【行业观察】CFM 国际公司公布下一代航空发动机开式转子项目细节
导读：据《航空周刊》6月25日报道，整个航空业正在加速寻求可持续性发展，这推动了航空发动机制造商们在燃油效率方面做出重大改变。尽管存在风险，但 CFM 国际公司相信其新公布的下一代发动机——开式转子发动机，可以帮助弥合这一差距，并在2030年左右实现服役。
这一大胆举措的目标是开发一种单级、齿轮驱动的风扇和主动可变螺距定子，这是一种之前从未进行过全面测试的设计。该项目计划采用直径超过 12 英尺的旋翼，这也向飞机制造商空客和波音提出了挑战，他们在未来十年考虑更雄心勃勃的新单通道客机设计时，必须考虑该类新型发动机的安装。
该开式转子发动机的目标推力区域为20,000~35,000 磅，计划在2025年就开始进入飞行测试。
虽然竞争对手普惠公司和罗罗公司已经为他们未来的民用航空发动机采用了更高涵道的齿轮驱动涡轮风扇，但为什么 CFM 国际公司的2位股东——美国GE航空和法国赛峰飞机发动机公司要赌技术上雄心勃勃的开式风扇呢？尽管该概念通过消除风扇管道来增加涵道比，并由于较低的风扇压力比而提供燃油效率两位数的提升，但迄今为止这一设计从未超越过实验阶段。
CFM 国际公司表示，答案是时机和技术。自从上世纪70 年代首次构想开式转子发动机以来，这一概念的命运就与石油价格息息相关。当 上世纪80 年代后期喷气燃料的成本下降时，发动机制造商们对开式转子发动机的兴趣也随之下降。航空航天业最近转向可持续发展的战略支点有效地又一次推动这一技术的发展。高效推进系统的未来现在越来越多地受到净零碳排放的必要性的推动，并且不再仅仅受能源成本的制约。
从技术上讲，这家发动机企业认为该概念已准备好迎接黄金时期，因为经过大西洋两岸十多年的研究和开发，它表示可以克服噪音和机身集成（即发动机安装）的关键挑战。CFM 国际公司表示，航空声学的进步——从基于计算机的叶片设计改进到优化的级间间距——已经使开放式转子发动机达到未来的噪音极限，而且仍有可能取得更多进展。
但重大挑战依然存在。为了在降低项目风险的同时加速进度，新发动机将作为 CFM 国际公司新推出的可持续发动机革命性创新(RISE) 计划下的一系列颠覆性技术的一部分进行开发。与当前发动机相比，RISE 项目的目标是将燃料消耗和 CO2排放量减少 20% ，其目标是成为当前 20,000~35,000 磅推力级别的 Leap 1 系列涡扇发动机的后继产品。
CFM国际公司相信，转向开放式转子将使下一代动力装置步入正轨，以实现到 2050 年将 CO2排放量减半的国际商定目标。虽然行业的大部分研究重点是小型飞机的电动和混合动力推力系统，但大型飞机的动力需求将需要对基于燃气轮机的发动机进行持续改进——开放式风扇就是其中之一。
CFM 国际公司的开式转子发动机设计理念
尽管在 2010 年代后期，与 CFM56发动机相比，直接驱动 Leap 1系列发动机的燃油消耗和排放量提高了 15%，但 CFM国际公司表示，进一步节省 20% 的前景使得开式风扇设计概念对下一代单通道发动机具有吸引力。
GE航空公司总裁兼首席执行官约翰·斯拉特里（John Slattery）表示：“任何机身制造商都很难不感到兴奋，他们热衷于学习更多东西。自 2019 年以来，我们一直在研究这项技术，并让我们的机身合作伙伴了解更广泛的领域。”
作为更广泛关注航空可持续性的一部分，RISE 项目还将包括开发和测试多种新的燃烧器设计，以确保未来与可持续航空燃料 (SAF) 和液氢的兼容性。开式转子发动机还将配置电动发电机，使其能够适应混合动力电动操作。
通过包括可燃 SAF 和氢燃料的航空燃烧器设计，该技术演示计划支持空客和波音公司采用不同的未来燃料战略。氢燃料现在是空客公司下一代区域和单通道客机设计规划的核心内容，而波音公司已承诺到 2030 年认证其产品线以100% SAF运行。
赛峰集团首席执行官奥利维尔·安德里斯 (Olivier Andries)表示，该项目具有挑战性，但在发动机方面并没有那么大，他认为：“大约 90% 将是相同的——挑战主要是发动机与飞机系统的集成。”
“为了实现这种碳减排，我们认为时机已到.”GE航空公司先进技术运营总经理阿尔扬·赫格曼（Arjan Hegeman ）表示：“开放式风扇架构消除了风扇周围的整个结构。因此，您减轻了很多重量，减少了很多阻力，从而获得了最终的推进效率。”
RISE 项目建立在 GE 公司和 赛峰集团早在上世纪80 年代开展的无风道风扇开发工作，以及最近与欧洲和美国监管机构研究合作基础上。早在2017年，法国赛峰公司领导开式转子发动机项目(CROR)在欧洲清洁天空航空研究计划中获得2 亿欧元（2.4 亿美元）资助，完成了一台SAGE 2（可持续和绿色发动机）发动机样机。
赛峰集团和GE公司旗下的 Avio Aero公司提出了清洁航空项目的后续示范计划，这是欧盟更广泛的“地平线欧洲”研究和创新框架下清洁天空的后续计划。假设获得清洁航空合同，RISE项目将部分得到欧洲政府研究资金的支持。
欧洲清洁航空项目计划于 2022~2028 年运行，包括地面和飞行演示。在此架构中，CFM 国际公司旨在进行一系列广泛的组件测试，直至 2024~2025 年左右在加利福尼亚州维克多维尔进行初始飞行测试。从早期的推式演示样机（如 CROR 和 GE36）转换为拉式配置，从而可以在一些现有的试验台飞机上进行飞行测试，而无需对机身进行重大修改。拉式配置还允许在机械上更简单的集成。
RISE 项目的开式风扇还将包括一个新的紧凑型高压核心机，以提高热力学效率，以及一个热回收系统，以利用废气中的废热预热燃烧空气。演示样机还将使用先进材料，例如在热端部件采用陶瓷基复合材料和基于树脂传递模塑工艺的复合材料风扇叶片。
开放式风扇的一个显着新特征是第二个非旋转级的主动可变螺距定子，它将充当流量回收叶片。该设计增加了整体风扇压力比，同时减少了转子负载，从而实现了更高的最大飞行马赫数。旋转前级将由高速增压压气机和高速、低压轴驱动的前齿轮箱提供动力。
赛峰集团 RISE 项目的执行经理德尔菲娜·迪约（Delphine Dijoud）表示：“与 GE36 和 CROR 发动机相比，我们简化了架构。你只有一个旋转级，然后你有导向叶片，它们是定子。两个阶段都有变桨控制，因此您可以拥有可变桨距和反推功能。”目前在设计消除了对转结构和相关的旋转框架，减轻了重量并提高了可靠性。
GE 航空公司的赫格曼表示，提高风扇效率将有助于减小尺寸、帮助机身集成和降低噪音。“我们一直在对技术和我们的工程工具进行微调，以使声学效果达到他们需要的水平，”他说：“我们还能够将风扇从 16 英尺进一步缩小。这个推力等级的风扇直径在上世纪80 年代回到了 12~13 英尺。这并不比今天的机舱外径大多少，这使得它非常适合安装在窄体型机身上。因此，我们可以达到我们推力级别的声学要求，同时获得两位数的性能改进。”
演示样机还将为产品的适航认证铺平道路，早在 2015 年，欧盟航空安全局 (EASA) 的拟议修正案通知中就已考虑了各种问题。“开式转子概念不打算作为螺旋桨/发动机安装进行认证，”EASA 说。“由于复杂的集成，它旨在被认证为集成发动机概念。”
根据当前的机身和发动机认证要求，开式风扇推进系统可能需要满足现有的涡桨发动机规则——根据该规则，螺旋桨制造商必须证明风扇叶片不能分离。此外，该设计预计将满足当前对叶片桨距控制和避免超速情况的要求。类似于当前涡扇发动机适航中规定的叶片脱落要求也将成为机身制造商的一个因素。
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