開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用淺析

王 軒（深圳航空有限責(zé)任公司，518128）

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用淺析

王 軒
（深圳航空有限責(zé)任公司，518128）

全球氣候正呈現(xiàn)出逐漸變暖的趨勢(shì)，歐盟航空業(yè)需要為降低飛機(jī)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(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，將在2030年推出的裝備反向旋轉(zhuǎn)的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的短-中程大型客機(jī)在技術(shù)上是可行的，而且也將符合國(guó)際民航組織的新噪聲限值規(guī)定，研究表明開放轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)更加經(jīng)濟(jì)，特別是減少飛機(jī)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(duì)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃v耗情況產(chǎn)生不利影響。

開式轉(zhuǎn)子；涵道比；節(jié)能減排

全球氣候正呈現(xiàn)出逐漸變暖的趨勢(shì)，歐盟航空業(yè)需要為降低飛機(jī)的溫室氣體排放和噪音作出努力。航空運(yùn)輸過程中排出的溫室氣體雖然目前對(duì)全球氣候變暖的影響相對(duì)較小，但這種影響隨著航空運(yùn)輸活動(dòng)的增加在日益加大，由歐盟提出的為配合新環(huán)保要求針對(duì)歐洲航空業(yè)設(shè)計(jì)的大型科技研發(fā)計(jì)劃——清潔天空計(jì)劃。計(jì)劃將通過改善飛機(jī)的燃油系統(tǒng)等舉措，降低飛機(jī)的噪音和溫室氣體排放，減少航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響，從而建立一個(gè)創(chuàng)新的、具有競(jìng)爭(zhēng)力的歐洲航空運(yùn)輸體系。清潔天空”計(jì)劃首批技術(shù)項(xiàng)目涉及5個(gè)領(lǐng)域中的72項(xiàng)研究課題，這5個(gè)領(lǐng)域包括環(huán)保支線飛機(jī)、環(huán)保旋翼飛機(jī)、環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)、靈巧固定翼飛機(jī)和環(huán)保運(yùn)行系統(tǒng)。在歐洲實(shí)施“清潔天空計(jì)劃”的背景下，由空客公司和斯奈克瑪公司帶頭進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，將在2030年推出的裝備反向旋轉(zhuǎn)的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的短-中程大型客機(jī)在技術(shù)上是可行的，而且也將符合國(guó)際民航組織的新噪聲限值規(guī)定?？湛桶l(fā)動(dòng)機(jī)安全工程師查理（Charlie Rulleau）稱，研究表明開放轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)更加經(jīng)濟(jì)，特別是減少飛機(jī)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(duì)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃耗情況產(chǎn)生不利影響。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)極有可能在未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)中扮演重要角色。這是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)史上的一次創(chuàng)新。雖然目前技術(shù)還未成熟，但是可以大膽預(yù)測(cè)，這種開式轉(zhuǎn)子將會(huì)廣泛應(yīng)用在窄體客機(jī)上。

1 開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單介紹

槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)也稱無涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然具有燃油效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是槳葉直徑大，噪聲大，很難通過適航認(rèn)證。對(duì)傳統(tǒng)的槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)沒有外涵道外殼，超高的涵道比使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗降低了10%。在上世紀(jì)80年代末，通用電氣就對(duì)GE36無涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行過飛行驗(yàn)證，石油危機(jī)結(jié)束，開式轉(zhuǎn)子的研究熱度大大降低。2010年后，在全球節(jié)能減排的趨勢(shì)下，開式轉(zhuǎn)子再次成為航空領(lǐng)域的熱點(diǎn)，美國(guó)NASA出資支持通用電氣對(duì)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的槳葉進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，斯奈克瑪也將目光投向了開式轉(zhuǎn)子。在歐洲“清潔天空”的計(jì)劃下開式轉(zhuǎn)子再次被科學(xué)家關(guān)注。

2 開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及技術(shù)瓶頸

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)采用一對(duì)可以相互反轉(zhuǎn)的風(fēng)扇，可以設(shè)計(jì)成推動(dòng)式或者拉動(dòng)式，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具有超高的涵道比，沒有發(fā)動(dòng)機(jī)短艙，減小了阻力。設(shè)計(jì)上與上世紀(jì)80年代個(gè)GE公司的GE36無涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)非常相似。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑大約為涵道短艙寬度的2倍，發(fā)動(dòng)機(jī)的重量增加，如果仍然把發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼上，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和尺寸也會(huì)有更高的要求，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)重量增加.開式轉(zhuǎn)子的槳葉直徑約為4.3米（170英寸），無法采用傳統(tǒng)的低翼布局加翼下吊艙的發(fā)動(dòng)機(jī)布置方案，宜采用發(fā)動(dòng)機(jī)后機(jī)身安裝方式（尾吊式）。高翼布局使得旋轉(zhuǎn)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(huì)改變?nèi)珯C(jī)的重心位置。由于開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子裸露在外，為了避免葉片斷裂擊中飛機(jī)，對(duì)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有了更高的要求，同時(shí)還要控制飛機(jī)的重量。這是一大技術(shù)瓶頸。完全裸露的轉(zhuǎn)子在遭到雷擊，鳥擊或者惡劣天氣下如何保證飛機(jī)的正常飛機(jī)也是需要解決的技術(shù)問題。

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)所存在的技術(shù)難點(diǎn)主要包括噪聲和振動(dòng)（包括機(jī)艙內(nèi)和艙外） 機(jī)身和機(jī)翼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度， 適航條件 （如鳥撞問題），發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝，齒輪箱的冷卻和可靠性問題以及葉片設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。其中開式轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計(jì)包括槳盤載荷、 葉尖速度、 葉片數(shù)、 掠型等參數(shù)的選取， 還要考慮槳葉的扭向規(guī)律、葉尖的設(shè)計(jì)等問題。開式轉(zhuǎn)子葉片最初的設(shè)計(jì)思路是通過提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率， 隨著風(fēng)扇直徑的增大， 去掉風(fēng)扇外的機(jī)匣便成為一種選擇， 這樣，在葉片流動(dòng)就具有了螺旋槳的流動(dòng)特征。因此， 開式轉(zhuǎn)子葉片氣動(dòng)性能的研究可以從螺旋槳?dú)鈩?dòng)性能的研究方法入手

3 開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用前景

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)可以顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗，但是由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適用于窄體客機(jī)，當(dāng)這一技術(shù)成熟后，再隨著材料科學(xué)的發(fā)展，期望找到新材料減輕重量，提高轉(zhuǎn)子強(qiáng)度，設(shè)想會(huì)運(yùn)用到寬體客機(jī)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(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)研制與進(jìn)展［J］， 國(guó)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