
民航飞机上我们熟悉的发动机其实还有个名字,叫“有涵道风扇引擎”或“涡轮风扇发动机”。而在民航发动机领域,还存在一个速度适中且更省油的潜力发动机路线,新玩家能不能试试?
先看看常见的民航发动机的运作原理。它的结构简单来说,就是在更追求速度的涡轮喷气式发动机前面放了一个巨大的风扇,然后加了一个外壳把整个发动机套起来,形成两端开口的圆筒状,发动机尾部还会带一个低压低速涡轮。
在涡轮风扇发动机运作时,贡献最多的并不是核心部件喷出的高压燃气,而是发动机外壳包围起来的、帮助引导前方大风扇“吹”出的空气流经发动机的通道——这就是我们常说的“外涵道”,“内涵道”则是通过其进入核心部件中参与燃烧的气流。

涡扇发动机的主力是前面的大风扇
前方大风扇经由外涵道产生的旁路空气气流,才是推动飞机起飞运行的主力,核心喷出的能量再高,也只是为了驱动前方这个大风扇而已。所以航发目前的追求是把风扇越做越大,涵道也越来越大,换成一个专用名词就是“涵道比”越来越大。
如果一个民航发动机涵道比达到10,意味着通过外涵道而不参加燃烧的空气是内涵道的10倍。加大涵道比,能够使发动机可以吸入更多不需参与燃烧、但又能产生推力的空气,这就是现代民航发动机省油的最核心方法之一。

波音明星产品737系列所用的发动机,就很好地展示这种变化。最初版本的737用的还是普惠JT8D涡扇发动机,其叶片直径为40.5英寸,是当时典型的小涵道比涡扇发动机;到了737 MAX,配备的CFM LEAP-1B发动机的叶片直径已经达到了69.4英寸,涵道比为9。
现阶段的高性能大涵道比涡扇发动机,一般涵道比都在8到10之间,最新的型号可以达到11左右,国产大飞机C919用的CJ1000A的涵道比大概也是9:1。
但是737MAX更换发动机也为后来的多次事故买下了祸根,比如因为太庞大,发动机在起降时需要以加长前起落架长度的方式保证离地高度,结果飞机俯仰配平性能产生问题。

既然风扇越做越大这条节能的路不好走,那还有什么其他办法提高涵道比?不如直接把外涵道的外壳去掉?那你就得到了“涡轮螺旋桨发动机(涡桨发动机)”。这种发动机更老,它最大的问题是速度提不起来:螺旋桨如果转得太快,飞机速度反而会慢下来。
还有个折中的选择,那就是“开式转子发动机”(桨扇发动机、无涵道风扇发动机)。通用电气(GE)和法国发动机制造商赛峰对这个开式发动机的研究始于上世纪70年代的石油危机,如果不是后面石油危机解除,加上更换全部航空发动机成本太高,这个发动机说不定早就量产了。
先看造型,它的构造很像涡扇发动机,只不过有两级风扇且都在发动机短舱外面,同样由内部涡轮直接带动;又因为风扇在发动机外部,和涡桨发动机有相似之处。

开式转子发动机至今仍有希望搭载于客机
没有外壳限制,其涵道比远远大于传统涡扇发动机,并且省了非常多重量和阻力。开式转子发动机的涵道比理论上能到达25-60,叶片长度也不需要做到很长,其桨扇通常采用多个宽弦、薄叶型的后掠桨叶,采用前后双排反向对转设计即可。这一点与空气动力学有关,有兴趣的读者可以持续关注后期文章。
总之,开式转子发动机既能实现马赫数0.8甚至更高的经济巡航,又能实现省油的目标,给了我们关注它的理由。但它也有几个推广的障碍,那就是噪音和制造复杂度。
噪音是必然的,毕竟桨片在外部,复杂度则是因为前后两排桨扇还需要有一片是反向旋转,引擎制造难度和维修难度都大大增加。但既然有制造业巨头看好,那说明它还是可取的。
煤球
涡轮裸桨