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我们还在努力涡扇发动机,别人下一代却是“开放式风扇”引擎
送交者: 笨啊笨[♂★★★DoctorateCandidate★★★♂] 于 2021-06-16 3:28 已读 3597 次  

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空客正在研制的下一代氢能驱动的窄体客机 6park.com

CFM最新公布的“可持续发动机革命创新”(RISE)计划展示了一款“开放式风扇”发动机,它将采用拖曳式或牵引式结构,配备单级旋转叶片和第二级非旋转主动变节距定子。这也被称为开放式转子发动机,开放式风扇概念通过消除风扇涵道来提高涵道比,并由于较低的风扇压力比而获得两位数的效率增益。

RISE的目标是将燃油消耗和二氧化碳排放量与现有发动机相比降低20%,最终应用于下一代单通道客机。开放式风扇发动机为替代CFM的传统直驱轴流式涡扇发动机Leap-1奠定了基础,并为始于上世纪80年代的非涵道风扇技术提供了最现实的发展机会。 6park.com


为什么要研究开放式风扇发动机?

尽管Leap发动机的燃油效率和碳排放在2010末比CFM56提高了15%,但制造商承认,要想实现到2050年将二氧化碳排放减半的国际共识目标,需要对下一代发动机进行根本性的结构调整。 6park.com

CFM-56 6park.com

针对提供燃油效率和减少碳排放,工业界的研究重点是小型飞机的电力和混合电力系统,但大型飞机的动力需求决定了必须在燃气涡轮发动机上进行改进,而开放式风扇发动机就是其中之一。

与先前设计的双对转开放式桨扇发动机的配置相比,改用牵引式机构将能够在现有飞行试验平台上进行测试,并因更简单的机械结构可以集成到更广泛的未来客机概念上。 6park.com


RISE还将开发和测试多种新型燃烧室的设计,以确保未来与可持续航空燃料和液氢燃料的兼容性。该开发式风扇引擎还将配置电动发电机,使它们能够适应混合电力的运行。

“为了减少碳排放,我们认为现在是时候了行动了,”通用航空公司先进技术运营总经理Arjan Hegeman说。“开放式风扇结构消除了围绕风扇的整个结构,因此减轻了很多重量。去掉很多阻力后就得到了最终的推进效率。”

建立在前人基础之上的“新技术”

RISE的这个项目其实是建立在通用电气和赛峰早期的无涵道风扇开发工作的基础之上。在美国,NASA、GE和FAA就曾于2009年至2012年间进行合作,对采用现代计算机设计方法开发的开放式叶片发动机进行了风洞试验。

这些叶片是通用电气GE36无涵道风扇发动机设计的衍生品,GE36无涵道风扇是两种开放式风扇概念中的一种(另一种是普惠/艾利森的578-DX),两者都在1980年代后期成功试飞。 6park.com

GE36 6park.com

普惠/艾利森578-DX 6park.com

此次风洞测试是美国联邦航空局CLEEN(持续低能耗、低排放、低噪音)计划的一部分,测试结果显示其累积噪声范围为15-17(在完全推力的情况下),并显示效率有进一步提升的潜力。该项目的结果表明,现代开放式旋翼推进系统可以实现比现代窄体客机使用的CFM56-B发动机高26%的燃烧效率。 6park.com

CFM56-B 6park.com

最近,赛峰集团领导了一个反向旋转的开放式转子(CROR)项目,该项目是在耗资2亿欧元(2.4亿美元)的欧洲清洁天空航空研究计划中SAGE 2(可持续和绿色引擎)项目下进行的。

青出于蓝而胜于蓝的设计

但与主要关注系统集成和推进效率的SAGE 2不同,RISE开放式风扇发动机将包括一个新的紧凑核心机,以提高热效率,以及新的低排放燃烧室和用于混合电力系统的电动发电机。

RISE的设计将采用牵引式单级旋转叶片结构,而CROR、GE36和578-DX则采用双级对转风扇,它们都是推进式发动机。新发动机的第二级非旋转主动变节距定子将作为气流回收的叶片。这种设计增加了风扇的总增压比,同时降低了转子的负载,从而使最大飞行马赫数更高。这种配置包括一个紧凑的高压核心机,高速增压压缩机和高速、低压轴驱动前变速箱。

“与GE36和CROR相比,我们简化了结构,”赛峰集团RISE项目执行经理Delphine

Dijoud说。“所以,你只有一个旋转级,在那后面,是导向叶片,也就是定子。这两级都有俯仰控制,所以你可以有可变俯仰和倒车功能。”这种设计消除了对转级和相关的旋转结构。“所以它在重量和可靠性方面更好,”她补充说。
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“在过去的几十年里,我们一直在改进技术和工程工具,使声学效果达到所需的水平。我们还成功地将这个推力级别的风扇直径从20世纪80年代的16英尺缩小到12-13英尺。这并不比现在的引擎机舱外径大多少,这使得它可以很好地安装在窄体客机的机身上。因此。”Hegeman补充说,“现在采用的牵引式结构并不排除开放式风扇未来进行推进式机构的开发。如果有一家飞机制造商说,‘我们喜欢它的性能,但为了安装和机身集成的便利,它最好能是推进式的’,那么我们就把它变成推进式的。” 6park.com



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