概念:桨扇发动机/开式转子发动机

概念:桨扇发动机/开式转子发动机

对飞行器动力工程专业(本科)的学生而言,开式转子发动机/桨扇发动机,可能就只是在航空发动机原理教材(西工大)和航空概论教材上见过,几句话轻描淡写,上不了考纲也无法解决心中隐约存在的疑惑。所以专门写了航空发动机定义和分类的科普文章后,专门写了开式转子发动机的科普。

本科读书的时候和同学争议过,西工大航空发动机原理教材上桨扇发动机上的桨扇究竟是不是在发动机的头部,书上没说,但我们也不知道怎么就了解了到了GE36(后置/推进式)和D-27(前置/牵拉式)。

航空发动机原理(西工大)P8

1.入门读物

维基词条基本确定了我们想要入门需要了解的内容,但在发展历程中写的有点乱,可以参考NASA·Advanced Turboprop Project(134页)的项目阶段划分和该文献的目录划分。严成忠老前辈主编的《开式转子发动机》一书是目前国内唯一一本系统介绍开式转子发动机的书籍,与前二者相比教材的严谨性和知识性更强,但令人遗憾的是书中并没有对开式转子的研制历程进行系统的梳理,让读者(可能只是我)很难明白前人们怎么就搞出了那么多分类。

2.定义与解释

  • 严成忠·《开式转子发动机》(2016)
开式转子发动机(Open Rotor Engine),早期曾被称作桨扇发动机(Propfan Engine)或无涵道风扇发动机(Unducted Fan Engine),是一种用燃气通过动力涡轮输出轴功率来传动桨扇的燃气涡轮发动机。
  • 欧洲航空安全局(EASA)2015年
A turbine engine featuring contra-rotating fan stages not enclosed within a casing.

根据下定义的方法”被定义项=种差+邻近的属概念“,在所接触到众多术语解释中能够被严格称为定义的大概就只有上文所列出的2个。显然,单纯的定义是没办法让我们对开式转子发动机有初步的认知的,所以我们需要更为详细的术语解释,为我们描述这个陌生概念该拥有的诸多特质,例如《开式转子发动机》一书在定义后给出了这样的描述。

它既可近似看作带有先进高速螺旋桨的涡桨发动机,又可近似看作除去外涵道的涡扇发动机。实质上它是介于传统涡桨和涡扇之间的一种新概念发动机。它带有多个宽弦、薄叶型的后掠桨叶,双排对转,外围无罩,能存较高的飞行速度下保持较高的推进效率;其有效涵道比高达25~60。它能集涡桨发动机的低耗油率和涡扇发动机的高飞行速度于一身,是新一代商用飞机及军用运输机实现节能低碳目标极具吸引力的备选动力,鉴于其巨大节油潜力与桨叶外围无罩的结构特点有关,所以,近年来国际上通称其为“开式转子发动机”。

维基上还给出了美国Hamilton Standard公司1976年申请的专利“Multi-bladed, high speed prop-fan”上给出的描述。的确,prop-fan概念是由这家公司提出的,但这家螺旋桨供应商当时关心的是对螺旋桨的改进,改进后的propeller被称为prop-fan,改进后的涡桨发动机被称为“Prop-Fan Propulsion System”,然而其他公司在此后提出了不同的构型甚至概念,比如GE公司提出的 Unducted Fan (直接驱动)概念就与维基引用描述中的齿轮驱动不同,因此不能将其视为定义。

此外需要注意的是开式转子发动机与桨扇发动机在有涵道的桨扇发动机上有分歧,有涵道的桨扇发动机不属于开式转子发动机。

这里值得推荐的是欧洲航空安全局·开式转子发动机定义文件(2015年,为推动开式转子发动机适航取证而更新开式转子发动机定义),在附录中给出的欧洲航空安全局在做出该定义时的诸多考虑,将在有空的时候以番外的形式分享给大家。

3.分类

开式转子发动机分类

严成忠前辈主编的《开式转子发动机》将开式转子发动机分类直接作为第三章,介绍极为详细,此处对该章内容进行了整理并增加了一些与历史相关的解说。

  • 按桨扇排数分类:气流通过单排桨扇后的有旋转分量,不利于推力产生,而用第二排对转桨扇(旋转方向相反)或静止的整流叶片就可以解决这个问题,对转桨扇概念出现后逐渐成为研究主流(单排桨扇只在NASA早期的研究中出现过,具备型具体号名称的发动机全部采用对转桨扇概念

可能我们会想“这种简单的道理我都懂,那为什么当时不直接用对转的概念呢?”,书中所说的流场难以模拟、噪声更大无法解释这个问题,需要对当时的历史有一定的了解。作为一家螺旋桨供应商,Hamilton Standard公司提出了propfan概念,其实质只是通过螺旋桨叶型改进使得耗油率低的涡桨发动机能够以巡航马赫数飞行(虽然对转螺旋桨概念已经出现了但并不受重视)。下文给出了从单级桨扇/single rotation 到对转桨扇/contra-rotating转变的过程。

“Single rotation propellers have an inherent efficiency loss from the residual swirl downstream of the propeller. Engineers recognized the potential efficiency benefit of a contra-rotating system and development of contra-rotating designs began in 1984 with GE and Hamilton Standard (HS)/UTRC. The swept, scimitar shaped SR designs were the starting point for the contra-rotating ”(文献 第三页)
  • 按桨扇位置分类:前置/牵拉式,需要穿过核心机的长轴且桨扇会干扰燃气发生器进气(产生进气畸变);后置/推进式,省去了穿过核心机的长轴、不会干扰燃气发生器进气,但传动机构需要承受高温。

NASA七八十年代的研究中,最初研究的是前置/牵拉式构型,实际上是用涡轴发动机安装Hamilton Standard公司研究的SR系列单级桨扇进行各种测试,84年之后才正式出现后置/推进式构型GE36Allison P&W 578DX (对转桨扇)。不过在洛克希德公司1981年的一份“纸上谈兵”研究报告中已经出现了后置/推进式,其中甚至有单级+后置/推进式前置+后置的构型。

洛克希德 1981年

在苏联八九十年代的研究中,NK-62、NK-63(带涵道)、NK-93(带涵道)、D-27是前置/牵拉式,NK-110为后置/推进式。D-27是截止目前未知世界上唯一投入应用的桨扇发动机,NK-93的地面和飞行测试都已经做了,但尚未找到合适的装机对象。

在欧洲2008年之后的研究中,罗罗公司的RB2011既考虑了前置/牵拉式也考虑了后置/推进式,斯奈克玛公司的开式转子方案应该是只考虑后置/推进式,尚无具体的型号名称,但在2017年已经完成了地面测试。

罗罗 RB2011 开式转子发动机构型
  • 按桨扇驱动方式分类:齿轮传动类的最大优势在于减速齿轮箱能够让桨扇和动力涡轮工作在各自的转速,而直接驱动类发动机则没有齿轮带来的轴功率限制、冷却和可靠性等问题。
齿轮传动 VS 直接驱动(无静叶)

严成忠前辈主编的《开式转子发动机》(2015)在第三章开式转子分类中并没有把细说齿轮传动和直接驱动究竟是如何实现的,但在第5.2节总体结构设计中给出了牵拉式齿轮传动开式转子发动机(5.2.1)、推进式齿轮传动开式转子发动机(5.2.2)和推进式直接驱动开式转子发动机(5.3.3)构型的详细说明。三者中推进式直接驱动开式转子发动机最难想象,主要有GE公司的GE36斯奈克玛公司正在研制的推进式直接驱动开式转子发动机方案(斯奈克玛公司正在研制的也有推进式齿轮传动开式转子发动机方案)。

一个动力涡轮莫斯常规的静子结构,叶片装在外壁上,它驱动前排风扇旋转;以类似常规转子方式安装的另一个动力涡轮驱动后排风扇反向旋转。《开式转子发动机》(严成忠,2016)
GE36 开式转子发动机构型简图
推进式直接驱动开式转子发动机方案细节
  • 按有无涵道分类:有整流罩的不属于开式转子发动机,而应该改称有涵道桨扇发动机。整流罩能够充当扩散器降低进气马赫数、降低噪声等级、提高包容性,但也带来额外的阻力和重量。

当前仅有苏联的NK-63、NK-93桨扇发动机和罗罗曾经提出一种方案的带整流罩/有涵道。

期待续篇

  • 欧洲航空安全局在给开式转子发动机下定义时是如何考虑的?
  • 开式转子发动机的发展历程
  • 开式转子发动机幕布版简介(还有一部分尚未完善好)
编辑于 2018-03-09

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