开式转子发动机设计与应用浅析

王 轩（深圳航空有限责任公司，518128）

开式转子发动机设计与应用浅析

王 轩
（深圳航空有限责任公司，518128）

全球气候正呈现出逐渐变暖的趋势，欧盟航空业需要为降低飞机的温室气体排放和噪音作出努力。由空客公司和斯奈克玛公司带头进行的研究发现，将在2030年推出的装备反向旋转的开式转子发动机的短-中程大型客机在技术上是可行的，而且也将符合国际民航组织的新噪声限值规定，研究表明开放转子发动机是降低燃料消耗和减排的最佳选择。下一步要做的是使该款飞机更加经济，特别是减少飞机将增加的重量，以满足叶片高速安全性要求，增加的重量将对开式转子发动机的燃v耗情况产生不利影响。

开式转子；涵道比；节能减排

全球气候正呈现出逐渐变暖的趋势，欧盟航空业需要为降低飞机的温室气体排放和噪音作出努力。航空运输过程中排出的温室气体虽然目前对全球气候变暖的影响相对较小，但这种影响随着航空运输活动的增加在日益加大，由欧盟提出的为配合新环保要求针对欧洲航空业设计的大型科技研发计划——清洁天空计划。计划将通过改善飞机的燃油系统等举措，降低飞机的噪音和温室气体排放，减少航空运输对环境的影响，从而建立一个创新的、具有竞争力的欧洲航空运输体系。清洁天空”计划首批技术项目涉及5个领域中的72项研究课题，这5个领域包括环保支线飞机、环保旋翼飞机、环保发动机、灵巧固定翼飞机和环保运行系统。在欧洲实施“清洁天空计划”的背景下，由空客公司和斯奈克玛公司带头进行的研究发现，将在2030年推出的装备反向旋转的开式转子发动机的短-中程大型客机在技术上是可行的，而且也将符合国际民航组织的新噪声限值规定。空客发动机安全工程师查理（Charlie Rulleau）称，研究表明开放转子发动机是降低燃料消耗和减排的最佳选择。下一步要做的是使该款飞机更加经济，特别是减少飞机将增加的重量，以满足叶片高速安全性要求，增加的重量将对开式转子发动机的燃耗情况产生不利影响。开式转子发动机极有可能在未来航空发动机中扮演重要角色。这是发动机转子设计史上的一次创新。虽然目前技术还未成熟，但是可以大胆预测，这种开式转子将会广泛应用在窄体客机上。

1 开式转子发动机的简单介绍

桨扇发动机也称无涵道风扇发动机，虽然具有燃油效率高等优点，但是桨叶直径大，噪声大，很难通过适航认证。对传统的桨扇发动机进行改进，设计出开式转子发动机。开式转子发动机没有外涵道外壳，超高的涵道比使发动机的燃油消耗降低了10%。在上世纪80年代末，通用电气就对GE36无涵道风扇发动机进行过飞行验证，石油危机结束，开式转子的研究热度大大降低。2010年后，在全球节能减排的趋势下，开式转子再次成为航空领域的热点，美国NASA出资支持通用电气对开式转子发动机的桨叶进行了风洞试验，斯奈克玛也将目光投向了开式转子。在欧洲“清洁天空”的计划下开式转子再次被科学家关注。

2 开式转子发动机的工作原理及技术瓶颈

开式转子发动机采用一对可以相互反转的风扇，可以设计成推动式或者拉动式，开式转子发动机具有超高的涵道比，没有发动机短舱，减小了阻力。设计上与上世纪80年代个GE公司的GE36无涵道风扇发动机非常相似。开式转子发动机的风扇直径大约为涵道短舱宽度的2倍，发动机的重量增加，如果仍然把发动机安装在机翼上，对支撑结构的强度和尺寸也会有更高的要求，这会导致发动机重量增加.开式转子的桨叶直径约为4.3米（170英寸），无法采用传统的低翼布局加翼下吊舱的发动机布置方案，宜采用发动机后机身安装方式（尾吊式）。高翼布局使得旋转的桨叶更靠近座舱，更多的翼段暴露在桨叶的下洗流中。尾吊式会改变全机的重心位置。由于开式转子发动机的转子裸露在外，为了避免叶片断裂击中飞机，对转子的结构强度有了更高的要求，同时还要控制飞机的重量。这是一大技术瓶颈。完全裸露的转子在遭到雷击，鸟击或者恶劣天气下如何保证飞机的正常飞机也是需要解决的技术问题。

开式转子发动机所存在的技术难点主要包括噪声和振动（包括机舱内和舱外） 机身和机翼的结构强度， 适航条件 （如鸟撞问题），发动机的安装，齿轮箱的冷却和可靠性问题以及叶片设计等几个方面。其中开式转子叶片的设计包括桨盘载荷、 叶尖速度、 叶片数、 掠型等参数的选取， 还要考虑桨叶的扭向规律、叶尖的设计等问题。开式转子叶片最初的设计思路是通过提高涡扇发动机的涵道比来提高发动机的推进效率， 随着风扇直径的增大， 去掉风扇外的机匣便成为一种选择， 这样，在叶片流动就具有了螺旋桨的流动特征。因此， 开式转子叶片气动性能的研究可以从螺旋桨气动性能的研究方法入手

3 开式转子发动机应用前景

开式转子发动机可以显著降低发动机的燃油消耗，但是由于其结构特点，适用于窄体客机，当这一技术成熟后，再随着材料科学的发展，期望找到新材料减轻重量，提高转子强度，设想会运用到宽体客机上。

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

［2］ 刘红霞，梁春华.开式转子发动机研制与进展［J］， 国际航空，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