开式转子发动机发展历程梳理
作者：hai水火焰
2020年6月14日，通用电气（GE）和赛峰共同宣布启动RISE项目（Revolutionary Innovation for Sustainable Engines，可持续发动机革命性创新），并展示了新的开式转子发动机（Open Rotor Engine）原型机，使得开式转子发动机再次进入人们的视野。事实上，开式转子发动机并非新兴概念，早在上世纪70年代，美国Hamilton Standard公司就在其1976年申请的专利“Multi-bladed, high speed prop-fan”中提出了Propfan的概念。它有一系列的名称：桨扇发动机（Propfan）、无涵道风扇发动机（Unducted Fan Engine，UDF），鉴于其巨大节油潜力与桨叶外围无罩的结构特点，近年来国际上通称其为“开式转子发动机”。自开式转子概念诞生以来，已经走过了几十个年头。
一、什么是开式转子发动机
开式转子发动机本质上是一台涡轮喷气发动机通过动力涡轮输出轴功率驱动安装在机舱外的螺旋桨/风扇，亦即它是介于传统涡桨和涡扇之间的一种桨扇发动机，既可以将它看作是具有先进高速螺旋桨的涡桨发动机，又可以将它看作没有外涵道的涡扇发动机，因此其兼具涡桨发动机的燃油经济性及涡扇发动机的速度与性能。
开式转子具有如下优势：
（1）相对于同等推力的涡扇发动机，开式转子发动机具有较低的燃油消耗和二氧化碳排放量；
（2）开式转子发动机由于没有外涵道机匣的限制，可以通过螺旋桨叶片的直径实现超高涵道比，从而实现更高的推进效率；
（3）使用后排螺旋桨抵消前排螺旋桨产生的涡流，从而产生更直接的推力，可以进一步提高开式转子发动机的推进效率。
二、GE UDF项目
在美国国家航空航天局（NASA）的推动下，GE于上世纪80年代开始对开式转子发动机进行研究，其研究推动了开式转子发动机概念的发展。
（一）GE 36 UDF发动机
（1）GE 36 UDF发动机结构特点
GE联合当时的法国斯奈克玛（负责高压压气机和燃烧室的设计）公司对标准的中等推力F404军用发动机进行改进，开发出一种无涵道风扇发动机概念验证机GE 36，如图所示。其结构特点如下：（1）采用先进的弯刀形“螺旋桨”叶片，直径约6英尺（1.8288米）；（2）采用反向旋转风扇。前级风扇由安装在外壳内侧的涡轮叶片驱动，而后级风扇由安装在轴上的叶片驱动。（3）取消了齿轮箱设计，风扇叶片由涡轮直接驱动。这是因为反向旋转使相对速度加倍，那么涡轮就可以以传统涡轮一半的转速运行，因此不再需要减速齿轮箱来驱动风扇。（4）轮毂与叶片尖端半径比大。由于对转螺旋桨要求的低转速，涡轮必须比平时更宽才能产生足够的功率，因此GE36的轮毂与叶片尖端半径比相较于齿轮传动桨扇发动机设计高出约75%。
图1 GE36 UDF发动机结构示意图
（2）项目进展
UnDucted Fan(UDF®)项目是NASA与GE在上世纪80年代后期合作进行的项目。如图所示，最初UDF项目包括三个阶段：大比例缩比模型技术开发与风洞试验、原型发动机的开发与试验、飞行试飞试验。
图2 20世纪80年代UDF概念验证试验项目进展
第一阶段是早期UDF概念验证阶段，即试验台与缩比模型的设计与试验阶段，共计完成了2500小时的缩比模型试验。完成了缩比模型及推进模拟器(MPS)设备的设计，同时完成缩比模型在多种试验台进行过相关试验。其目的是深入了解开式转子空气动力学性能和声学原理。
第二阶段是产品开发计划，计划安装在MD-91和MD-92上，但由于噪音问题，再加90年代初油价下跌，该项目于1989年被取消。GE 36发动机于1985年进行了累积162小时的地面试验。
第三阶段飞行试验分别于1987年和1988年在波音727-100（反向旋转叶片采用8x8的叶片配置）和麦道MD-80（反向旋转叶片采用10x8的叶片配置）两架飞机上进行，总计281小时的飞行测试发现，与现代涡扇发动机相比，GE36的燃油消耗量减少了15%。
在80年代末，由于开式转子发动机噪音问题及油价下跌，GE36项目被取消。
（3）对后续研究的影响
一方面，UDF项目验证了缩比模型结果向全尺寸模型应用的可扩展性，即：缩比模型的试验数据可以有效地预测全尺寸模型对应的性能。这种可扩展性是美国联邦航空局（FAA）持续降低能源、排放和噪音（Continuous LowerEnergy, Emissions and Noise，CLEEN）项目中现代开式转子气动声学技术项目的核心，在为翻新的 NASA 试验台上进行缩比模型的技术开发提供了基础，并使用经过验证的工具和方法将这些结果应用到全尺寸模型上。
另一方面，UDF项目为降低噪声提供了以下解决方案，为后续研究奠定了基础：气动声学叶片设计/几何形状、叶片操作桨距/速度优化、增加叶片数量、减少轮盘负载、转子间距优化、后旋翼夹断、增加发动机挂架与旋翼间距、挂架尾流缓解。
（二）GE 36 UDF发动机的优化改进
本世纪初，燃料价格的急剧上涨，以及气候变化问题引发的减排热潮，NASA又燃起对开式转子发动机的研究热情，基于GE 36 UDF设计优化，并进行了一系列气动声学噪声测试与研究。
2009年-2012年， NASA、GE与FAA合作，对采用现代计算机设计开发的带有叶片的开式转子发动机进行了测试。测试表明，当代叶片设计源噪声大幅降低，且当代叶片概念可以实现FAA CLEEN计划的空气动力学性能和声学目标。
NASA 的亚音速固定翼和环保航空计划（Subsonic Fixed Wing and Environmentally Responsible AviationPrograms）都对开式转子发动机进行了研究，为此创建了开式转子发动机模型，用于预测开式转子发动机的性能，预计燃油消耗率比 1990年代降低36%。虽然这种估计存在不确定性，但它们表明开式转子发动机或许能够满足单通道运输机未来的推进要求。
三、SAGE项目
大约在同一时间，在“洁净天空”（clearn sky ）计划的可持续和绿色发动机（Sustainable and GreenEngines，SAGE）项目的努力下，欧洲评估了两个开式转子概念，一个是由罗罗团队提出的RB2011发动机（SAGE1），另一个是由赛峰团队提出的CROR发动机（SAGE2）。
（一）RB2011发动机
罗罗同时推出了牵拉式和推进式开式转子发动机概念。该概念机采用与涡扇发动机技术一致性的双转子结构；通过传动系统将自由动力涡轮的功率传输到螺旋桨；对转螺旋桨的噪声进行了优化设置；螺旋桨变桨机构保持最佳的螺旋桨角度和功率分配。
图3 罗罗推出的推进式和牵拉式开式转子发动机（左图为推进式，右图为牵拉式）
罗罗在DREAM项目中的测试试验台进行相关测试证明了这些设计的有效性。2011年与空中客车公司合作，对第二代CROR叶片成功进行Rig 145“安装和卸载”高速测试，以及于2012年第二季度在Z08风洞测试与空中客车公司成功进行了推进式开式转子发动机测试。
SAGE1项目原计划获得推进系统技术，将技术成熟度 (TRL) 提高到TRL 5。在罗罗做出专注于稀薄燃烧的战略决策后，目标进行了调整：（1）验证用于开放转子情况的快速计算流体动力学 (CFD) 求解器工具。这项工作于2015年完成，重点是根据Z08叶片表面测量值验证极端叶片攻角。（2）部件完整性和叶片设计和材料选择的评估，包括剪切拉伸试验期间高应变率下的样品试验程序。该项目于2015年完工。（3）根据可用试验数据验证稳定性、颤振和强制响应方法。该计划于 2015年完成。（4）使用可用试验数据验证用于开放式转子设计的远场和近场噪声方法。
（二）CROR发动机
赛峰团队基于M88军用发动机开发了对转开式转子（CROR）发动机，并于2017年在法国伊斯特尔进行了首次地面测试，总共70小时，记录了大约100个发动机测试周期。原计划与空客合作，在大型客机平台进行飞行测试，后由于担心机身加固和尾部增重可能导致的叶片分离，空客决定暂停其在A340上的试飞计划。
SAGE 2 项目侧重于复合材料螺旋桨叶片研究（包括气动声学优化）、变桨控制系统、轻量化前后旋转框架（包括旋转外壳的认证问题，控制接口泄漏和减轻重量）、对转减速齿轮箱、动力涡轮（以减轻模块重量并提高性能特征）、润滑和冷却系统等技术的研究。
图4 赛峰2017年推出的CROR样机
四、RISE项目
2020年6月14日，GE和赛峰共同宣布启动RISE项目（Revolutionary Innovation forSustainable Engines），展示了新的开式转子发动机，并于6月25日公布了RISE项目细节：
（1）该发动机将包括一个紧凑型核心机、新型低排放燃烧室、热交换器和用于混合电力系统的电动发电机；
（2）旋转叶片由高速增压压气机和由低压轴驱动的前齿轮箱提供动力；
（3）由早期的推进式改为牵拉式结构；
（4）第二排叶片由旋转部件改为主动可变螺距定子，充当流量回收叶片。该设计增加了整体风扇的压比，同时减少了转子负载，从而实现了更高的最大飞行马赫数；
（5）由于取消第二排旋转叶片设计，因此在设计中消除了对转结构和相关的旋转框架，减轻发动机重量的同时有效提高可靠性；
（6）直径为12~13英尺（3.7~4米）的叶片，能够使发动机在满足噪声需求的同时提高性能，非常适合安装在窄体机身上。
RISE项目的目标是减少20%的碳排放，并采用100%的可持续航空燃料（SAF），成为Leap 1系列涡扇发动机的后继产品。此外，团队制订了全面的技术路线，并计划推出一系列技术开发项目，为开式转子发动机技术的研发铺平道路。验证机计划于2020年代中期进行地面测试，2030年代中期投入使用。
图5 RISE项目推出的开式转子发动机概念
五、小结
尽管竞争对手普惠和罗罗已经采用齿轮传动涡轮风扇发动机(GTF)作为他们的未来发动机技术，但是GE和赛峰（包括两者合资的CFM）似乎决心在开式转子上赌一把。与 GTF 相比，开式转子概念有望进一步减少燃油消耗。受高效推进系统对净零碳排放需求的影响，未来开式转子的技术发展将逐渐不再受能源成本的制约。虽然在发动机和飞机的整合水平上依然存在技术挑战，但是随着技术的发展，这些都是可以克服的。
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