【深度调查+周末福利】绿色动力：开式转子航空发动机

导读：降低油耗和减少碳排放一直是民用航空发动机发展的方向。而开式转子航空发动机不仅在节油减碳方面展示出明显优势，而且在降噪方面也已取得突破性进展，因而具有巨大的应用潜力，目前正越来越受到各大航空发动机设计公司的青睐。

1973年和1979年的两次中东战争诱发了世界性的石油危机，原油价格暴涨，引起全球恐慌。航空发动机制造商和科研机构纷纷研究高效节能的新技术，开式转子航空发动机概念便应运而生。

开式转子发动机的研究始于20世纪70年代。到20世纪80年代后半期, 通用电气（GE）公司研制出了GE36，普惠（P&W）公司与艾利逊（Allison）公司联合研制了578DX。这两型开式转子发动机都完成了地面和飞行验证试验，结果基本达到了预期目标：开式转子发动机能比常规涡扇发动机节油20％～30％，在节能方面显示出巨大潜力。

同时，在研制过程中也遇到了超出当时技术能力的挑战，其中最主要的难题之一是噪声。在20世纪80年代末到90年代初油价降低时，两款开式发动机的研制工作中止了。目前,唯有乌克兰的Д-27开式转子发动机应用于对噪声水平宽容的军用运输机安－70。

近年来，随着燃油价格的急速攀升，开式转子发动机的研制在被冷落了近20年后，又在美、英、法、德、瑞典等国重新热了起来。美国国家航空航天局（NASA）、 GE公司以及波音公司，欧洲的罗－罗（R-R）公司、斯奈克玛（SNECMA）公司、空客飞机公司以及有关大学对开式转子发动机开展了更为深入的研究。但是曾经研制过578DX开式转子发动机的普惠公司反而对开式转子发动机态度冷淡，转而热衷于对齿轮传动涡扇发动机的研究发展。

开式转子发动机简介

开式转子发动机简介开式转子发动机(open rotor)又称桨扇发动机（propfan）,或称无涵道风扇发动机(UDF)。可看作带先进高速螺旋桨的涡桨发动机，又可看作除去外涵道的超高涵道比涡扇发动机。它带有多个宽弦、掠形薄叶片，双排对转，能减少激波损失和排气旋流，使飞行马赫数比常规螺桨高。能在较高的飞行速度下保持较高的推进效率；它兼有涡桨发动机推进效率高、耗油率低和涡扇发动机飞行速度大的优点。按桨扇的驱动方式可分为直接驱动和齿轮驱动；按桨扇位置在前或在后，可分为牵引式和推进式。

开式转子发动机，由于其桨扇叶片的数目较少（每排仅6～12片），稠度较小，桨扇进口堵塞的轴向马赫数较高（约为0.87）, 在Ma0.76～0.80巡航飞行时,不需要进气道扩压减速；而桨扇出口的轴向马赫数较高，不需要收敛喷管加速就能产生推力。

桨扇叶片的安装角度（桨距）可调，不同功率状态均能保持较高效率，还能产生反推力，不需要在桨扇外面增加短舱，也不需要另外安装专用的反推力装置。由于开式转子的桨扇没有短舱和专用的反推力装置，在桨扇直径增大时，不受短舱重量和阻力迅猛增长的制约，可以选用超大涵道比（30～90）来大幅提高推进效率，降低耗油率。在高效节油减碳方面比常规涡扇发动机及齿轮传动涡扇发动机（GTF）的发展潜力都要大得多。

与齿轮传动涡扇发动机GTF对比

为了对开式转子发动机与涡扇发动机的性能进行客观的对比分析，假设二者的飞行任务相同；发动机主要热力学循环参数，如总增压比、涡轮前温度选用同样的数值，部件技术、材料均按未来进入航线使用时的先进水平选取；风扇和桨扇均选用齿轮传动结构。

美国NASA格林研究中心对两类发动机进行了研究和比较发现：齿轮传动开式转子发动机在气动设计点的单位耗油率比齿轮传动涡扇发动机低约18%，这是因为其推进效率高；两类发动机的NOx排放都能满足国际民航组织规定的CAEP-6的NOx排放限制标准，且有足够的裕度，开式转子的裕度稍大；齿轮传动开式转子发动机与短舱的总重量较重，大约比涡扇重21%左右。

单考虑推进技术的进步，与基准发动机相比，2030年服役的齿轮传动开式转子发动机和齿轮传动涡扇发动机的单位耗油率分别改善38％和24％；典型任务总耗油量分别改善44％和28％。若再考虑飞机气动力效率提高和飞机机体减重的技术进步，还能分别再降低耗油量12％和6％。可以相信，到2030年用开式转子发动机的单通道客机能达到比基线飞机总共节油54％的巨大增益。

开式转子发动机降噪研究进展

尽管开式转子发动机具有巨大的节油潜力，但是由于桨扇外部没有短舱屏蔽，其噪声比涡扇发动机明显增大。能否实现大幅度降低噪声，满足日益苛刻的适航要求，已成为开式转子发动机面临的最大挑战。开式转子发动机的噪声源非常复杂，如下图所示。

由于开式转子发动机的涵道比大，喷流速度低，核心机有短舱屏蔽，喷流噪声和核心机噪声不是问题；其最大噪声主要来自于对转桨扇叶片。虽然存在一定的宽频带噪声，但开式转子产生的最大噪声主要受音调噪声控制。人耳对音调噪声和宽频带噪声的反应不同，典型的带音调成分的噪声比单纯宽频带噪声更令人烦恼。适航性法规通常限制和处罚的主要是受音调控制的噪声。

音调噪声源有6种：叶尖涡流干涉音调、黏性尾流干涉音调、前后势场的干涉音调、单独转子的音调、气流入射角音调和稳态畸变音调。宽频带噪声源有3种：转子自身噪声、转子紊流尾迹干涉噪声、吸入大气紊流与转子干涉噪声。此外还有安装效应，即声波在机翼和机身表面反射形成的噪声等。

利用现代计算流体动力学（CFD）和计算气动声学（CAA）的进步，可以建立开式转子的噪声预测模型，进行定量和定性分析，并能清楚地显示出开式转子的噪声源。通过理论和实验研究，得出一系列优化设计降低噪声的措施。例如，适当降低叶尖速度，优化设计宽弦掠形薄叶型面，适当增加叶数，合理选择前后排叶片数目比、直径比和轴向距离等参数，以及对挂架尾流吹除、在机体声反射表面安装吸音衬、利用机身和尾翼的声屏蔽等措施，均能有效地降低开式转子的噪声。

风洞测试数据显示，当前改进的开式转子试验件的噪声已能达到比4级标准低10～13dB的水平。预计2020年开始执行的5级标准比4级标准再低6～8dB，因此，现有技术水平开式转子的噪声就能满足5级标准的要求，考虑到未来的技术进步，其裕度会更大。英国罗-罗公司和美国GE公司一致认为“噪声已不是开式转子的障碍”。

结束语

原油涨价和《京都议定书》强制减少CO2，意味着航空发动机必须大幅度降低油耗。为此，在继续尽力提高发动机热效率的同时，还必须采用超高涵道比来大幅度提高发动机推进效率，才能实现艰巨的节油减碳目标。由于开式转子发动机的桨扇不需要短舱和专用的反推力装置，在桨扇直径增大时，不受短舱重量和阻力迅猛增长的制约，可以选用超高涵道比（30～90）来大幅提高推进效率，降低耗油率。

考虑技术进步的影响，无论到2020年还是到2030年投入航线使用，计算结果都显示出开式转子发动机，即使与新概念齿轮传动涡扇发动机相比，在高效节油减碳方面都具有无与伦比的优势。开式转子发动机降噪研究进展顺利，虽然仍然不如涡扇发动机的噪声低，但目前已能满足未来的５级标准要求，且有一定的裕度，噪声已不是障碍。

当然，开式转子发动机在成为商业可行的产品投入航线使用之前，还有安装、成本、适航取证等一系列问题需要解决。但从其巨大的应用潜力来看，可以认为，开式转子发动机是未来的绿色航空动力，且首先将应用于新一代单通道干线客机和支线客机。

周末福利

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NASA航空动力控制和诊断产学研研讨会，由美国NASA控制部GRC主办，一般都在每年12月份，美国俄亥俄州克里夫兰市召开。参加会议的有美国NASA格林中心控制部、美国海陆空三军、美国航空航天相关的大学、普惠、罗罗、GE以及外围的一些航空动力控制相关供应商，但必须为美国公民或者北约组织成员国。

该会议目前举办已经超过4届，其目标为：推动NASA参会各方：NASA研究所、大学和工业界在设计工具、方法、软件上的共享。第3，4届PPT下载见上几周周末微信文章。

参考文献：航空科学技术，两机动力控制整理

（转载请注明转自两机动力控制GTC2006）

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