淺談下一代商用航發的發展方向之二——IRA再生循環渦扇航發（Intercooled recuperated aero engines）

在以前一篇《淺談新一代窄體客機動力明星，PW1000G與Leap》里介紹了航發的基本原理，這裡不再贅述。也簡單闡述了現代航發的發展瓶頸。

在上一篇《淺談下一代商用航發的發展方向之一——開式轉子（Open Rotor）》中又簡單介紹了一種突破思路。

當然突破思路不光這一種嘛，在這一篇文章我試著簡單介紹一下商用航發的另外一個發展方向。

相比於開轉子（或者說槳扇）發動機，再生循環的優化更多在於熱力循環，盡量讓熱量在發動機內部被極致的利用，把航空煤油燒出來的能量都壓榨成推力。

總體上它的優化思路是：第一，提高壓氣機效率；第二，把核心氣流中的廢熱補貼給燃燒室。

壓氣機的優化

這是帶中冷器的壓氣機航髮結構示意圖，經過低壓軸壓縮的核心氣流，進入一個熱交換器，和一部分外涵道的冷氣進行熱交換，也就是被外涵道冷卻，再回到核心機，繼續被高壓壓氣機繼續壓縮。

這樣會造成一大一小兩個好處。

第一，在低壓壓氣機中被壓縮的核心氣流因壓縮而溫度升高，你在給自行車打氣的時候，打完了氣筒會很熱，是一樣的原理。而溫度越高，氣體越難以被壓縮，實現同樣的壓比就需要更高的功率。而外涵道中冷器冷卻了核心氣流，這樣高壓壓氣機就可以高效的繼續壓縮，需要的功率更少，那麼帶動高壓壓氣機的高壓渦輪的功率也跟著下降，更多的能量被用來推動低壓渦輪，而更大功率的低壓渦輪可以推動更大功率的推力風扇。總體效率提高。而且因為效率高，壓比高，可以只用更少級數的壓氣機來達到傳統構型的壓比，省了重量。

第二，外涵道一部分的氣體因為冷卻了低壓壓氣機壓縮過的核心氣流，溫度升高，如果能夠好好利用這部分能量，可以略微提高外涵道推力一丟丟，聊勝於無嘛，這推力提升雖然少，但是畢竟不要錢。

核心氣流的廢熱回收

這部分其實原理還比較簡單。

推力來自於噴出氣體的質量和速度，跟溫度沒關係，所以不管噴的是多熱或者多冷的氣體，如果質量和速度一樣，那推力也是一樣的。

所以核心機噴出的炙熱核心氣流就很浪費了，工程師設計了一個熱交換器，讓炙熱的尾氣先吹過熱交換器再被排到外面，把這部分熱用來加熱從高壓壓氣機出來，即將進入燃燒室的核心氣流。也就是在噴油燃燒之前先預熱一下氣流（然後這部分熱還是免費的），這樣只要噴更少的燃料就可以得到同樣的高壓渦輪入口溫度，這多省啊！

一般現在實驗室測得都是這種熱交換器，還是銅的，那是真重啊！看著就不像能飛起來的樣子。

這熱交換器的設計非常困難，可靠性要高，效率要高，面積要大，重量要低，被高溫氣流沖刷還得耐腐蝕，要是塞進去東西了還不是那麼容易清理。而且它對於核心氣流的阻擋，又會提高背壓，降低低壓渦輪的壓比或者說功率，也就是降低推力風扇的功率。

這是一個熱交換噴嘴的局部幾何優化例子，消滅分離氣團，設計難度真的很高。

總結

熱力學上看，這個方案真的太美了，壓氣機入口溫度低，大幅提高效率，降低所需功率，燃燒室氣流預熱，大幅降低噴油量。

但是它的複雜程度是遠遠高於開轉子的，就我所知世界上還沒有整機試車，都還在局部節點技術的研發過程中。

航發本來就很複雜的結構，又被幾何級的放大，而且這種失效會造成災難性後果的系統，需要可靠性達到10億飛行小時一次失效，太難了。

可是人類科技不都是這麼一點一點來的嗎？當人類還在飛活塞發動機木頭飛機時，怎能想到幾十年後就可以超音速飛行了？

下圖為三軸結構，兩級壓氣機中冷，尾噴廢熱回收，齒輪減速推力風扇，假如實現，這燃油效率肯定逆天了。

再生循環的溫熵圖，看不懂也不礙事。

請同行多擔待，我真的很努力的不用公式不用數學來解釋了。