開式轉子發動機設計與應用淺析

王 軒（深圳航空有限責任公司，518128）

開式轉子發動機設計與應用淺析

王 軒
（深圳航空有限責任公司，518128）

全球氣候正呈現出逐漸變暖的趨勢，歐盟航空業需要為降低飛機的溫室氣體排放和噪音作出努力。由空客公司和斯奈克瑪公司帶頭進行的研究發現，將在2030年推出的裝備反向旋轉的開式轉子發動機的短-中程大型客機在技術上是可行的，而且也將符合國際民航組織的新噪聲限值規定，研究表明開放轉子發動機是降低燃料消耗和減排的最佳選擇。下一步要做的是使該款飛機更加經濟，特別是減少飛機將增加的重量，以滿足葉片高速安全性要求，增加的重量將對開式轉子發動機的燃v耗情況產生不利影響。

開式轉子；涵道比；節能減排

全球氣候正呈現出逐漸變暖的趨勢，歐盟航空業需要為降低飛機的溫室氣體排放和噪音作出努力。航空運輸過程中排出的溫室氣體雖然目前對全球氣候變暖的影響相對較小，但這種影響隨著航空運輸活動的增加在日益加大，由歐盟提出的為配合新環保要求針對歐洲航空業設計的大型科技研發計劃——清潔天空計劃。計劃將通過改善飛機的燃油系統等舉措，降低飛機的噪音和溫室氣體排放，減少航空運輸對環境的影響，從而建立一個創新的、具有競爭力的歐洲航空運輸體系。清潔天空”計劃首批技術項目涉及5個領域中的72項研究課題，這5個領域包括環保支線飛機、環保旋翼飛機、環保發動機、靈巧固定翼飛機和環保運行系統。在歐洲實施“清潔天空計劃”的背景下，由空客公司和斯奈克瑪公司帶頭進行的研究發現，將在2030年推出的裝備反向旋轉的開式轉子發動機的短-中程大型客機在技術上是可行的，而且也將符合國際民航組織的新噪聲限值規定。空客發動機安全工程師查理（Charlie Rulleau）稱，研究表明開放轉子發動機是降低燃料消耗和減排的最佳選擇。下一步要做的是使該款飛機更加經濟，特別是減少飛機將增加的重量，以滿足葉片高速安全性要求，增加的重量將對開式轉子發動機的燃耗情況產生不利影響。開式轉子發動機極有可能在未來航空發動機中扮演重要角色。這是發動機轉子設計史上的一次創新。雖然目前技術還未成熟，但是可以大膽預測，這種開式轉子將會廣泛應用在窄體客機上。

1 開式轉子發動機的簡單介紹

槳扇發動機也稱無涵道風扇發動機，雖然具有燃油效率高等優點，但是槳葉直徑大，噪聲大，很難通過適航認證。對傳統的槳扇發動機進行改進，設計出開式轉子發動機。開式轉子發動機沒有外涵道外殼，超高的涵道比使發動機的燃油消耗降低了10%。在上世紀80年代末，通用電氣就對GE36無涵道風扇發動機進行過飛行驗證，石油危機結束，開式轉子的研究熱度大大降低。2010年后，在全球節能減排的趨勢下，開式轉子再次成為航空領域的熱點，美國NASA出資支持通用電氣對開式轉子發動機的槳葉進行了風洞試驗，斯奈克瑪也將目光投向了開式轉子。在歐洲“清潔天空”的計劃下開式轉子再次被科學家關注。

2 開式轉子發動機的工作原理及技術瓶頸

開式轉子發動機采用一對可以相互反轉的風扇，可以設計成推動式或者拉動式，開式轉子發動機具有超高的涵道比，沒有發動機短艙，減小了阻力。設計上與上世紀80年代個GE公司的GE36無涵道風扇發動機非常相似。開式轉子發動機的風扇直徑大約為涵道短艙寬度的2倍，發動機的重量增加，如果仍然把發動機安裝在機翼上，對支撐結構的強度和尺寸也會有更高的要求，這會導致發動機重量增加.開式轉子的槳葉直徑約為4.3米（170英寸），無法采用傳統的低翼布局加翼下吊艙的發動機布置方案，宜采用發動機后機身安裝方式（尾吊式）。高翼布局使得旋轉的槳葉更靠近座艙，更多的翼段暴露在槳葉的下洗流中。尾吊式會改變全機的重心位置。由于開式轉子發動機的轉子裸露在外，為了避免葉片斷裂擊中飛機，對轉子的結構強度有了更高的要求，同時還要控制飛機的重量。這是一大技術瓶頸。完全裸露的轉子在遭到雷擊，鳥擊或者惡劣天氣下如何保證飛機的正常飛機也是需要解決的技術問題。

開式轉子發動機所存在的技術難點主要包括噪聲和振動（包括機艙內和艙外） 機身和機翼的結構強度， 適航條件 （如鳥撞問題），發動機的安裝，齒輪箱的冷卻和可靠性問題以及葉片設計等幾個方面。其中開式轉子葉片的設計包括槳盤載荷、 葉尖速度、 葉片數、 掠型等參數的選取， 還要考慮槳葉的扭向規律、葉尖的設計等問題。開式轉子葉片最初的設計思路是通過提高渦扇發動機的涵道比來提高發動機的推進效率， 隨著風扇直徑的增大， 去掉風扇外的機匣便成為一種選擇， 這樣，在葉片流動就具有了螺旋槳的流動特征。因此， 開式轉子葉片氣動性能的研究可以從螺旋槳氣動性能的研究方法入手

3 開式轉子發動機應用前景

開式轉子發動機可以顯著降低發動機的燃油消耗，但是由于其結構特點，適用于窄體客機，當這一技術成熟后，再隨著材料科學的發展，期望找到新材料減輕重量，提高轉子強度，設想會運用到寬體客機上。

［1］ Roy D.Hager， Deborah Vrabel.Advanced Turboprop Project［R］.NASA-SP 495，1988.

［2］ 劉紅霞，梁春華.開式轉子發動機研制與進展［J］， 國際航空，2010，（4）：75-77.

［3］Wilfert G， et al.CLEAN- Validation of a high efficient low NOx core，a GTF high speed turbine and an integration of a recuperator in an environmental friendly engine concept［R］.AIAA- 2005- 4195/ISABE 2005- 1156.

［4］Schweitzer J K， et al.Validation of propulsion technologies and new engine concepts in a joint technology demonstrator program ［R］.ISABE 2005- 1002.

［5］Next Generation Propulsion & Air Vehicle Considerations ［R］.AIAA-2009- 4803.

Analysis on design and application of open rotor engine

Wang Xuan
（Shenzhen Airlines Ltd.，518128）

The global climate is showing a gradual warming trend，the European aviation industry needs to make efforts to reduce greenhouse gas emissions and noise.Spearheaded by Airbus and SNECMA research found that in 2030 to launch equipment reverse rotation with an open rotor engine short- to medium range airliner in technology is feasible，but also would be consistent with the international civil aviation organization the new noise limit value in terms of the Ming open rotor engine is the best choice for fuel consumption and emission reduction.The next step to do is to make the aircraft more economical，especially reduce the aircraft will increase the weight of， to meet the high speed blade safety requirements，increase the weight will be the open rotor engine fuel consumption situation produce adverse effects.

open rotor；bypass；energy saving and emission reduction