开式转子发动机与传统涡扇发动机的性能对比研究：涵道比、燃油效率及噪声特性的系统分析

航空工业正面临前所未有的减排压力，国际航空运输协会提出到2050年实现净零排放的目标，而传统涡扇发动机的能效提升已接近物理极限。在这一背景下，开式转子发动机（Open Rotor Engine）作为最具潜力的下一代航空动力方案，再次成为全球航空业关注的焦点。湖南泰德航空技术有限公司带您从学术研究角度，详细分析开式转子发动机的技术特点、发展历程、优势挑战及未来前景。

 

一、开式转子发动机的技术原理与特征

开式转子发动机，又称桨扇发动机或无涵道风扇发动机，是一种介于传统涡桨发动机和涡扇发动机之间的航空动力装置。其核心特征在于去除了传统涡扇发动机的外涵道结构，将风扇叶片直接暴露于空气中，通过大幅提高发动机涵道比来提升推进效率。

从结构原理来看，开式转子发动机通常采用一对相互反转的桨扇和无外涵机匣的设计。一般由对转输出减速齿轮驱动，可以装在发动机进口处或者后侧，结构为牵引式或推进式。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，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。

按照不同分类方式，开式转子发动机可分为多种类型：按桨扇排数分为单排旋转、双排对转和带整流叶片的单排旋转；按桨扇位置分为牵拉式和推进式；按驱动方式分为齿轮传动类和直接驱动类。这些不同构型各有优缺点，适用于不同的飞行场景和技术要求。

二、与传统涡扇发动机的比较分析

开式转子发动机与传统涡扇发动机在结构和工作原理上存在根本差异，这些差异直接决定了其性能特点和应用前景。

从结构上看，开式转子发动机没有外涵道，采用双排对转桨扇，桨叶数量通常为单排6-12片，具有大后掠角、薄桨叶、直径适中和转速适中的特点。相比之下，传统涡扇发动机有风扇叶片通常在前侧，单排20片左右，采用弯掠、宽弦设计，直径小，转速高。涡桨发动机则没有外涵道，采用单排桨叶，通常在前侧，桨叶数量6片以内，后掠角小，直径大，转速低。

从性能上看，开式转子发动机的主要优势在于其超高的涵道比。传统涡扇发动机的涵道比一般在8-11之间，而开式转子发动机的涵道比理论上可以达到25甚至60。这一特性使得开式转子发动机能够吸入更多不需参与燃烧但能产生推力的空气，成为现代客货机省油的最核心方法。

从热力学角度分析，开式转子发动机相比涡扇发动机采用了更大的桨盘直径和更低的桨盘载荷，具有推进效率提高12%、耗油率降低20%的潜力。此外，大后掠角、宽弦长、薄桨叶设计，使得开式转子发动机比涡桨发动机速度更高。简单来说，开式转子发动机具有"效率更高，耗油更少"的显著优势。

三、开式转子发动机的核心优势

开式转子发动机的优势主要体现在三个方面：节能减排性能、推进效率和经济性。

3.1 节能减排性能

相比传统涡扇发动机，开式转子发动机具有显著的燃油节约和排放减少优势。根据CFM国际公司的数据，其RISE项目开发的开式转子发动机旨在将喷气发动机的CO排放量减少至少20%。若全球现役窄体机队中70%的飞机换装开式转子发动机，年碳排放量可减少1.8亿t，相当于2024年航空业总排放的15%。

这一减排效果主要来自两个方面：一是通过更高的推进效率降低燃油消耗；二是能够使用100%的可持续航空燃料（SAF）。GE和赛峰集团计划通过RISE项目实现与当今最高效的发动机相比，油耗和二氧化碳排放量降低20%以上的目标。

3.2 推进效率

开式转子发动机的推进效率优势源于其超高的涵道比设计。涵道比越高，发动机就能吸入更多不需要参与燃烧但能产生推力的空气，从而提高推进效率。开式转子发动机的实际涵道比理论上可以达到25甚至60，远高于现阶段高性能大涵道比涡扇发动机的8-11的涵道比。

此外，开式转子发动机采用两级对转转子，不需要定子导流就可以喷出无自旋的气体，这大幅提高了涡轮机效率，因为两级都可以对空气做功。虽然有一个实现对转的齿轮箱，但桨叶的转速和低压涡轮一样，做功能力大幅提高。

3.3 经济性优势

开式转子发动机的经济性优势主要体现在燃油节约和重量减少方面。根据GE首席工程师的介绍，去掉沉重的机舱吊舱和内部反推装置可以为每台发动机节省约一吨的重量。对于航空公司而言，这意味着更低的运营成本和更高的经济效益。

此外，开式转子发动机的维护成本也可能低于传统涡扇发动机。因为它没有外涵道外壳，省了非常多的重量和阻力，而且由于这么大的涵道比，外壳尺寸也要被等比放大，省去了这些结构自然也减少了维护需求和成本。

四、全球航空减排压力下的发展机遇

在全球航空业面临严峻减排压力的背景下，开式转子发动机技术迎来了新的发展机遇。这些机遇主要来自政策支持、技术进展和市场需求三个方面。

4.1 政策支持

国际航空运输协会（IATA）提出到2050年实现净零排放的发展目标，而传统涡扇发动机的能效提升空间已逐渐接近物理极限。欧盟设定了到2050年通过开式转子与齿轮传动涡扇（GTF）发动机等高效推进系统的应用，推动实现温室气体排放量较2020年降低30%的目标。

各国政府也通过资金支持推动开式转子技术研发。2021年，GE公司获得FAA CLEEN计划第三阶段资金支持，GE和FAA将在五年内投资近5500万美元，加速开发一系列可持续航空技术，包括开式转子发动机架构、电气化、降噪技术等。这是GE第三次获得CLEEN计划的支持，前两次分别在2010年和2015年。

4.2 技术进展

近20年来，工程降噪、先进制造等技术的发展为开式转子发动机的复兴提供了技术基础。特别是计算机设计工具的应用，使得开式转子发动机的噪声问题有了解决的可能。

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。

在欧盟"洁净天空"计划下的可持续和绿色发动机（SAGE）项目中，欧洲评估了两个开式转子概念：罗罗团队提出的RB2011发动机（SAGE1）和赛峰团队提出的CROR发动机（SAGE2）。这些研究为开式转子发动机的技术成熟奠定了基础。

4.3 市场需求

随着全球航空运输量的增长和减排压力的加大，市场对更高效、更环保的航空动力系统的需求日益迫切。开式转子发动机凭借其显著的节能减排优势，有望成为下一代窄体客机的核心动力。

空客公司表示，开式转子发动机是其下一代窄体客机动力的重要选择之一。空客计划在2025年左右，在A380超大型喷气式客机上试飞CFM概念的开式转子发动机。波音公司也预计将在一架萨博340涡轮螺旋桨飞机上试飞CFM设计的节省燃料的混合动力系统。

 

五、国内外研发与技术创新

开式转子发动机技术的发展经历了多个阶段，国内外研究机构和企业进行了大量研发工作和技术创新。

5.1 国际研发历程

开式转子发动机的发展可以追溯到上世纪70年代末。早期称为无涵道风扇发动机或桨扇发动机。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。

上世纪80年代，通用公司的GE36、普惠和艾利逊公司的578-DX等开式转子发动机相继完成了地面和飞行试验。但这些发动机最终因噪声问题和国际石油价格的跌落导致低油耗吸引力降低而难产。

乌克兰研制的D-27发动机是全球唯一投入商业运行的开式转子发动机，装在安-70军用运输机上，于1994年试飞成功。但由于无法解决高噪声的问题，加上故障率居高不下，安-70运输机无法实现量产。

近年来，开式转子发动机技术重新受到关注。2021年，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原型机。

5.2 技术创新进展

开式转子发动机研发过程中出现了一系列技术创新，主要包括：

降噪技术：针对开式转子发动机噪声大的问题，工程师尝试了多种解决方案。一是使第一级桨叶比第二级的直径更大一点，这样被第一级桨叶加速的气流在最外面的一层不会被第二级桨叶撕扯，这一层气流包住了内部被撕扯的气流，起到隔音作用。二是开发新型声学衬垫和出口导向叶片以降低噪音。

结构设计创新：RISE项目采用了单转设计，而非传统的对转设计。RISE发动机并没有为了追求极致的燃烧效率而采用对转设计，而是采用了性能增益较低的单转设计。虽然它的桨扇也有前后两排，但后排叶片仅能调节角度，并不能绕发动机轴旋转。这相当大地降低了发动机的噪声抑制难度。

混合动力系统：CFM国际正在尝试把发动机做成混合动力的。在RISE上，电力有时也会被用来帮助转动轴。当混合动力电动汽车依靠电力运行时，它不使用汽油。对于飞机来说，这是提高燃油效率的新概念。

材料与制造技术：通用电气和赛峰集团使用先进的超级计算机来设计喷气式飞机的各个方面，包括先进的材料和增材制造工艺，用于制造复杂的内喷嘴和核心内的冷却路径。CFM国际是唯一使用世界上最强大的超级计算机的非政府实体。

六、商业化面临的技术难题与解决方案

尽管开式转子发动机具有显著优势，但其在商业化过程中仍面临一系列技术难题，需要解决后才能实现大规模应用。

6.1 噪声问题

开式转子发动机最突出的问题是噪声水平高。因为没有外涵道和发动机短舱，桨扇形成的噪声得不到传播方向上的约束，也难以衰减或被吸收，因此其噪声会高于涡扇发动机。同时，由于桨扇转速远高于传统涡扇发动机，重量尺寸级别也大于小型通用航空器级别的发动机型号，通常必须使用前后两组叶片进行反向对转，这使得噪声问题更加严重。

解决噪声问题的技术措施包括：气动声学叶片设计/几何形状优化、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以及挂架尾流缓解等。NASA用CFD对开式转子外涵道做的模拟也为解决噪声问题提供了 insights。

6.2 机体适配问题

开式转子发动机的桨扇直径较大，对于大多数"下单翼+翼下吊舱"的现有运输类飞机，其机翼和起落架的极限尺寸很可能无法容纳同等推力级别的开式转子发动机。这给发动机在飞机上的安装布局带来了挑战。

解决方案包括：重新设计飞机机体以适应更大的发动机；采用替代安装布局，如尾置发动机；研发体积更小的紧凑型核心机，从而在现有的尺寸制约下，获得更大的涵道比，同时保证推力不降低或更大。CFM公司表示RISE发动机能适应多数单通道飞机，这意味着RISE发动机的桨扇直径增大幅度会受到显著的制约。

6.3 叶片包容性问题

开式转子发动机由于桨扇叶片外露，缺乏涡扇发动机的短舱包容设计，特性更接近于涡桨发动机。但由于转速更高、叶片更锐利，因此它通过叶片包容性的适航认证难度要明显高于传统的涡桨发动机。

解决叶片包容性问题的可能途径包括：新型材料应用、断裂力学理论和实际数据积累、探伤检测技术等基础科学研发领域的突破和进展。在现有的公开资料中，没有关于RISE项目包容性的更多信息。

七、下一代航空动力的革命与挑战

开式转子发动机代表了航空动力系统自涡扇发动机时代以来最大胆的技术变革，其技术本质是通过打破涵道物理约束，逼近推进效率的理论极限。随着RISE项目加快进入试验验证阶段，该技术已从实验室走向工程现实，有望在2035年成为下一代窄体客机的核心动力。

然而，开式转子发动机能否顺利实现商业成功，仍取决于三大关键因素：一是跨企业协同创新，需要发动机制造商、飞机制造商以及适航当局开展深度合作，重构飞发集成标准；二是渐进式降低技术风险，面对产品研发过程中面临的技术挑战，需要通过测试平台分阶段验证噪声控制、安全性和可靠性等技术能力；三是保持连续的支持政策，需要对相关研究工作提供持续的资金保障，延续至相关产品验证和产业化发展阶段，以降低制造商投资风险。

从技术竞争格局看，开式转子发动机并非唯一的未来航空动力选择。以普惠公司GTF发动机、罗罗公司"超扇"（Ultra Fan）发动机等为代表的新型航空动力也在加快发展，这些产品与现有机型兼容性强，技术风险低，将对开式转子发动机的发展形成竞争。

总体而言，开式转子发动机技术具有巨大的节能减排潜力，是航空业实现2050年净零排放目标的重要技术路径之一。随着技术的不断成熟和突破，开式转子发动机有望在未来航空动力领域占据重要地位，为全球航空业的可持续发展提供关键技术支撑。

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