淺談下一代商用航發的發展方向之一——開式轉子（Open Rotor）

在我之前一篇文章《淺談新一代窄體客機動力明星，PW1000G與Leap》中介紹了現在投入使用的最新商用航發技術以及一些發展的瓶頸，在這篇文章中我將試著介紹一下一個商用航發的研發方向，以及它面對的挑戰。

題圖中的開式轉子發動機了（Open Rotor），根據評論提醒，它也叫槳扇發動機，題圖中是法國賽峰的，但是不止賽峰一家在做這東西，比如美國GE。其實巨頭們在開轉子這個方向上已經走了幾十年了，試飛了很久。

開轉子的原理是把一個做功渦輪（不推核心氣流的壓氣機）的功率通過齒輪箱把軸功率分給兩個反向旋轉的螺旋槳，其中這個螺旋槳的外側如同超寬弦渦扇發動機的推力風扇一樣也是工作在周向超音速條件下。當然對於發動機結構來說，也有雙軸的，兩軸壓氣，低壓軸帶低壓壓氣機同時帶螺旋槳（圖一），也有三軸的，兩軸壓氣，做功渦輪只帶螺旋槳，也有兩軸的單軸壓氣，低壓軸只帶螺旋槳，這裡不再展開。圖二是另外一台開轉子的半剖圖。

圖一

圖二

這種發動機有幾大優勢，：

第一，因為它的槳葉位於發動機尾部，這樣由於它吸入的是由發動機短艙外殼產生的附面層效應相對飛行速度減速了的的氣流，這降低了風扇前速度，根據物理原則：推力=質量流X（風扇後速度-風扇前速度），推力提高了，而在傳統構型發動機，發動機短艙的附面層只能產生阻力。PS：NASA也在做尾置渦扇發動機的整個飛機機身的附面層吸入技術前期研究，原理上是一樣的，挑戰在於這種附面層吸入對於發動機來說並不是軸對稱的。

第二，因為它有兩級對轉轉子，不需要定子導流就可以噴出無自旋的氣體，這大幅提高了渦輪機效率，因為兩級都可以對空氣做功。此外雖然有一個實現對轉的齒輪箱，槳葉的轉速和低壓渦輪一樣，做功能力大幅提高，而這麼高的轉數也就造成了槳葉外側為周向超音速區，槳葉形狀被優化為向後掠。

第三，它的兩級對轉轉子都可以變槳距（pitch），來應對不同的飛行速度和渦輪轉數，這又提高了效率。

第四，跟傳統渦扇發動機相比它的外涵道沒有外殼，省了非常多的重量和阻力，因為這麼大的涵道比，外殼尺寸也要被等比放大。

第五，由於沒有外殼的限制，涵道比遠遠大於傳統渦扇發動機，而大涵道比又提高了整體熱機效率。

這些優勢綜合起來，使它巡航油耗相比上一代主流航發CFM56低了30%！要知道新一代的中推航發也只比上一代油耗低了15%到20%，而開轉子是好幾十年前就開始的技術了。

圖三

圖三是在9千米高空巡航時，巡航馬赫數（橫軸）和針對低油耗的最優涵道比（紅色虛線，左側縱軸）的關係。開轉子發動機的涵道比大約是30以上，這已經遠遠超過了在0.7馬赫巡航的最優涵道比，縱使它有其它無與倫比的優勢，航速還是要比傳統的渦扇發動機要慢一些。

圖四

圖四為幾種航發構型的巡航速度和油耗對比，以上一代中推商用航發為參考，PW1000G的齒輪減速渦扇發動機油耗降低20%，而飛行速度不變。開轉子的油耗和渦槳發動機一樣，遠低於渦扇，但是航速又遠快於渦槳發動機，介於渦槳渦扇之間。

噪音！噪音！噪音！

除了巡航速度慢了一些以外，還有一個問題就是它的噪音了，這應該就是殺死它的最終原因了。它的噪音如此之大，DLR（德國宇航局）試飛開轉子的試飛員表示自己飛的時候差點跳下去自殺，實在太吵了。

因為空氣在兩級對轉槳葉之間被撕扯，造成了巨大無比的噪音。同樣採用對轉風扇發動機的俄羅斯戰略轟炸機圖95在飛行時產生的噪音如此之大，成為唯一可以被美國在北大西洋設置的反潛艇聲吶網捕捉到的飛行器。

圖五、六，蘇系暴力美學圖95

針對噪音，工程師試了幾個方向，首先如圖六所示，第一級槳葉比第二級的直徑更大了一點，這樣被第一級槳葉加速的氣流在最外面的一層不會被第二級槳葉撕扯，這一層氣流包住了內部被撕扯的氣流，起到隔音作用，然而現實還是骨感啊，效果非常不理想。

圖六

圖七

還有圖七這個方向，工程師做一種全新的飛機氣動布局，用主翼和尾翼把開轉子發動機包起來降低噪音，這個方向還沒有試飛，而且這種構型造成的結構重量太大，反而又削弱了開轉子的低油耗優勢，而且降噪效果應該也不是十分的理想。

綜上所述，非常遺憾，這種發動機在未來投入商用的可能性非常非常非常低。

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