随着低油耗、低排放、低噪声成为民用航空发动机技术创新的重要驱动力,在对现有常规构型航空发动机的持续技术改进之外,发展以间冷回热涡扇发动机为代表的新概念节能环保航空发动机越来越受到重视。间冷回热涡扇发动机与常规循环涡扇发动机相比,由于引入了间冷器和回热器,发动机热力循环参数的匹配关系更为复杂。而间冷器和回热器设计的优劣很大程度上决定了该新概念发动机能否获得性能的改善。因此,发动机参数的优化匹配和间冷回热器的设计是间冷回热涡扇发动机技术研究中亟待解决的关键问题。本文针对这两个关键问题,从三个层面展开研究:首先是模型和方法层面,包括间冷回热涡扇发动机的热力循环分析和计算方法研究,以及航空发动机用间冷回热器的优化设计方法研究;其次是工具和手段层面,包括发展适用于发动机总体设计阶段使用的间冷回热涡扇发动机性能计算分析程序和多种构型间冷回热器优化设计计算程序;最后是计算和分析层面,在前面研究工作的基础上,进行间冷回热涡扇发动机参数优化匹配和间冷回热器性能参数选择研究,并对间冷回热涡扇发动机的特性进行分析。在模型和方法层面,本文具体开展了以下研究工作:(1)通过发动机热力循环分析,明确了间冷回热循环技术改善发动机性能的本质,即间冷过程和回热过程改善了发动机部件的工作环境和发动机热力循环过程,在降低高压压气机压缩耗功的同时,减少了发动机排气余热导致的能量损失。然后根据航空发动机在结构、能量利用方式和使用环境等方面的特点,分析了如何在涡扇发动机上实现间冷回热循环,明确了间冷回热涡扇发动机的结构特点,特别是间冷回热器在发动机上的布局和换热方式。(2)对间冷回热涡扇发动机相关计算模型和方法进行了研究,包括发动机整机和部件的气动热力学模型,发动机NOX排放预估方法,发动机尺寸和重量估算方法,以及飞机推力需求计算和飞机航程计算等飞机相关计算方法,并提出了间冷回热涡扇发动机概念设计的流程。(3)以间冷回热涡扇发动机用间冷回热器为研究对象,针对航空发动机用间冷回热器的设计要求,提出了间冷回热器设计与优化的新方法,即将间冷回热器芯体计算方法与差分进化算法结合,进行间冷回热器设计问题的求解和间冷回热器的优化。在间冷回热器芯体计算方法方面,研究了间冷回热器芯体的热计算和流阻计算方法,以及不同构型间冷回热器的表面特性实验关联式;在差分进化算法方面,发展了适用于求解混合整数非线性规划问题的改进差分进化算法。在工具和手段层面,本文使用C++语言开发了两套数值模拟程序:(1)根据间冷回热涡扇发动机概念设计流程及发动机初步设计阶段的需要,开发了间冷回热涡扇发动机性能计算分析程序。该程序的功能和计算精度能够满足间冷回热涡扇发动机循环参数匹配和总体性能研究的要求。(2)将换热器热计算方法、流阻计算方法与改进差分进化算法相结合,开发了航空发动机用间冷回热器优化设计程序,可进行多种构型间冷回热器的设计计算,为航空发动机用间冷回热器的优化设计提供了支持。在计算和分析层面,利用所建立的方法和开发的计算程序,进行了以下三个方面的研究:(1)以NASA N+1 AGTF作为基准发动机,对间冷回热涡扇发动机设计点热力循环参数优化匹配方法进行了研究。通过分析设计点参数(包括常规发动机热力循环参数和间冷回热涡扇发动机特有的参数)对发动机性能的影响,得到了间冷回热涡扇发动机设计点参数的匹配规律。(2)通过对不同构型的间冷器芯体和回热器芯体的性能参数分析,以及间冷器和回热器在不同推力级发动机上应用的适用性分析,选出了最适合的间冷器和回热器芯体构型及其在发动机中的布局方式。在此基础上,针对不同起飞重量和飞行任务的飞机,从发动机非安装性能的角度和飞机航线性能的角度,对间冷回热涡扇发动机间冷度和回热度的选择和最优匹配进行了分析。(3)为了评估间冷回热涡扇发动机非设计工况的性能,对间冷回热涡扇发动机的高度、速度特性和节流特性进行了计算分析,并研究了可变面积风扇外涵喷管和变几何低压涡轮对发动机特性的影响。最后,以N+1 ASAT作为背景飞机,利用上述方法进行了间冷回热涡扇发动机及其间冷回热器的概念设计,得到了发动机总体性能方案,并对比了间冷回热涡扇发动机与常规涡扇发动机的?损、推力、耗油率、尺寸、重量、排放等参数。研究表明,全包线内,间冷器和回热器都可以正常换热,间冷回热涡扇发动机的性能可以满足飞机要求。与基准常规循环涡扇发动机相比,间冷回热涡扇发动机的耗油率显著降低。但是间冷器和回热器会导致发动机重量大幅增加,一定程度上抵消了耗油率降低带来的收益。因此,发展轻质高强度的间冷器和回热器对于间冷回热涡扇发动机的工程实用是非常重要的。