浅谈下一代商用航发的发展方向之一——开式转子(Open Rotor)

浅谈下一代商用航发的发展方向之一——开式转子(Open Rotor)

在我另一篇文章《浅谈新一代窄体客机动力明星,PW1000G与Leap》中介绍了现在投入使用的最新商用航发技术以及一些发展的瓶颈,在这篇文章中我将试着介绍一下一个商用航发的研发方向,以及它面对的挑战。

题图中的开式转子发动机了(Open Rotor),根据评论提醒,它也叫桨扇发动机,题图中是法国赛峰的,但是不止赛峰一家在做这东西,比如美国GE。其实巨头们在开转子这个方向上已经走了几十年了,试飞了很久。

开转子的原理是把一个做功涡轮(不推核心气流的压气机)的功率通过齿轮箱把轴功率分给两个反向旋转的螺旋桨,其中这个螺旋桨的外侧如同超宽弦涡扇发动机的推力风扇一样也是工作在周向超音速条件下。当然对于发动机结构来说,也有双轴的,两轴压气,低压轴带低压压气机同时带螺旋桨(图一),也有三轴的,两轴压气,做功涡轮只带螺旋桨,也有两轴的单轴压气,低压轴只带螺旋桨,这里不再展开。图二是另外一台开转子的半剖图。

浅谈下一代商用航发的发展方向之一——开式转子(Open Rotor)

图一

浅谈下一代商用航发的发展方向之一——开式转子(Open Rotor)

图二

这种发动机有几大优势,:

第一,因为它的桨叶位于发动机尾部,这样由于它吸入的是由发动机短舱外壳产生的附面层效应相对飞行速度减速了的的气流,这降低了风扇前速度,根据物理原则:推力=质量流X(风扇后速度-风扇前速度),推力提高了,而在传统构型发动机,发动机短舱的附面层只能产生阻力。PS:NASA也在做尾置涡扇发动机的整个飞机机身的附面层吸入技术前期研究,原理上是一样的,挑战在于这种附面层吸入对于发动机来说并不是轴对称的。

第二,因为它有两级对转转子,不需要定子导流就可以喷出无自旋的气体,这大幅提高了涡轮机效率,因为两级都可以对空气做功。此外虽然有一个实现对转的齿轮箱,桨叶的转速和低压涡轮一样,做功能力大幅提高,而这么高的转数也就造成了桨叶外侧为周向超音速区,桨叶形状被优化为向后掠。

第三,它的两级对转转子都可以变桨距(pitch),来应对不同的飞行速度和涡轮转数,这又提高了效率。

第四,跟传统涡扇发动机相比它的外涵道没有外壳,省了非常多的重量和阻力,因为这么大的涵道比,外壳尺寸也要被等比放大。

第五,由于没有外壳的限制,涵道比远远大于传统涡扇发动机,而大涵道比又提高了整体热机效率。

这些优势综合起来,使它巡航油耗相比上一代主流航发CFM56低了30%!要知道新一代的中推航发也只比上一代油耗低了15%到20%,而开转子是好几十年前就开始的技术了。

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图三

图三是在9千米高空巡航时,巡航马赫数(横轴)和针对低油耗的最优涵道比(红色虚线,左侧纵轴)的关系。开转子发动机的涵道比大约是30以上,这已经远远超过了在0.7马赫巡航的最优涵道比,纵使它有其它无与伦比的优势,航速还是要比传统的涡扇发动机要慢一些。

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图四

图四为几种航发构型的巡航速度和油耗对比,以上一代中推商用航发为参考,PW1000G的齿轮减速涡扇发动机油耗降低20%,而飞行速度不变。开转子的油耗和涡桨发动机一样,远低于涡扇,但是航速又远快于涡桨发动机,介于涡桨涡扇之间。

噪音!噪音!噪音!

除了巡航速度慢了一些以外,还有一个问题就是它的噪音了,这应该就是杀死它的最终原因了。它的噪音如此之大,DLR(德国宇航局)试飞开转子的试飞员表示自己飞的时候差点跳下去自杀,实在太吵了。

因为空气在两级对转桨叶之间被撕扯,造成了巨大无比的噪音。同样采用对转风扇发动机的俄罗斯战略轰炸机图95在飞行时产生的噪音如此之大,成为唯一可以被美国在北大西洋设置的反潜艇声呐网捕捉到的飞行器。

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图五、六,苏系暴力美学图95

针对噪音,工程师试了几个方向,首先如图六所示,第一级桨叶比第二级的直径更大了一点,这样被第一级桨叶加速的气流在最外面的一层不会被第二级桨叶撕扯,这一层气流包住了内部被撕扯的气流,起到隔音作用,然而现实还是骨感啊,效果非常不理想。

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图六

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图七

还有图七这个方向,工程师做一种全新的飞机气动布局,用主翼和尾翼把开转子发动机包起来降低噪音,这个方向还没有试飞,而且这种构型造成的结构重量太大,反而又削弱了开转子的低油耗优势,而且降噪效果应该也不是十分的理想。

综上所述,非常遗憾,这种发动机在未来投入商用的可能性非常非常非常低。

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