開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)起源

[據(jù)英國(guó)《飛行國(guó)際》2009年6月11日?qǐng)?bào)道] GE和NASA今天透露了一些關(guān)于開式轉(zhuǎn)子技術(shù)即將進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的細(xì)節(jié)，這將是1980年底以來開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的首次試驗(yàn)。

GE公司表示，這次試驗(yàn)將進(jìn)行，試驗(yàn)將采用與GE36發(fā)動(dòng)機(jī)相同的對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片，從而再現(xiàn)1980年的那次試驗(yàn)。

在確定了基線后，GE和NASA將在兩個(gè)風(fēng)洞中對(duì)5種以上的風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，斯奈克瑪公司正在參與風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)工作。

風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)于開式轉(zhuǎn)子技術(shù)的未來至關(guān)重要。位于NASA格林研究中心的高速風(fēng)洞將測(cè)量對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇能否在燃油的節(jié)省上達(dá)到預(yù)期的效果。同時(shí)，NASA還將在一個(gè)低速風(fēng)洞中測(cè)量這種大型、無冠風(fēng)扇葉片產(chǎn)生的噪聲。

GE航空集團(tuán)總裁David Joyce表示：“這些試驗(yàn)將告訴我們，在面對(duì)開式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的技術(shù)挑戰(zhàn)時(shí)我們能有多少信心?！?

GE公司還考慮在LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)上采用開式轉(zhuǎn)子技術(shù)，LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)采用了一個(gè)全新的核心機(jī)，預(yù)計(jì)在2016年以后替換當(dāng)前裝配波音737和空客A320飛機(jī)的CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)。

這次風(fēng)洞試驗(yàn)將利用GE公司在1980年進(jìn)行的GE36無涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)，GE36發(fā)動(dòng)機(jī)在那次試驗(yàn)中驗(yàn)證了其具有降低油耗和噪聲的潛力。

GE公司表示，這次試驗(yàn)的風(fēng)扇將采用前排12個(gè)葉片、后排10個(gè)葉片對(duì)轉(zhuǎn)的布局，壓縮比為五分之一，試驗(yàn)將一直持續(xù)到2010年。

2007年6月14日,英國(guó)一家低成本航空公司--EasyJet公司公布了一種結(jié)構(gòu)新穎的"EasyJet EcoJet"飛機(jī)概念設(shè)計(jì)模型稱這種在飛機(jī)尾部安裝2臺(tái)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的"綠色飛機(jī)"與空客的A320和波音的B737飛機(jī)相比,噪聲等級(jí)將降低25%、燃油效率將提高50%、氮氧化物排放量將降低75%、二氧化碳排放量將降低50%(25%來自發(fā)動(dòng)機(jī),15%來自輕重量飛機(jī)機(jī)體,10%來自空中交通管制技術(shù)),并預(yù)測(cè)這種飛機(jī)可在2015年前投入使用。

按照一位螺旋槳?jiǎng)恿＜业囊庖姡诟呷剂闲实男乱淮_式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)獲得快速發(fā)展的情況下，制定專門的防護(hù)規(guī)定、以防止鳥擊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成破壞是所有工作中的重點(diǎn)。

由機(jī)械工程師學(xué)會(huì)組織并在Bristol舉行的‘實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的航空推進(jìn)力’活動(dòng)上，Dowty螺旋槳的性能工程師Josef Trchalik說：“鳥擊測(cè)試代表了一個(gè)針對(duì)某些特定種類飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵性認(rèn)證需求。到目前為止，還不清楚是應(yīng)該按照那些針對(duì)螺旋槳式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所制定的規(guī)定來對(duì)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行認(rèn)證，還是應(yīng)該像鑒定渦輪風(fēng)扇式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片一樣認(rèn)證那些開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)葉片?！?

“如果按照渦輪風(fēng)扇式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片來認(rèn)證，那么就必須加固開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)。這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片重量的增加。同時(shí)，也可能會(huì)限制葉片結(jié)構(gòu)材料的可選范圍。”

目前，針對(duì)螺旋槳式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和渦輪風(fēng)扇式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所制定的鳥擊鑒定要求有所不同。另外，螺旋槳式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所需承受的鳥擊沖擊力明顯低于渦輪風(fēng)扇式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。

Trchalik說：對(duì)于‘推進(jìn)式’結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兙哂信c渦輪風(fēng)扇式相似的、規(guī)律性進(jìn)氣道排列方式——在這種情況下發(fā)動(dòng)機(jī)將失去風(fēng)扇的保護(hù)——所以鳥擊是一個(gè)更為嚴(yán)重的問題。在‘牽引式’結(jié)構(gòu)的情況下，因?yàn)槟切┓菦_壓式風(fēng)扇的空氣進(jìn)氣道處于兩排螺旋槳的保護(hù)之下，所以更容易滿足對(duì)抗沖擊性的要求。

Trchalik補(bǔ)充說將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)身后部將會(huì)增加碎片擊打葉片的概率。他還說：“另一方面，裝在機(jī)翼上的發(fā)動(dòng)機(jī)更容易在飛機(jī)接近地面時(shí)吸入來自跑道表面的碎片”。

一向?qū)π录夹g(shù)情有獨(dú)鐘的馬自達(dá)公司投巨資從汪克爾公司買下了這項(xiàng)技術(shù)。由于這是一項(xiàng)高新技術(shù)，懂得這項(xiàng)技術(shù)的人寥寥無幾，發(fā)動(dòng)機(jī)壞了無人會(huì)修，而且耗油大，汽車界有人對(duì)這種發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)前景產(chǎn)生了懷疑。70年代石油危機(jī)爆發(fā)，各國(guó)忙于應(yīng)付各方面的困難而無暇顧及發(fā)展轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，唯有馬自達(dá)公司仍然深信轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力，獨(dú)自研究和生產(chǎn)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，并為此付出了相當(dāng)大的代價(jià)。他們逐步克服了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的缺陷，成功地由試驗(yàn)性生產(chǎn)過渡到商業(yè)性生產(chǎn)，并將安裝了轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的RX-7型跑車打入了美國(guó)市場(chǎng)，令人刮目相看。

由于從生產(chǎn)裝配到維護(hù)修理，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)都與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)大不一樣，開發(fā)成本大。加上往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在功率、重量、排放、能耗等方面都比過去有了顯著提高，加上各大汽車企業(yè)對(duì)往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究的成熟，而對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的生疏，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)沒有顯出明顯的優(yōu)勢(shì)，因此各大汽車企業(yè)都沒有積極性去開發(fā)利用，唯有馬自達(dá)一家。

一般發(fā)動(dòng)機(jī)是往復(fù)運(yùn)動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)，工作時(shí)活塞在氣缸里做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，為了把活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，必須使用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)則不同，它直接將可燃?xì)獾娜紵蛎浟D(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)扭矩。與往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)取消了無用的直線運(yùn)動(dòng)，因而同樣功率的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸較小，重量較輕，而且振動(dòng)和噪聲較低，具有較大優(yōu)勢(shì)。

殼體的內(nèi)部空間（或旋輪線室）總是被分成三個(gè)工作室?！≡谵D(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)過程中，這三個(gè)工作室的容積不停地變動(dòng)，在擺線形缸體內(nèi)相繼完成進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣四個(gè)過程。每個(gè)過程都是在擺線形缸體中的不同位置進(jìn)行，這明顯區(qū)別于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)。往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)過程都是在一個(gè)汽缸內(nèi)進(jìn)行的。

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣量通常用單位工作室容積和轉(zhuǎn)子的數(shù)量來表示。例如，對(duì)于型號(hào)為13B的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，排量為"654cc × 2"。

單位工作室容積指工作室最大容積和最小容積之間的差值；而壓縮比是最大容積和最小容積的比值。往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)上也使用同樣的定義。

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作容積的變化，以及與四循環(huán)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的比較。盡管在這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)中，工作室容積都成波浪形穩(wěn)定變化，但二者之間存在著明顯的不同。首先是每個(gè)過程的轉(zhuǎn)動(dòng)角度：往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180度，而轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)270度，是往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的1.5倍。換句話說，在往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中，曲軸（輸出軸）在四個(gè)工作過程中轉(zhuǎn)兩圈（720度）；　而在轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，偏心軸轉(zhuǎn)三圈（1080度），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈。這樣，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)就能獲得較長(zhǎng)的過程時(shí)間，而且形成較小的扭矩波動(dòng)，從而使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)流暢。

此外，即使在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也相當(dāng)緩慢，從而有更寬松的進(jìn)氣和排氣時(shí)間，為那些能夠獲得較高的動(dòng)力性能的系統(tǒng)的運(yùn)行提供了便利。