高效清洁民用航空发动机技术
降低油耗和减少污染排放是下一代民用航空的主攻方向，其中降低油耗的主要方法有两种：一为提高整机效率，这主要通过提高发动机的总压比和更高的循环温度来实现，受现有材料和冷却技术水平的限制，很难进一步提高；另一方法为提高推进效率，这主要通过提高涵道比，增大空气流量，降低排气速度来实现，传统涡扇发动机如采用非常高的涵道比会导致风扇和低压系统的适配。
受传统涡扇发动机循环和结构的性能改进限制，进一步降低油耗的潜力有限，为满足降低油耗的要求，为此有别于传统涡扇发动机的新型发动机技术应运而生，间冷回热发动机、齿轮传动风扇发动机和开式转子发动机是其中的典型代表。
间冷回热技术
图1所示为间冷回热发动机(IRA)原理图，空气经增压级压缩后，应用间冷器有效降低了高压压气机进口温度，减小了高压压气机耗功，同时增大了回热器中空气和燃气的温差，提高了回热器换热效率。高压压气机出口气流与低压涡轮出口气流通过回热器进行热交换，有效利用了涡轮出口燃气余热，增加了燃烧室进口的空气总温，在涡轮前温度不变的前提下减少了燃烧室供油量，提高了发动机热效率，降低了耗油率，结合了间冷回热技术和齿轮传动风扇技术的航空发动机最多可少产生80%的氮氧化物，噪声可降低35dB，燃料消耗和CO2排放最多可减少18%。
由于间冷器和回热器的引入，发动机的各大部件需要根据间冷回热循环发动机的气动热力特性和结构特点重新设计，间冷回热技术已在地面燃气轮机装置中得到了广泛应用，但用于航空发动机，需要进一步解决如下技术难题：
a)间冷和回热特性对间冷回热发动机性能起着决定性的影响，间冷器和回热器的引入可以提高发动机热效率，但同时增加了发动机的重量和费用，因此需要重点解决低压降、高效率、紧凑型间冷器和回热器设计技术；b)为配合气流进入间冷器，间冷回热发动机的高速低压转子需要采用“轴流+径流”的流动形式。高速低压压气机工作在与高压压气机负荷相当、且雷诺数相对较低的不理想跨音速流场条件，同时由于采用齿轮驱动风扇，几何流道可能会受齿轮箱的限制和干扰，增加了低压压气机的设计难度，为保持工作范围和部件效率与传统低压压气机相当或优于传统发动机，需要突破“轴流+径流”高速低压压气机设计技术；
c)为获得间冷回热发动机的最佳性能，要求回热器具有很强的换热冷能，这依赖于足够高低压涡轮出口温度来保证回热器冷热端的温差，为保证发动机在飞行包线内尽可能保持高的高压涡轮进口温度，需要开发可变几何低压涡轮设计系统来实现回热器性能的充分发挥；
d)与地面或舰船用间冷回热燃气轮机不同，航空发动机引入间冷回热技术不仅对间冷器和回热器提出了轻质紧凑要求，同时对发动机布局提出了有别于传统发动机的要求，为实现发动机结构紧凑，改善发动机综合性能，需要解决换热器(间冷器和回热器)与发动机一体化设计和优化设计技术。
上世纪90年代以来德国MTU公司相继提出间冷回热循环浆扇发动机和涡扇发动机概念，并在欧盟CLEAN和NEWAC计划中得到支持。而在舰船燃气轮机的运用中，间冷回热发动机已经推出了装备于45型驱逐舰的WR21发动机。在欧盟提出的高效环境友好型航空发动机(简称EEFAE)计划下，间冷回热发动机技术目标使得CO2排放降低20%(相比1995年技术的发动机)，NOx排放降低80%(相比CAEP/2)。
国内在地面和舰船用燃机动力已开展研究并逐步转向工程化应用。目前，国内还正在开展间冷回热航空发动机的预先研究工作。
齿轮传动风扇技术
齿轮传动风扇发动机(GTF)(图2)是在风扇和低压压气机间引入减速齿轮箱，使得风扇和低压转子均处于最优转速条件下工作。低压转子在高转速下工作，保证较高效率，以匹配高压转子的最佳使用速度。同时，风扇在较低的转速下，气动损失和噪声都较小，从而实现通过增大发动机涵道比，提高发动机可靠性。齿轮传动风扇发动机涵道比可以提高到10～12，其耗油率较传统涡扇发动机可以降低15%～20%。而齿轮传动风扇叶尖速度降低减小了噪声，其噪声可以达到比国际民航组织规定低20dB。
齿轮传动风扇发动机由于减速齿轮箱的引入，必然带来风扇直径的增加，其发动机质量明显增加，如果不能很好地解决质量问题，齿轮风扇难以应用；同时由于减速齿轮箱的引入，风扇转速与低压转子转速分开，对高速低压压气机和高速低压涡轮带来了新的技术挑战，为此，齿轮风扇发动机的研制需要突破和解决如下技术难题：
a)减速齿轮箱的质量、可靠性是决定齿轮风扇发动机设计成败的关键，由于减速器采用了大量高速大负荷齿轮与轴承，其工作条件恶劣、零件数量多，因此减速齿轮箱需要在传动系统设计、润滑、冷却和齿轮箱饶曲控制方面有所突破，使减速齿轮箱满足轻质、高效和高可靠的设计要求；b)由于齿轮风扇发动机风扇转速和低压转子转速是分开的，高速低压压气机需要在比传统风扇更高的转速和马赫数下工作，同时由于齿轮箱的加入，其直径增大，需要尽可能地减轻其重量，因此高速低压压气机设计面临气动性能和结构完整性两方面的技术挑战，因此需要突破轻质、紧凑高速低压压气机设计技术；
c)风扇转速和低压转子转速分开会对低压涡轮设计起着具有决定性的影响，传统低压涡轮高效率得益于适中的亚声速流动马赫数，而高速低压涡轮较高的切线速度导致整个流道处于跨声速流动状态，流道内的激波前锋同附面层相互作用产生损失，降低效率，同时高切线速度又导致涡轮盘出现高的机械负荷，极高的离心负荷将导致轮毂截面处，叶片的横截面和厚度较传统低压涡轮叶片明显加大和增厚，增加低压涡轮的重量，因此在齿轮风扇发动机研制中需要突破高效、轻质高速低压涡轮设计技术。
普惠公司于80年代投资3.5亿美元，对传动风扇的减速器进行深入研究，并取得相应进展。2013年6月，美国航空租赁公司和普惠公司已经签订备忘录，选定采用GTF技术的普惠“静洁动力”PW1100G-JM发动机为其确认订购的30架空客A320/A321neo飞机提供动力。
目前我国齿轮风发动机尚处于跟踪国外技术发展，结合国内研究基础，积极寻求国际合作的阶段。根据我国民航支线飞机的发展和越来越注重航空环境要求的趋势，齿轮风扇传动发动机的需求一定会日后凸显出来。
开式转子技术
开式转子发动机(CROR)也称桨扇发动机或无涵道风扇发动机，采用一对相互反转的风扇，可以设计为拉动式或推进式，与传统喷气发动机相比，开式转子发动机的显著特点在于可以获得超高的涵道比，预计最高可以达到35，由于去掉了发动机短舱，减小了阻力，以及相互反转的开式转子发动机可以节省25%～30%的燃油消耗，污染排放减少可高达30%。
尽管开式转子存在发动机风扇直径大，增加发动机重量，造成安装困难，甚至改变飞机构型并且噪声较大等问题，但随着燃油价格的不断上涨和环境方面要求的不断提高，开式转子发动机被认为是现有唯一能达到ACARE提出的2020年目标。对于开式转子发动机除飞机增加消音装置减少噪音外，发动机本身还面临如下主要技术难题需要解决：
a)发动机风扇直径几乎达到目前涵道短舱的2倍，无论采用拉动式或推进式结构布局，均需采用同飞行器构型进行一体化设计技术，降低飞行器构型对发动机性能的影响，达到改善发动机性能；b)“拉动式”和“推进式”开式转子发动机驱动桨扇的方式有所不同，“拉动式”采用齿轮驱动方式，“推进式”也可以采用齿轮驱动方式，采用齿轮驱动桨扇方式必然需要发动机设计解决高效、轻质、高可靠性齿轮箱设计技术，当然“推进式”开式转子发动机也可以采用涡轮不经齿轮箱和传动轴直接带动对转桨扇，但该方式由于桨扇叶尖速度等因素的限制，动力涡轮和桨扇均不能在最佳转速工作，从而牺牲效率，因此需要解决动力涡轮和桨扇性能优匹配设计技术。
上世纪80年代，PW公司与Allison公司合作发展过开式转子发动机，并于1989年在麦道公司的MD-80飞行试验台上进行了578-DX验证机的飞行试验(如图4所示)。但是，目前世界上只有乌克兰的D-27发动机安装在AN-70军用运输机(如图3所示)上投入了使用。在2000年以来，NASA提出了N+1目标，力争于2015年，在现有基础上，使开式转子发动机噪声降低33%；并且RR、GE、CFM公司等都在按计划对开式转子发动机进行深入研究。2011年6月，欧洲净洁天空研究计划的专家完成了对在空客A340-600飞行试验台一侧安装对转开式转子发动机的可行性研究，这意味着满足航空公司对更佳燃油效率需要的工作又向前迈进一步。
在开式转子发动机技术领域，国内仅开展过有限的探索性研究，初步建立了开式转子发动机对转桨扇部件性能计算模型，评估其对发动机总体性能的影响。
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