开式转子航空发动机的进化轨迹

导读：据《航空周刊》6月25日报道，开放式转子发动机并不是一个新概念。自 1970 年代最早开始研发以来，该概念逐渐演变为可行的推进系统，可同时满足现代噪音要求和两位数燃烧效率提升的性能目标。近日，CFM国际公司近日公布了下一代民航发动机开放式转子样机的历史性产品。本文回顾了实现这一目标的漫长且有时崎岖不平的道路上的一些关键里程碑。

开放式转子发动机的设计可以追溯到 1970 年代中期，随着国家石油危机1973 针对性反应，NASA 建立了先进的涡轮螺旋桨发动机项目，将螺旋桨的低速推进效率扩展到更高的亚音速。

这个概念的关键是汉密尔顿标准设计的新型高后掠薄叶片，以减少可压缩性的影响。在风洞测试中，弯刀叶片表明，对于以 0.8 马赫巡航的中程客机，潜在的燃油节省超过 20%。

1987年，根据Propfan试验和评估计划，该设计安装在艾里逊501涡轮螺旋桨发动机上。并在湾流 II 飞机上以拖拉机配置飞行。

在另一波燃油价格上涨的推动下，该概念进一步衍生并推出了 GE36 Unducted Fan (UDF) )-螺旋桨的螺旋桨类似于螺旋桨-但由改进的涡轮风扇发动机而不是涡轮螺旋桨发动机驱动。该设计也正式称为开放式转子发动机，它有两排向相反方向旋转的叶片，以减少涡流损失并产生近轴向出口流。

从1986年到1887年，每排8个叶片的GE36发动机在波音727-100飞行试验台上进行了测试，然后从1987年到1988年在麦克唐纳道格拉斯MD-80客机上进行了测试。进一步测试，UDF发动机进行了第二次测试，前排10片叶片，后排8片叶片。

General Electric GE36 发动机，涡扇转子直径为 11 英尺（后转子），其推力为 25,000 磅。

GE36 发动机由涡轮通过反向旋转的无定子涡轮级直接驱动。尽管这有效地使涡轮发动机的速度加倍，使涡轮发动机更小且更高效，但也导致了复杂的机械布置。前级风扇由安装在机壳内部的涡轮叶片驱动，后级风扇由安装在轴上的叶片驱动。热和负载不平衡问题推动了对轻质复合风扇叶片的需求——该技术后来首次用于 GE90。

随后，汉密尔顿标准和艾里森还与普惠公司合作开发了 578-DX 开放式转子发动机。带有两排反向旋转的风扇叶片。与直驱GE36发动机不同的是，578-DX发动机在低压压缩机和风扇叶片之间集成了13:1的减速齿轮箱。 578-DX发动机的飞行试验是1989年在MD-80客机上进行的，一排有六个叶片。涡轮风扇转子的直径为 11 英尺（后转子），其推力为 22,000 磅。

在 2000 年代，随着燃料价格的上涨，美国和欧洲的研究项目集中于噪音、振动、和热管理与机身的集成重新点燃了对开放式转子发动机的兴趣。从 2009 年到 2012 年，NASA、FAA 和 GE 使用现代基于计算机的设计方法对源自 GE36 的叶片设计进行了大规模气动声学测试。

NASA 使用计算流体动力学求解器来分析反向旋转的开放式转子的流动和相互作用效应。在这张图片中，红色粒子播种在上游叶子上，蓝色粒子播种在后叶上。除了改进叶片几何形状外，NASA 和 GE 还根据 1980 年代的降噪经验进行了进一步的测试，包括增加叶片数量、减少车轮上的负载、增加转子之间的距离和挂架之间的间距。和转子，以及 剪切后转子以减少尖端涡流相互作用。

在欧洲清洁天空航空研究计划中，赛峰集团牵头的最终反向旋转开式转子发动机项目CROR 结束。最初的支持工作包括对先进的低噪声叶片设计和发动机配置中叶片组之间的音调相互作用进行气动声学测试。

CROR项目测试于2017年完成，基于SAGE 2开放式转子发动机（可持续和绿色发动机）项目.开放式转子发动机设计由两个反向旋转级组成，由军用飞机发动机 M88 的核心发动机提供动力。发动机推力范围为 25,000 至 30,000 磅。

GE Aviation 和 Safran 的开放式风扇配置为牵引设计，具有单级旋转叶片和二级主动可变螺距定子。该发动机将根据 CFM 的可持续发动机革命性创新 (RISE) 计划进行测试，包括紧凑型核心发动机、新型低排放燃烧器、热交换器和用于混合动力系统的发电机。

文章来源：《航空动力学报》 网址: http://www.hkdlxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0626/1410.html