【行业观察】 清洁天空新希望 开式转子发动机能逆袭吗？
导读
开式转子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。结构特点：开式转子发动机的最显著特点是可以获得超高涵道比，预计最高能达到35。由于去掉了发动机短舱，减小了阻力，预计相互反转的开式转子发动机可节省10%的燃油消耗。
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）、通用电气公司以及波音公司，欧洲的罗罗（R-R）公司、赛峰集团发动机公司、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。
2009年6月，GE和NASA透露了一些关于开式转子技术即将进行风洞试验的细节，这是1980年底以来开式转子发动机进行的首次试验。
到现在，欧盟清洁天空 (Clean Sky) 计划的开式转子发动机将进行地面测试，赛峰集团发动机公司及其合作伙伴正在进行验证机的最后组装。过去困扰开式转子发动机的噪声问题似乎已经基本克服，而完成地面和飞行测试面临的关键问题是开式转子发动机技术能否、以及如何、何时可以运用到未来的飞机上。
今年早些时候，清洁天空联合事业总监埃里克·道奇艾特 (Eric Dautriat) 曾将赛峰集团 (Safran)发动机公司开式转子发动机推进装置的设计和开发作为项目的“最大挑战”。
开式转子发动机有两片半开式反向旋转叶片，与现今的飞机发动机相比预计燃料消耗将削减最高30%，从而使整个行业从2005年到2050年实现二氧化碳排放量减半的目标成为可能。GKN航空航天公司是开式转子发动机旋转模块的主要供应商，在2月份已经向赛峰集团发动机公司提供验证机的前部和尾部旋转架，为组装和测试做准备。
“我们目前在进行发动机的组装，工程师们正在瑞典为赛峰集团发动机公司提供现场支持和操作，”GKN发动机系统部门高级工程总监亨里克·伦内马默 (Henrik Runnemalm)说道，“接下来，我们将在赛峰集团发动机公司于法国的测试设施内开始地面演示，届时，我们将研究不同发动机模块的不同性能表现。”
赛峰集团发动机公司的开式转子发动机首席工程师奥利维尔·容格 (Olivier Jung) 表示，验证机的大部分制造工作已经完成，公司将在夏末开始地面测试。他说道：“对于整个测试，80%的组件的制造已经完成。目前正在诺曼底测试设备和组装。露天试验台已经建立，它将在夏末全面运行，以进行发动机测试。”
2011年3月8日，展会现场展示赛峰集团发动机公司的飞机发动机涡轮。摄影：新华社 宋振平
然而，具体的飞行测试时间尚不确定。清洁天空计划第1阶段的空客A340飞行测试原定于2019年进行，但由于开发的延迟，该项目被推迟到清洁天空计划第2阶段，目前尚未确定新的飞行测试日期。
今年早些时候，道奇艾特说：飞行测试将在地面测试“至少四年后”。然而，荣格并没有排除2019年进行飞行测试的可能性。
“我们正与空客合作评估该时间段内进行此种测试的价值，”他说，“现在最重要的是，在声顺演示后验证动力装置的机械性能，以扩展开式转子发动机技术在未来十年的区域或中短程应用。”
开式转子研究面临的一个关键障碍是发动机噪声不能处在常规涡扇发动机舱的水平。除了满足减排目标，航空业也必须在严格的噪声规定范围内运作。
ICAO（国际民航组织）的最新噪声标准第14章指出，从2017年起，新的大型商用飞机的噪声水平必须至少比现行第4章的标准低7 EPNdB（有效感知噪声分贝）。小型飞机则需自2020年起开始遵守这一规定。
英国航空环境联合会 (AEF) 会长蒂姆·约翰逊 (Tim Johnson) 担心虽然开式转子发动机可能满足噪声分贝要求，但这种类型的发动机其声音特征难以让地面的人接受，开式转子发动机是否不会像常规涡轮风扇发动机那样“烦人”的问题并没有得到解决。
然而，如果这些担心被证明是毫无根据的，约翰逊非常乐意看到开式转子发动机带来的效率提升。“我们欢迎效率更高而且没有噪声问题的发动机，”他说，“我们更愿意从源头实现减排，而不是通过抵消或弥补的方式减少排放。”
赛峰集团发动机公司的荣格认为，开式转子发动机有不同的声音特征，但他相信这些问题是可以解决的。“通过利用CFD（计算流体动力学）和先进螺旋桨叶片概念的气动声学风洞测试，赛峰集团证明了开式转子发动机不仅符合新的噪声标准认证（第14章），而且还达到了预期的性能水平，”他说。
“的确，我们的设计还有需要改进的地方，该发动机噪声还能降到更低的水平。开式转子发动机和涡轮风扇发动机的声音区别非常明显，尤其是声音特色上面。然而，赛峰集团发动机公司的声学感知研究表明这两种发动机技术的噪声水平并没有表现出很显著的差异。”
GKN必须克服发动机机架设计的相关挑战，而不能像常规的涡轮风扇发动机一样不能移动。“这种发动机推进系统是进行反向旋转，旋转机架位于发动机后部。机架通常是静止不动的，但开式转子发动机的机架不仅能作为静止机架，还能随着发动机的叶片转动，” 伦内马默说道。
“这种静止兼旋转机架带来了新的挑战。不像静止机架，旋转机架是至为重要的安全部件。”旋转模块必须提供足够的设计空间，并能调整前后叶片的俯仰角，从而使发动机在各个飞行阶段的性能达到最大化。
“调整俯仰角的能力是确保开式转子发动机发挥最优性能的关键，” 伦内马默说道，“GKN航空航天公司的旋转模块设计必须使俯仰机制能在发动机中心实现叶片俯仰角的控制。”
从静止机架转为旋转机架必须更换材料，GKN使用了镍基合金，因为这种材料可以承受极热气体在表面移动而不受损坏。伦内马默表示，材料质量和功能持续性是开发过程中面临的主要挑战，GKN不得不采用新工艺来克服这个问题。
“我们使用了包括激光焊接（通常运用在静止部件上）和电火花加工在内的一套全新的制造工艺，确保材料的有效利用，”他说。
开式转子发动机预计将于2030 - 2035年投入商业服务，具体有赖于全新机身的开发。“我们认为开式转子发动机可能更适合支线飞机这种较短的小型机身，而非大型的长途客运飞机，” 伦内马默说道。
发动机制造商和机身制造商之间的密切合作对于开式转子发动机将如何融入未来的飞机设计中至关重要，正如赛峰集团发动机公司的荣格所说：“十几年来，我们一直在就这个问题与机身制造商合作，目前，我们仍然在评估开式转子的不同配置。”
“测试将在今年年底前进行，这将有助于确定最合适的配置。”（来源：飞行国际 编译：普林斯）
来源：看航空
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