用于波音787客機的GEnx發(fā)動機設(shè)計特點

陳 光

（北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,北京 100083）

用于波音787客機的GEnx發(fā)動機設(shè)計特點

陳 光

（北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,北京 100083）

概述了用于波音787“夢幻”客機的G Enx發(fā)動機的發(fā)展與設(shè)計特點，分析了在其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及各部件中所采用的先進技術(shù)，及其達到的性能水平。

GEnx發(fā)動機；設(shè)計特點；波音787客機；綠色航空

1 引言

GEnx是GE公司為波音787（B787）“夢幻”客機研制的高涵道比（10.0）、高總壓比（45.0）、低油耗、低污染與低噪聲的新一代發(fā)動機。為了滿足21世紀(jì)“綠色航空”的要求，GEnx不僅繼承并發(fā)展了GE公司以往成熟發(fā)動機特別是GE90發(fā)動機的設(shè)計技術(shù)，吸納了GE90發(fā)動機研制與使用的經(jīng)驗與教訓(xùn)，而且還采用了最新發(fā)展的一些先進技術(shù)，因此，不僅性能達到了較高水平，而且研制周期較短。

本文介紹并分析了GEnx發(fā)動機的發(fā)展和設(shè)計特點。

2 發(fā)展特點

GEnx發(fā)動機是在1996年投入使用的GE90發(fā)動機（用于波音777飛機）基礎(chǔ)上發(fā)展的，原來是專為波音787客機研制的，后來又被波音747-8客機選作其惟一的動力裝置。

GEnx發(fā)動機的推力小于GE90的 378～511kN，大于CF6-80C2發(fā)動機 （用于波音747-400飛機）的258kN。采用了高的涵道比（10）和總壓比（為45；GE90發(fā)動機的分別為8、40）和部件效率。GE90-76B發(fā)動機于1995年底投入營運，到GEnx發(fā)動機研制成功，歷經(jīng)4次技術(shù)提高，使GEnx發(fā)動機耗油率、排放、噪聲和直接使用費用等都很低，如圖 1所示；GEnx、CF6-80E1與GE90發(fā)動機耗油率的比較如圖2所示。從圖2中可見，GEnx發(fā)動機的巡航耗油率比用于A330客機的CF6-80E1A4發(fā)動機的低15.4%，比用于B777客機的GE90-94B發(fā)動機的低6.9%。圖3給出了GEnx發(fā)動機為降低耗油率所采用的措施及其收益。

圖1 從GE90-76B到GEnx發(fā)動機的4次技術(shù)提高

GEnx發(fā)動機的設(shè)計推力為333kN。而在第1次試車中，推力就達到358kN,比設(shè)計值大7%。因為B787客機有3個起飛總質(zhì)量不同的型號，所以，用于B787客機的GEnx發(fā)動機也有3個推力不同的型號，分別為用于B787-3的 GEnx-1B54（236 kN），用于B787-8的 GEnx-1B64（284kN），用于B787-9的GEnx-1B70（310kN）；3型發(fā)動機的風(fēng)扇直徑均為2.819m。

圖2 3型發(fā)動機的耗油率比較

圖3 GEnx發(fā)動機降低耗油率的措施及其收益

3 設(shè)計特點

3.1 總體結(jié)構(gòu)

用于B787客機的GEnx-1B發(fā)動機與用于 B747-8的GEnx-2B發(fā)動機的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示；2型發(fā)動機主要部件的級數(shù)見表2。

GEnx發(fā)動機轉(zhuǎn)子支承方案如圖5所示。低壓轉(zhuǎn)子支承方案為0-2-1的3支點方案,高壓轉(zhuǎn)子支承方案為1-0-1的2支點方案，共5個支點；高壓壓氣機前支點（3號支點）采用了滾珠軸承與滾棒軸承并列的設(shè)計，滾棒軸承3R承受徑向力，滾珠軸承3B僅承受軸向力。這種獨特的設(shè)計，在CF6-80C2，CFM56-5、-7及GE90發(fā)動機上均得到應(yīng)用。但在CFM56-2、-3上 未 采用，因而，在這2型發(fā)動機中，3號軸承失效占空中停車原因總量的1/4左右。

圖4 GEnx-1B與GEnx-2B發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)

表2 2型發(fā)動機主要部件級數(shù)

圖5 GEnx發(fā)動機轉(zhuǎn)子支承方案

在高壓轉(zhuǎn)子后端通過中介軸承支承低壓轉(zhuǎn)子的設(shè)計（如圖6所示），不僅在GE公司的F101、F404、F110與CFM56等發(fā)動機上得到應(yīng)用，而且，在PW公司于20世紀(jì)90年代研制的軍、民用發(fā)動機（F119與PW6000）上也采用了這種設(shè)計（一改傳統(tǒng)設(shè)計），蘇制的AL-31F與RD-33發(fā)動機也采用了這種設(shè)計。但是，在GEnx發(fā)動機（包括GE90）上，GE公司卻沒有采用這種慣用的支承方案，因為GE90、GEnx發(fā)動機的涵道比大（分別為 8、10），在保持風(fēng)扇葉尖切線速度一定的條件下，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低；為使低壓渦輪獲得較高性能，只有將低壓渦輪直徑加大，于是高、低壓渦輪直徑相差較大，而為氣流能平緩地由高壓渦輪流入低壓渦輪，在高、低壓渦輪間設(shè)置了1個較長的錐型過渡機匣。涵道比為5的CFM56發(fā)動機與涵道比為10的GEnx發(fā)動機的渦輪部件如圖7所示，從圖中可以看出2種發(fā)動機高、低壓渦輪間氣流通道的差異。

在GEnx發(fā)動機中，高、低壓渦輪間有較長的過渡段，如將高壓渦輪后軸通過中介軸承支承于低壓轉(zhuǎn)子上，則中介軸承與低壓渦輪后軸承間的距離較長，會帶來嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題，給高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子工作帶來不利影響。另外，由于過渡機匣較長，便于在此處設(shè)置高壓渦輪后軸承的軸承座，以及與之有關(guān)的油槽及封嚴(yán)裝置等，如圖8所示。因此，GEnx發(fā)動機轉(zhuǎn)子支承設(shè)計未采用中介軸承支承方案。

圖8為GE90發(fā)動機高壓渦輪后支承處結(jié)構(gòu)，GEnx發(fā)動機的結(jié)構(gòu)與此相同。

3.2 風(fēng)扇

GEnx發(fā)動機風(fēng)扇葉片采用了GE公司的第3代復(fù)合材料，外形（掠形）基本同于GE90-115B發(fā)動機的；采用新一代三元流技術(shù)設(shè)計，葉片數(shù)由GE90的22片減為18片；減輕了質(zhì)量。

復(fù)合材料風(fēng)扇葉片在B777客機上經(jīng)受過嚴(yán)格考驗（10年中僅更換過3次）。葉片的前緣與尖部，采用了鈦合金護套，如圖9所示。在葉片榫根處，采用了特氟隆耐磨襯墊，因而葉片裝進燕尾槽中后無需加潤滑劑。風(fēng)扇輪盤采用GE90發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，即輪盤做成帶3個盤的盤鼓混合式轉(zhuǎn)子。

GEnx發(fā)動機上設(shè)有多種防止外物進入核心機的措施（如圖10所示），例如：風(fēng)扇葉片后緣與分流環(huán)前緣間留有較大的間距；輪盤前的錐形帽罩做成能將雜物甩向外涵的形狀；在增壓壓氣機后彎形通道處設(shè)有放氣門，以便將細小砂石排到外涵中。

GEnx發(fā)動機風(fēng)扇機匣由復(fù)合材料加工而成，用復(fù)合材料條帶編織成類似草席的結(jié)構(gòu)，如圖11所示。這是第1次將復(fù)合材料用于大型發(fā)動機機匣。

復(fù)合材料機匣包容性能及強度均優(yōu)于金屬機匣的，且該機匣比金屬機匣輕154kg，可使1架飛機減輕質(zhì)量363kg，而且，不會被腐蝕，便于維護。

3.3 高壓壓氣機

10級高壓壓氣機的增壓比為23.0，平均級壓比為1.368，與GE公司的E3、GE90發(fā)動機的水平相當(dāng)，但葉片由新一代的二元流技術(shù)設(shè)計，增加了喘振裕度。第1、2、5級壓氣機采用整體葉盤（均為單個盤），使GEnx發(fā)動機成為民用發(fā)動機中采用整體葉盤級數(shù)較多的發(fā)動機。

與大多數(shù)高涵道比渦扇發(fā)動機的一樣，GEnx發(fā)動機高壓壓氣機從第3級起做成雙層機匣；外層機匣作為承力機匣，內(nèi)層機匣作為氣流通道的包容環(huán)。為保證沿圓周的葉尖間隙在工作中始終保持均勻，與工作葉片對應(yīng)的機匣是做成整環(huán)的；為了能裝配，內(nèi)層機匣沿軸向做成一段段的，如圖12所示。

為了恢復(fù)發(fā)動機性能，一般采用特殊的噴水裝置，根據(jù)發(fā)動機性能衰退的情況，對發(fā)動機噴液（清洗液及清水）清洗。在GEnx發(fā)動機中，采用了內(nèi)置式噴水清洗裝置，即在高壓壓氣機前安裝了圓周均布的4個噴水用的噴嘴（如圖13所示）；每個噴嘴噴射的散布角度較大，遍布高壓壓氣機進口環(huán)帶，噴洗的效果較好。

發(fā)動機每工作200～500循環(huán)后，視情決定是否需噴洗。在慢車下噴射清洗液，清洗后不再需用清水沖刷，清洗一次耗時約30min（其他發(fā)動機一般需耗時4h）。GEnx發(fā)動機是第1種安裝內(nèi)置式噴水裝置的發(fā)動機。

3.4 燃燒室

GE90發(fā)動機燃燒室為雙環(huán)腔燃燒室（如圖 14（a）所示）。而GEnx發(fā)動機的為常規(guī)的單環(huán)腔燃燒室（如圖 14（b）所示），但同時采用了雙環(huán)預(yù)混旋流器（Twin Annular Premixing Swirler，簡稱TAPS），而且應(yīng)用了貧油設(shè)計（如圖 14（c）所示），即為具有雙環(huán)預(yù)混旋流器TAPS的貧油單環(huán)腔燃燒室。

在一般的燃燒室中，有高溫?zé)崛細饩o貼火焰筒壁面，因而需在火焰筒上開冷卻用的數(shù)目眾多的槽或孔（例如GE90發(fā)動機火焰筒上有數(shù)以千計的小孔）。而在TAPS中，燃燒的最高溫度區(qū)是在火焰筒的核心內(nèi)，因此，火焰筒壁溫較低，不需開眾多的冷卻孔。采用TAPS后，油-氣混合氣燃燒得完全，因此，GEnx發(fā)動機燃燒室的排污值低于限制值，如圖15所示。

3.5 渦輪

GEnx發(fā)動機有2級高壓渦輪與7級低壓渦輪（GEnx-2B發(fā)動機的為6級）。高壓渦輪葉片采用GE公司的第2代三元流技術(shù)設(shè)計，并采用先進的冷卻技術(shù)設(shè)和最新的耐高溫材料，使冷卻用空氣量減少、壽命延長。

高、低壓渦輪間的通道變化較快（如圖16所示），間距較大，因此在此處設(shè)置了支承4號軸承的承力框架。

低壓渦輪葉片采用“特高升力”UHL（Ultra High Lift）設(shè)計，且用三元流技術(shù)對端壁的形狀進行設(shè)計，使葉片數(shù)減少，效率提高約0.34%，如圖17所示。

高、低壓渦輪的轉(zhuǎn)向相反。這種設(shè)計源于軍用發(fā)動機上。F119發(fā)動機（用于F-22）首先采用了反轉(zhuǎn)設(shè)計；而在民用發(fā)動機上，用于A380客機的遄達900發(fā)動機首先采用了這種設(shè)計（高、中壓渦輪反轉(zhuǎn)），用于B787客機的2型發(fā)動機均采用了這種反轉(zhuǎn)設(shè)計，減少了零件數(shù)，提高了效率。

3.6 附件傳動機匣

在以往的大型客機上，座艙空調(diào)系統(tǒng)用的高壓空氣為發(fā)動機高壓壓氣機后引氣，液壓系統(tǒng)的高壓液壓泵由發(fā)動機附件傳動機匣上的傳動軸驅(qū)動。B787客機是第1種不采用上述方法的客機，用交流電的電動機驅(qū)動空氣壓縮機與液壓泵，為“準(zhǔn)全電”飛機，為此，需由發(fā)動機驅(qū)動大功率的交流發(fā)電機。

在以往許多較先進的發(fā)動機（如殲六、殲七等飛機用的發(fā)動機）中，驅(qū)動直流發(fā)電機都改為驅(qū)動交流發(fā)電機。由于發(fā)動機在工作時轉(zhuǎn)速變化范圍大，為了保持交流發(fā)電機輸出的電流頻率不變，需在發(fā)動機附件傳動輸出軸與發(fā)電機間安裝1套非常復(fù)雜的恒 速 傳 動 裝 置（CSD，Constant Speed Driver）。CSD一般由發(fā)電機生產(chǎn)廠生產(chǎn)，并與發(fā)電機組成成套的“帶傳動裝置的交流發(fā)電機 （IDG，Integrated Drive Generator）”，提供給飛機生產(chǎn)廠裝機使用。

B787客機采用了4臺、每臺250kW的變頻交流發(fā)電機（每臺發(fā)動機驅(qū)動2臺），是第1次在飛機上不采用恒速傳動裝置的交流發(fā)電機，通過機載（飛機）的恒頻轉(zhuǎn)換器，將需用恒頻電源的部分電流轉(zhuǎn)換成恒頻電流。

圖18為GEnx發(fā)動機的附件傳動機匣，安裝了2臺交流變頻起動-發(fā)電機，在發(fā)動機起動時，作為起動機帶轉(zhuǎn)發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子；在慢車及大于慢車轉(zhuǎn)速時，向飛機供電。在外側(cè)起動-發(fā)電機的另一端，裝有為FADEC系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速信號的永磁交流發(fā)電機PMA。

在“準(zhǔn)全電”飛機上，需將發(fā)動機的慢車轉(zhuǎn)速定得較低，以便在低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下也能向飛機供電。GEnx發(fā)動機慢車轉(zhuǎn)速下的推力約為最大推力的2.6%，慢車轉(zhuǎn)速較低。為達到較低的慢車轉(zhuǎn)速，采取了以下幾項措施：（1）于高壓壓氣機出口處，在低轉(zhuǎn)速時瞬間放氣，以保證有足夠的喘振裕度；（2）修訂可調(diào)靜葉的調(diào)節(jié)規(guī)律，在慢車時關(guān)小；（3）調(diào)定FADEC系統(tǒng)的調(diào)節(jié)邏輯，以保持低轉(zhuǎn)速工作時的裕度等。

在用于B747-8客機的GEnx-2B發(fā)動機中，仍然由高壓壓氣機后向機艙空調(diào)系統(tǒng)提供高壓氣流，液壓泵也由發(fā)動機附件傳動系統(tǒng)驅(qū)動，因此它采用了B747客機的發(fā)電機。

3.7 其他特點

在GEnx發(fā)動機設(shè)計上，以下2方面特點值得一提。

3.7.1 防性能衰退措施先進

在現(xiàn)代客機用發(fā)動機中，一定要采取措施，以確保能在較長的時間或較多的循環(huán)數(shù)后保持出廠時的性能，即要防止發(fā)動機性能衰退。為此，GEnx發(fā)動機采取了以下措施，如圖19所示。

（1）在發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)上采用了短且剛性好的轉(zhuǎn)子（圖19中的1），轉(zhuǎn)子支承簡單、無中介軸承、無懸臂支承的渦輪（圖19中的 2）。

（2）采用了先進的葉尖間隙控制技術(shù)，包括高壓壓氣機和高、低壓渦輪的葉尖間隙控制技術(shù)（圖19中的3）。

（3）采用了先進材料和涂層，以及先進的冷卻技術(shù)（圖19中的4），使耐久性高。

（4）風(fēng)扇葉片尾緣與分流環(huán)間距大（圖19中的5），在增壓壓氣機后設(shè)有放氣活門（圖19中的6），使外物不易進入核心部分。

（5）在高壓壓氣機中設(shè)有內(nèi)置式噴水清洗裝置（圖19中的7），以快速恢復(fù)發(fā)動機性能。

3.7.2 降噪聲技術(shù)有效

為滿足21世紀(jì)“綠色航空”的要求，對GEnx發(fā)動機除采用了大量常用的以及新發(fā)展的降噪措施外，還在外涵后端采用了鋸齒型噴口（如圖20所示），以加大噴氣流與外界空氣流的接觸面積（遄達1000發(fā)動機也采用了這種噴口）。因此，GEnx發(fā)動機噪聲值不僅比FAR36部第3階段的規(guī)定值低很多，而且也比第4階段（2006年執(zhí)行）的低很多，如圖21所示。

4 結(jié)束語

2008年4月初，GEnx發(fā)動機取得美國聯(lián)邦航空局FAA的適航證，表明順利完成了研制進程，可以在B787客機上投入運營。遺憾的是，由于B787客機研制進度一拖再拖，何日能投入運營，尚難預(yù)測。

在GEnx發(fā)動機研制中，為滿足取得適航證的需要，用了8臺發(fā)動機進行了為期2年的試驗工作，且于2006年在由B747客機改裝的飛行試驗臺上完成了飛行試驗。在整個研發(fā)/取證的測試過程中，GEnx發(fā)動機共完成4800次任務(wù)循環(huán)，運轉(zhuǎn)時間超過3600h。而GE90發(fā)動機（用于1995年投入使用的B777客機）在研發(fā)/取證的測試過程中，完成15000次循環(huán)，運轉(zhuǎn)時間為8100h，可見，GEnx發(fā)動機的試驗時間與循環(huán)數(shù)是比較少的，但其性能卻比GE90發(fā)動機的有較大幅度提高。這要歸功于GE公司能吸取GE90發(fā)動機研制與使用的經(jīng)驗及教訓(xùn)，以及不斷開展新技術(shù)的發(fā)展研究工作，因而能在較短時間研制出能滿足21世紀(jì)“綠色航空”要求的新型發(fā)動機，其經(jīng)驗與作法值得中國航空發(fā)動機研制人員借鑒。

Design Characteristics of GEnx Engine for B787

CHEN Guang
（School of Jet Propulsion,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100083,China）

The development and design characteristics of GEnx engine for B787were overviewed.The advanced technologies adopted in the general engine and components and the performance achieved were analyzed.

Genx engine;design characteristics; B787aircraft;green aviation

陳光（1930）,教授,博導(dǎo),中國航空學(xué)會理事、科普工作委員會委員，北京航空航天學(xué)會常務(wù)理事兼秘書長，長期從事航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計的教學(xué)、科研與生產(chǎn)工作。

2009-06-11