格和人类健
类的健康和安全都产生最小影响的发动机，即从材料的获取、整机和零部件的设计、制造、使用、维护，直至报废后材料的重新利用等发动机的整个研制与使用过程，都是“环保、健康且安全”的。
目前，航空发动机设计与制造商将研究重点放在了开发和验证先进的降低噪声技术、显著降低排放的燃烧室技术和有效降低有害物质生成与排放技术上。一、降低噪声技术
机等更先进的技术。
罗・罗公司和斯奈克玛公司研制的湍达系列发动机、,-./6发动机和012#$发动机等已经取得了很好的降低噪声效果，并正在开发降低风扇噪声技术、发动机一体化技术、涡轮机械噪声抑制和采用智能控制的主动噪声控制技术等。
目前，()$666发动机采用一系列技术，满足了噪声标准规定的通用电气要求，并有!9?, 的裕度。
康要求的不断提高，民用大涵道比航空发动机的环保特性也在不断改善。
由于大涵道比涡扇发动机的噪声和排放物问题直接影响着民用航空发动机的使用和发展，!" 世纪$"年代以来，经过验证的降低噪声的弯掠叶片、吸声材料、双环腔低排放燃烧室、轴向分级低排放燃烧室等技术，已经应用在%&’"、
@普・惠发动机联盟目前研制的%(.!66发动机采用弯掠宽弦风扇叶片、风扇机匣声学处理、叶片数量与间距优化和小突片喷管等降噪技术，收到了明显的降噪效果。预计，!66. 年前后投入使用的
()*"+*、遄达+""、遄达’""、,-./"、012#$、%(.!""等大涵道比民用涡扇发动机上，并收到了很好的环保效果。
世!" 世纪’"年代后期以来，界著名的航空发动机设计与制造商又开发了更先进的降低噪声与降低排放技术，并提出了“绿色”发动机概念。
所谓“绿色”发动机，是指在整个寿命周期内对生态环境与人
3455降低噪声技术的发展世界著!6世纪$6年代以来，名航空发动机设计与制造商一直致力于降低噪声技术的开发和验证。
通用电气公司先后实施了安静发动机计划、安静清洁的短途试验性发动机（708&&）计划、高效计划和无涵道风节能发动机（&9）扇（:;1）发动机计划等，验证了
()+666齿轮驱动涡扇发动机将满足规定的噪声要求，并有96?, 的裕度。
!45降低噪声关键技术
航空发动机噪声是民用飞机的主要噪声源，特别是在起飞和着
航空科学技术・!""#年第$期
航空科学技术
综述
陆期间的主要噪声源。
由于发动机的噪声，包括由转子%静子尾迹与支板间相互作用产生的谐波噪声、涡流流动与盘腔共振产生的任意周期性噪声、发动机与燃烧室产生的宽频带噪声，因而，降噪需要通过优化发动机循环参数和采用先进降低噪声设计等多种途径。
（&）发动机先进循环设计改变发动机循环参数，如增大涵道比、减慢发动机的排气速度等，是降低大涵道比涡扇发动机噪声的可靠方法。但是，增大涵道比就要降低风扇的压比与转速，相应地，就降低了低压系统的效率。为了保持低压压气机与低压涡轮的效率，就要增加低压系统的级数。另外，降低风扇转速就要提高低压转子的力矩，相应地就要配以较大直径的轴，这样，核心机的盘和流路就要受到影响。而过多增大涵道，将会导致风比（增大到&"以上）
扇和低压压气机不匹配。为此，!" 世纪’"年代末，普・惠、菲亚特航空和()*等航空发动机设计与制造商开始联合开发大推力和小推力级的齿轮驱动涡扇发动机。
齿轮驱动涡扇发动机在风扇和低压压气机之间引入一个减速齿轮箱，使风扇转速根据风扇压比的需要选择得较低，以取得最大的效率和最低的噪声。低压压气机转速按常规涡扇发动机的要求选择得较快，以减少低压压气机和低压涡轮的级数，使低压系统与核心机设计得更紧凑，进而降低费用和减轻质量。这样，齿轮驱动涡扇发动机的各部件都在最优的转速下工作，在不牺牲低耗油率和低排放特
性的前提下，可最大程度地降低噪声。这一技术正在先进的涵道桨扇
而降低排气噪声。其中，小突片喷管，使流场结构便于在喷气剪切层混合，从而降低低频噪声。
围巾式短舱进口（短舱进口的下部较其上部向前伸出）是一种传统的降低噪声方案。!" 世纪
! +,-.验证机和先进技术的风扇集验证机上进行验证。成器（+)/0）
（! ）降低噪声设计
在降低发动机噪声方面，尽管采用先进的循环设计是可靠方法，但是，在发动机循环参数保持不变的情况下，更多的还是依赖部件的先进降低噪声技术和短舱%安装的降低噪声技术等。
经过多年的研究和验证，先进的部件降低噪声技术，已经比较成熟，遄达’""等现并在123" 、-45"’5、役民用大涵道比涡扇发动机上收到了较好的降低噪声效果。目前，航空发动机设计与制造商正在开尾迹管理等新发和验证6, 叶型、的部件降低噪声技术。
采用6, 叶型（包括掠形转子叶片和变掠静子叶片）技术可以控制风扇和压气机的流量，以使噪声最小。
风扇尾迹管理技术———吹气风扇叶片技术是一种革新的降低风扇基本噪声的技术。它的原理是通过将气流喷入风扇转子叶片后缘，减小风扇尾流损失，使流到下游静子的流场更均匀、静子叶片的非稳载荷更小，进而降低风扇转子与静子相互作用的基本噪声。试验表明，在谐波的基础上，叶片后缘吹气能够使前5级谐波的尾流谐振波幅减小一半以上。
采用风扇%核心机混合器（如波瓣式混合器）、用于起飞和着陆状态的外部气流混合器%引射器、可变面积风扇喷管、气动造型的核心机喷管（如小突片喷管）7可以降低排气速度和改善气流混合，从
’"年代早期，已经验证了该技术的降低噪声效果，最近解决了由进口不对称性引起的减弱降低噪声效果的进气畸变问题后，该技术又获得新生。
二、降低排放技术
降低航空发动机89:;%
89:%"" 世界&3""?的温度范围内。为此，著名的航空发动机设计与制造商展了大量的理论和试验研究，成功推出了多种低排放燃烧技术。另外，这些公司开发的高效冷却技术和先进的材料技术，也大大减小了冷却空气量，且使燃烧室出口温度较均匀，从而降低了89:;%
&@;;分级燃烧低排放技术（&）轴向分级燃烧室轴向分级燃烧室不改变空气的分配比，而是调节从一个区到另一个区的燃油分配比，从而维持相对恒定的燃烧温度，并将慢车状态和起飞状态分开，以达到降低发动机的总排放量的目的。轴向分级燃烧室具有点火快速可靠、主区燃烧效率高、出口径向温度剖面稳定等优点。普・惠、斯奈克玛、罗・罗等发动机设计与制造商都在研制这种燃烧室。
航空科学技术・!""#年第$期
综述
航空科学技术
（! ）径向分级燃烧室径向分级燃烧室采用双环形燃烧室。一个外燃烧室按小负荷设计，以提供起动、高空点火和慢车状态所需的所有温升；其他燃烧室按大负荷设计，有一个小的大负荷燃烧区，驻留时间短，当量比小，使
其降低%&’排放的能力将明显提高。未来一代的23,&%5
通用电气=普・惠发动机联盟正在研制的>60!""发动机，采用了由通用电气公司设计的结构紧凑且轴向长度短的环形低排放燃烧室。该燃烧室继承了/?$、
标中的绿色航空发动机的需要，
@2A公司采取了绿色设计、绿色材料、绿色制造工艺、绿色维护与翻新、绿色伙伴和供应商等措施，旨在使航空发动机实现无有害排放物与废物，并具有全面的再回收能力。
%&’排放量小。径向分级燃烧室具有使火焰筒的长度(高度比合理、长度短、重量轻、转子动力学问题少、防积炭等优点。
（) ）*+,燃烧室
!.55普・惠公司降低有害物质排放技术
普・惠公司一直是航空发动机环保制造与修理工艺积极的倡导和实施者，追求的目标是：工作场所是无有害物质的，工作人员是无损伤的，提供的产品和服务是安全的。为此，普・惠公司正努力实现只用绿色材料设计、只在绿色工厂制造、只采用绿色翻修与修理工艺维护、只与绿色合作伙伴和供应商合作，旨在以此获得“无危害”发动机。目前，普・惠公司去除发动机有害物质工作的总体目标是，到
/?@#$和>7;"发动机的许多成熟技术，获得了很高的耐久性、较好的排放特性和优良的性能。
*+,燃烧室是一种特殊的分级燃烧室。其前面是一个富油燃烧级，中间为一个快速猝熄级，后面为一个贫油燃烧级。在富油燃烧级，控制燃油(空气比（通常控制在-.! ! -.$的当量比内），降低火焰温度和氧气量，从而降低%&’和在快速猝熄级，通过/&的排放量；
引入大量空气，完成由富油级向贫油级的瞬间过渡，同时防止出现接近理想当量比的%&’生成量大的区；在贫油燃烧级，选择满足所有排放物要求的当量比（典型的值，以控制燃烧温度，使为".#! ".0）
普・%&’、/&和/1的排放量都小。惠和通用电气等航空发动机设计与制造商都在研制这种燃烧室。
普・惠公司一直在研制和改进
!.55冷却和材料等辅助性降低排放技术
除了分级燃烧技术外，多斜孔气膜冷却、浮动壁、多孔层板、陶瓷基复合材料等高效冷却技术和先进材料技术，因能够大大减小冷却空气量，且能够使燃烧室出口温度较均匀而具有一定的降低排放效果。
此外，需要更少冷却空气的采用先进控制技术的低排放燃烧室、以主动燃烧控制和由一大排微型燃油喷嘴组织燃烧为特征的“革命性”燃烧技术，也正在被开发和验证。
三、降低有害物质排放技术
除了降低噪声和降低排放技术以外，减小航空发动机及其部件的材料（包括选择、制造、维护、报废后材料回收）对环境与人类影响的措施和技术也正在被开发和验证。
!""$年，新发动机去除镉、铬和铅。这主要依赖于绿色发动机材料和工艺。
另外，普・惠公司还致力于报废部件的回收再利用的研究。预计报废部件的回收率可达到;"9。四、结束语
“绿色”发动机的概念和相关技术本来就是基于较高水平的降低排放和降低噪声技术而提出并发展的，加之普・惠、通用电气、
23,&%系列燃烧室。该燃烧室是一种*+,分级燃烧室。第! 代
23,&%燃烧室%&’排放量较4/3&5/367(!的规定低8"9! 已经应用于6:8"""系列发#"9，
动机上，并进一步应用于6:$"""发动机上。!" 世纪;" 年代，普・惠公司发展了第) 代23,&%燃烧室，采用了整体铸造的扩压器与气动雾化喷嘴和浮动壁火焰筒，预计
@2A等航空发动机设计与制造商又专门制定了研究和发展计划，进行方案探索和技术研究，因而，可以预见，近些年，“绿色”民用大涵道比涡扇发动机将会取得较快的发展。
-.5@2A公司降低有害物质排放技术
为了满足3/3*7的长期目
!
航空科学技术・!""#年第$期
综述
航空科学技术
绿色民用航空发动机关键技术
! 沈阳发动机设计研究所
摘要：随着降低排放与降低噪声技术的快速发展，!6世纪’6年代末，航空发动机设计与制造商提出了“绿色”发动机概念。该文综述了常规大涵道比涡扇发动机的三大“绿色”技术———先进的降低噪声技术、降低排放的技术和降低有害物质生成与排放的技术。关键词! 5绿色航空发动机成
降低排放
降低噪声
降低有害物生
梁春华
大量的降低噪声技术，并正在开发围巾式进口、叶型尾迹管理等新技术。
普・惠公司!6世纪$6年代末研制的
()!666、>!#66、()*666等发动机上得到了进一步的发展，目前正在开发和验证齿轮驱动涡扇发动
随
着市场竞争的日益激烈、环境要求的更加严格和人类健
类的健康和安全都产生最小影响的发动机，即从材料的获取、整机和零部件的设计、制造、使用、维护，直至报废后材料的重新利用等发动机的整个研制与使用过程，都是“环保、健康且安全”的。
目前，航空发动机设计与制造商将研究重点放在了开发和验证先进的降低噪声技术、显著降低排放的燃烧室技术和有效降低有害物质生成与排放技术上。一、降低噪声技术
机等更先进的技术。
罗・罗公司和斯奈克玛公司研制的湍达系列发动机、,-./6发动机和012#$发动机等已经取得了很好的降低噪声效果，并正在开发降低风扇噪声技术、发动机一体化技术、涡轮机械噪声抑制和采用智能控制的主动噪声控制技术等。
目前，()$666发动机采用一系列技术，满足了噪声标准规定的通用电气要求，并有!9?, 的裕度。
康要求的不断提高，民用大涵道比航空发动机的环保特性也在不断改善。
由于大涵道比涡扇发动机的噪声和排放物问题直接影响着民用航空发动机的使用和发展，!" 世纪$"年代以来，经过验证的降低噪声的弯掠叶片、吸声材料、双环腔低排放燃烧室、轴向分级低排放燃烧室等技术，已经应用在%&’"、
@普・惠发动机联盟目前研制的%(.!66发动机采用弯掠宽弦风扇叶片、风扇机匣声学处理、叶片数量与间距优化和小突片喷管等降噪技术，收到了明显的降噪效果。预计，!66. 年前后投入使用的
()*"+*、遄达+""、遄达’""、,-./"、012#$、%(.!""等大涵道比民用涡扇发动机上，并收到了很好的环保效果。
世!" 世纪’"年代后期以来，界著名的航空发动机设计与制造商又开发了更先进的降低噪声与降低排放技术，并提出了“绿色”发动机概念。
所谓“绿色”发动机，是指在整个寿命周期内对生态环境与人
3455降低噪声技术的发展世界著!6世纪$6年代以来，名航空发动机设计与制造商一直致力于降低噪声技术的开发和验证。
通用电气公司先后实施了安静发动机计划、安静清洁的短途试验性发动机（708&&）计划、高效计划和无涵道风节能发动机（&9）扇（:;1）发动机计划等，验证了
()+666齿轮驱动涡扇发动机将满足规定的噪声要求，并有96?, 的裕度。
!45降低噪声关键技术
航空发动机噪声是民用飞机的主要噪声源，特别是在起飞和着
航空科学技术・!""#年第$期
航空科学技术
综述
陆期间的主要噪声源。
由于发动机的噪声，包括由转子%静子尾迹与支板间相互作用产生的谐波噪声、涡流流动与盘腔共振产生的任意周期性噪声、发动机与燃烧室产生的宽频带噪声，因而，降噪需要通过优化发动机循环参数和采用先进降低噪声设计等多种途径。
（&）发动机先进循环设计改变发动机循环参数，如增大涵道比、减慢发动机的排气速度等，是降低大涵道比涡扇发动机噪声的可靠方法。但是，增大涵道比就要降低风扇的压比与转速，相应地，就降低了低压系统的效率。为了保持低压压气机与低压涡轮的效率，就要增加低压系统的级数。另外，降低风扇转速就要提高低压转子的力矩，相应地就要配以较大直径的轴，这样，核心机的盘和流路就要受到影响。而过多增大涵道，将会导致风比（增大到&"以上）
扇和低压压气机不匹配。为此，!" 世纪’"年代末，普・惠、菲亚特航空和()*等航空发动机设计与制造商开始联合开发大推力和小推力级的齿轮驱动涡扇发动机。
齿轮驱动涡扇发动机在风扇和低压压气机之间引入一个减速齿轮箱，使风扇转速根据风扇压比的需要选择得较低，以取得最大的效率和最低的噪声。低压压气机转速按常规涡扇发动机的要求选择得较快，以减少低压压气机和低压涡轮的级数，使低压系统与核心机设计得更紧凑，进而降低费用和减轻质量。这样，齿轮驱动涡扇发动机的各部件都在最优的转速下工作，在不牺牲低耗油率和低排放特
性的前提下，可最大程度地降低噪声。这一技术正在先进的涵道桨扇
而降低排气噪声。其中，小突片喷管，使流场结构便于在喷气剪切层混合，从而降低低频噪声。
围巾式短舱进口（短舱进口的下部较其上部向前伸出）是一种传统的降低噪声方案。!" 世纪
! +,-.验证机和先进技术的风扇集验证机上进行验证。成器（+)/0）
（! ）降低噪声设计
在降低发动机噪声方面，尽管采用先进的循环设计是可靠方法，但是，在发动机循环参数保持不变的情况下，更多的还是依赖部件的先进降低噪声技术和短舱%安装的降低噪声技术等。
经过多年的研究和验证，先进的部件降低噪声技术，已经比较成熟，遄达’""等现并在123" 、-45"’5、役民用大涵道比涡扇发动机上收到了较好的降低噪声效果。目前，航空发动机设计与制造商正在开尾迹管理等新发和验证6, 叶型、的部件降低噪声技术。
采用6, 叶型（包括掠形转子叶片和变掠静子叶片）技术可以控制风扇和压气机的流量，以使噪声最小。
风扇尾迹管理技术———吹气风扇叶片技术是一种革新的降低风扇基本噪声的技术。它的原理是通过将气流喷入风扇转子叶片后缘，减小风扇尾流损失，使流到下游静子的流场更均匀、静子叶片的非稳载荷更小，进而降低风扇转子与静子相互作用的基本噪声。试验表明，在谐波的基础上，叶片后缘吹气能够使前5级谐波的尾流谐振波幅减小一半以上。
采用风扇%核心机混合器（如波瓣式混合器）、用于起飞和着陆状态的外部气流混合器%引射器、可变面积风扇喷管、气动造型的核心机喷管（如小突片喷管）7可以降低排气速度和改善气流混合，从
’"年代早期，已经验证了该技术的降低噪声效果，最近解决了由进口不对称性引起的减弱降低噪声效果的进气畸变问题后，该技术又获得新生。
二、降低排放技术
降低航空发动机89:;%
89:%"" 世界&3""?的温度范围内。为此，著名的航空发动机设计与制造商展了大量的理论和试验研究，成功推出了多种低排放燃烧技术。另外，这些公司开发的高效冷却技术和先进的材料技术，也大大减小了冷却空气量，且使燃烧室出口温度较均匀，从而降低了89:;%
&@;;分级燃烧低排放技术（&）轴向分级燃烧室轴向分级燃烧室不改变空气的分配比，而是调节从一个区到另一个区的燃油分配比，从而维持相对恒定的燃烧温度，并将慢车状态和起飞状态分开，以达到降低发动机的总排放量的目的。轴向分级燃烧室具有点火快速可靠、主区燃烧效率高、出口径向温度剖面稳定等优点。普・惠、斯奈克玛、罗・罗等发动机设计与制造商都在研制这种燃烧室。
航空科学技术・!""#年第$期
综述
航空科学技术
（! ）径向分级燃烧室径向分级燃烧室采用双环形燃烧室。一个外燃烧室按小负荷设计，以提供起动、高空点火和慢车状态所需的所有温升；其他燃烧室按大负荷设计，有一个小的大负荷燃烧区，驻留时间短，当量比小，使
其降低%&’排放的能力将明显提高。未来一代的23,&%5
通用电气=普・惠发动机联盟正在研制的>60!""发动机，采用了由通用电气公司设计的结构紧凑且轴向长度短的环形低排放燃烧室。该燃烧室继承了/?$、
标中的绿色航空发动机的需要，
@2A公司采取了绿色设计、绿色材料、绿色制造工艺、绿色维护与翻新、绿色伙伴和供应商等措施，旨在使航空发动机实现无有害排放物与废物，并具有全面的再回收能力。
%&’排放量小。径向分级燃烧室具有使火焰筒的长度(高度比合理、长度短、重量轻、转子动力学问题少、防积炭等优点。
（) ）*+,燃烧室
!.55普・惠公司降低有害物质排放技术
普・惠公司一直是航空发动机环保制造与修理工艺积极的倡导和实施者，追求的目标是：工作场所是无有害物质的，工作人员是无损伤的，提供的产品和服务是安全的。为此，普・惠公司正努力实现只用绿色材料设计、只在绿色工厂制造、只采用绿色翻修与修理工艺维护、只与绿色合作伙伴和供应商合作，旨在以此获得“无危害”发动机。目前，普・惠公司去除发动机有害物质工作的总体目标是，到
/?@#$和>7;"发动机的许多成熟技术，获得了很高的耐久性、较好的排放特性和优良的性能。
*+,燃烧室是一种特殊的分级燃烧室。其前面是一个富油燃烧级，中间为一个快速猝熄级，后面为一个贫油燃烧级。在富油燃烧级，控制燃油(空气比（通常控制在-.! ! -.$的当量比内），降低火焰温度和氧气量，从而降低%&’和在快速猝熄级，通过/&的排放量；
引入大量空气，完成由富油级向贫油级的瞬间过渡，同时防止出现接近理想当量比的%&’生成量大的区；在贫油燃烧级，选择满足所有排放物要求的当量比（典型的值，以控制燃烧温度，使为".#! ".0）
普・%&’、/&和/1的排放量都小。惠和通用电气等航空发动机设计与制造商都在研制这种燃烧室。
普・惠公司一直在研制和改进
!.55冷却和材料等辅助性降低排放技术
除了分级燃烧技术外，多斜孔气膜冷却、浮动壁、多孔层板、陶瓷基复合材料等高效冷却技术和先进材料技术，因能够大大减小冷却空气量，且能够使燃烧室出口温度较均匀而具有一定的降低排放效果。
此外，需要更少冷却空气的采用先进控制技术的低排放燃烧室、以主动燃烧控制和由一大排微型燃油喷嘴组织燃烧为特征的“革命性”燃烧技术，也正在被开发和验证。
三、降低有害物质排放技术
除了降低噪声和降低排放技术以外，减小航空发动机及其部件的材料（包括选择、制造、维护、报废后材料回收）对环境与人类影响的措施和技术也正在被开发和验证。
!""$年，新发动机去除镉、铬和铅。这主要依赖于绿色发动机材料和工艺。
另外，普・惠公司还致力于报废部件的回收再利用的研究。预计报废部件的回收率可达到;"9。四、结束语
“绿色”发动机的概念和相关技术本来就是基于较高水平的降低排放和降低噪声技术而提出并发展的，加之普・惠、通用电气、
23,&%系列燃烧室。该燃烧室是一种*+,分级燃烧室。第! 代
23,&%燃烧室%&’排放量较4/3&5/367(!的规定低8"9! 已经应用于6:8"""系列发#"9，
动机上，并进一步应用于6:$"""发动机上。!" 世纪;" 年代，普・惠公司发展了第) 代23,&%燃烧室，采用了整体铸造的扩压器与气动雾化喷嘴和浮动壁火焰筒，预计
@2A等航空发动机设计与制造商又专门制定了研究和发展计划，进行方案探索和技术研究，因而，可以预见，近些年，“绿色”民用大涵道比涡扇发动机将会取得较快的发展。
-.5@2A公司降低有害物质排放技术
为了满足3/3*7的长期目
!
航空科学技术・!""#年第$期