GE90-115B發動機結構設計特點分析

陳光，邱明星,2

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191；2.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

GE90-115B發動機結構設計特點分析

陳光1，邱明星1,2

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191；2.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

GE90-115B發動機是目前世界上推力最大的發動機，由GE90-94B發動機衍生發展而來。與傳統的衍生發展不同，GE90-115B發動機的高壓壓氣機減少1級，風扇轉子支承作了重大改變，將1號滾珠軸承改為直徑特大的滾棒軸承，滾珠軸承則置于風扇軸后端處。對風扇轉子支承方式的變化作了深入分析，同時對風扇、高壓壓氣機、低壓渦輪、軸承等的結構設計改進進行了分析，可供航空發動機結構設計人員參考。

GE90-115B發動機；GE90-94發動機；結構設計；大涵道比發動機；支承方式

0 引言

波音公司于1998年底決定將1995年投入營運的B777客機的起飛總質量增大，以延長飛機的航程與載客量，為此GE公司提出了發展增大推力（也是世界上推力最大）的GE90-115B發動機。1999年7月，GE公司與波音公司簽訂協議，將在GE90-85B和GE90-94B發動機基礎上改進發展的GE90-115B發動機選為波音777-300ER和波音777-200LR客機的惟一動力裝置，使波音777-300ER客機在載客365人（3級布局）時航程達13427 km，使波音777-200LR客機在載客301人時航程達10417 km。

GE公司于2000年2月啟動了GE90-115B發動機的研制工作；在2001年秋進行首臺發動機試車，當年11月創造了世界最大推力發動機的紀錄；于2002年9月18日裝在GE公司專用的、由波音747客機改裝的飛行試車臺上進行飛行試驗，共飛行48次、217 h，歷時152 d；在2003年初，將GE90-115B發動機裝在波音777-300ER客機上進行總計1600 h的飛行試驗；2004年初取得美國FAA及歐洲JAA的適航證；使用GE90-115B發動機的波音777-300ER和B777-200LR客機分別于2004年5月和2006年初投入航線營運。中國國際航空公司引進的首架B777-300ER客機于2011年7月27日投入航線營運。

在大涵道比渦扇發動機衍生發展推力增大型時，通常在保持核心機和總體布局（如轉子支承方式等）不變的前提下，采用適當加大風扇直徑、增加增壓壓氣機與低壓渦輪級數、個別前面級的渦輪葉片改用耐溫更高的材料等方式。例如在PW4000系列發動機中，從PW4052衍生發展為PW4062，從PW4164衍生發展為PW4168，從PW4074衍生發展為PW4098，這些發動機的高壓壓氣機與高壓渦輪級數未變，風扇直徑由2.4 m增大到2.5 m,再增大到2.8 m，增壓壓氣機由4級增為5級再增至6級，低壓渦輪則由4級增為5級再增至7級，發動機推力由231.31 kN增大到435.93 kN。但是在GE90系列發動機中，由GE90-94發動機（下文稱基準發動機）發展成GE90-115B發動機時，不僅將高壓壓氣機級數從基準發動機的10級減為9級，而且風扇轉子的支承方式打破了傳統設計習慣，作了較大改動，采用1種全新的支承方式。因此嚴格講，GE90-115B發動機不能算是從基準發動機衍生發展的，更確切地說是從基準發動機核心機修改設計后匹配低壓設計而成的，不是核心機派生發展（核心機不變）的概念。

1 總體結構設計特點

GE90-115B發動機（如圖1所示）的風扇直徑由基準發動機的3.124 m增大到3.251 m，增大了0.127 m，從而增加了發動機的進口空氣流量，并增大了推力；高壓壓氣機將基準發動機的末級去掉，級數變為9級，加大了末級流通面積，使流過核心機的空氣流量約增加20%，發動機涵道比有所減小；增壓壓氣機由3級增加為4級，使增壓比約增大20%，并維持發動機總壓比基本不變。低壓渦輪則仍維持基準發動機的6級。

圖1 GE90-115B發動機縱剖面

2 風扇設計特點

2.1葉片與輪盤

GE90-115B發動機風扇葉片（如圖2所示）采用3D氣動技術設計成S形后掠葉型，以減少超聲速氣流流入葉片時的損失，提高效率，這是20世紀90年代后期新研制的大涵道比渦扇發動機采用的新技術之一。風扇葉片的厚度與弦長均有增加，與基準發動機相比，其質量約增大50%。風扇葉尖直徑雖增大127mm，但包容環外徑僅增大了38.7 mm。

與基準發動機一樣，GE90-115B發動機的風扇葉片仍采用GE公司的復合材料，在葉片前緣包有鈦合金的保護套，以提高復合材料葉片抗外物損傷和氣流沖刷能力。

由于風扇葉片弦長、直徑、厚度和質量均加大，所以輪盤由基準發動機的3個小盤的盤鼓混合式結構改為4個小盤的盤鼓混合式結構，如圖3所示。

圖2 GE90-115B發動機帶后掠的風扇葉片

圖3 2型發動機風扇輪盤結構比較

2.2風扇轉子支承方式

與基準發動機相比，GE90-115B發動機的風扇轉子支承方式改動最多，如圖4所示。

圖4 2型發動機風扇轉子支承方式比較

2型發動機風扇轉子支承方式的主要區別在于滾珠軸承位置不同。在以往的大發動機中除RR公司的RB211和TRENT發動機外，包括GE公司的GE90-94發動機在內的大多數民用大涵道比發動機緊靠風扇盤后的1號軸承均采用滾珠軸承，GE公司于20世紀90年代在中國介紹的GE90-115B發動機風扇（如圖5所示）盤后的1號軸承也采用滾珠軸承。但后來該發動機（圖4）作了較大改動，將滾珠軸承和滾棒軸承位置對調，且滾棒軸承的尺寸改變也很大，見表1。

圖5 最初的GE90-115B發動機風扇轉子支承方式與基準發動機的比較

表1 2型發動機1、2號軸承的類型和尺寸mm

2.3安全性設計特點

如前所述，GE90-115B發動機風扇葉片的質量比基準發動機的增加50%，當1片葉片從葉根處斷裂甩出時，對風扇轉子會產生較大的不平衡力與力矩，為減小風扇葉片從葉根處斷裂時對發動機和飛機產生的不利影響，采取了以下3項措施。

（1）在緊靠風扇盤后的1號支點處采用直徑較大的滾棒軸承，其內徑由基準發動機的183mm加大到503mm，增加幅度非常大，是這2型發動機風扇轉子4個軸承中內徑最大的，以提高葉片斷裂時過大沖擊載荷的承受能力。

（2）在以往PW和GE公司的大涵道比渦輪風扇發動機的1號支點采用滾珠軸承時，當1片葉片斷裂甩出發動機后，風扇盤會繞滾珠軸承作回轉運動，此時，與斷片相對處的多個葉片會碰摩機匣，可能造成多片葉片斷裂。改用大直徑滾棒軸承后，限制了輪盤繞支點處的回轉運動，使輪盤繞軸心線轉動，且其他葉片不會與機匣碰摩。也就是說，如果轉子有1片葉片甩離，產生很大的不平衡力，帶來較大的振動，但轉子仍可正常地繞中心線運轉。

（3）在風扇轉子的2個支點處均采用減振措施（如圖6所示），即在1號支點處采用帶擠壓油膜的彈性支座，在2號支點處采用彈性支座，以減小葉片斷裂時外傳的振動載荷。這是在眾多的大涵道比渦輪風扇發動機中少有的。

圖6 1、2號支點結構

采用上述3項措施后，當風扇葉片斷裂時，發動機內部即使發生嚴重損傷，也不會有過大沖擊載荷通過發動機安裝節傳到飛機上。

TRENT1000發動機的1號支點處即采用滾棒軸承，為了更好地限制當1片葉片斷裂甩出后輪盤不會繞軸承作回轉運動，在該軸承后又增加了1個尺寸較小的滾棒軸承，如圖7所示。

圖7 TRENT1000發動機1號支點處增加1個滾棒軸承

2.4滾珠軸承置于2號支點處

由于在1號支點處采用了滾棒軸承，承受轉子軸向力的滾珠軸承只能置于2號支點處。GE90發動機錐型風扇軸如圖8所示。從圖中可見，其風扇軸為一前粗后細的錐型軸，2號支點處直徑很小（約180 mm），滾珠軸承如直接裝在此處，承受軸向負荷的能力很小，為此，在此處安裝了獨特的帶球頭的外伸軸套，滾珠軸承套在此軸套外徑處，再通過彈性支座裝于風扇承力框架上，以承受低壓轉子的軸向和徑向負荷。與基準發動機1號軸套相比，此滾珠軸承的外徑相同（602mm），而內徑小39mm。

外伸軸套內裝有球頭，可利用球頭的自位調節作用滿足低壓轉子3個支點同心度的要求。

GE90-115B發動機風扇轉子的支承方式已用于GE公司的GEnx發動機中，如圖9所示。中國C919客機采用的LEAP-1C發動機風扇部件也采用了該支承方式。

圖8 GE90發動機錐型風扇軸

圖9 GEnx發動機風扇

PW公司研制的PW6000發動機的風扇支承方式采用了GE90-115B發動機的方式，如圖10所示。但其安裝2號滾珠軸承的外伸軸套是與風扇錐形軸一體的，因而外伸軸套內沒有球頭；另外，2個支點均未采用彈性支座，僅在1號支點處單獨采用了擠壓油膜。

圖10 PW 6000發動機風扇和增壓壓氣機的支承結構

3 采用帶彈性支座的滾棒軸承

在基準發動機中，N3R（3號支點是滾珠、滾棒軸承并列的結構，其滾棒軸承為3R）、N4（高壓轉子后支點）及N5（低壓轉子后支點）3個滾棒軸承均采用彈性支座，其中N3R與N5還帶擠壓油膜。值得注意的是這3個軸承均與彈性支座做成一體，稱為帶支座的整體式軸承，如圖11所示。這種將軸承的外環和與其相配的彈性支座做成一體的結構，是20世紀90年代逐漸在航空發動機中推廣應用的，不僅可減少發動機零件數和減輕質量，而且其可靠性也得到提高。在GE90-115B發動機中，除仍然采用了基準發動機中的N3R、N4和N5支點結構外，N1支點還采用了折返式彈性支座，且支座與軸承外環也做成一體，從圖11中可見，1號支點的整體式軸承結構比其他3個更為復雜，代表了這種整體式軸承已從簡單結構向復雜結構方向發展，相信今后還會出現更復雜的結構。這種帶支座的整體軸承一般由軸承公司根據發動機研制方提出的要求完成設計與研制，例如德國FAG軸承公司的產品中就有多種帶支座的整體式軸承。

圖11 GE90-115B發動機帶彈性支座的滾棒軸承

4 其他結構

4.1高壓壓氣機

GE90-115B發動機第1級高壓壓氣機采用整體葉盤，做成單件的，而后幾級是焊接在一起的，便于在葉片受到損傷時可分解下來進行修復。

4.2低壓渦輪

在GE90-115B發動機中，雖然風扇直徑增加了0.127m，增壓壓氣機增加了1級，但低壓渦輪仍保留為基準發動機的6級，這在其他系列發動機增大推力衍生發展中從未有過。在低壓渦輪中，各級的工作與靜子葉片葉型按3維氣動設計技術進行了改造，工作葉片采用低稠度設計，保持葉片氣流通道型式與基準發動機的相同，同時還使6級工作葉片由基準發動機的952片減少為852片，減少了10%。低壓渦輪轉速較基準發動機的提高5.5%（高壓渦輪轉速提高4%），為此，第1級工作葉片采用GE公司研制的單晶鎳基合金N5（高壓渦輪工作葉片也采用該材料）。

4.3低壓渦輪前軸與錐型風扇軸

低壓渦輪前軸亦稱風扇中間軸，其后端用幾個螺栓與低壓渦輪第1級輪盤相連，前端插入錐型風扇軸內通過花鍵傳遞扭矩和軸向力，為了能通過核心機，中間軸的外徑與基準發動機的一致，但傳遞的扭矩卻比基準發動機的大1.3倍，風扇葉片斷裂時的瞬時扭矩則大1.9倍，顯然采用基準發動機材料制造該軸已不適用；另外，其花鍵長203mm，是航空發動機中最長的（如圖12所示）。為此，采用GE公司參與研制的GE1014材料，其拉伸強度為1.965GPa，比基準發動機選用材料的拉伸強度（1.84GPa）約大7%。GE1042材料硬度較大（HRC＝55），加工麻煩，日本IHI公司負責低壓渦輪部件的設計生產，經過多次嘗試后才最終完成。

錐型風扇軸（圖8）除傳遞的扭矩與低壓渦輪前軸的一樣外，由于1號支點改用了滾棒軸承，要求具有更高的可靠性，以保證在工作中決不會出現斷軸故障，否則風扇盤會甩出發動機。另外此軸后端的內花鍵長，精度要求高，加工難度也很大。日本IHI公司也負責此軸的研發工作，最后完成的錐型風扇軸與低壓渦輪軸連接成一整體，在扭轉疲勞試驗臺（如圖13所示）上完成了50000次循環疲勞扭轉試驗，驗證了此2軸和花鍵聯軸器均滿足設計要求。

圖12 低壓渦輪前軸

圖13 低壓軸組合體在扭轉疲勞試驗臺上試驗

5 結束語

GE90-115B發動機的結構設計和安全性設計具有非常突出的特點，代表了未來大涵道比發動機的發展方向，值得中國航空發動機技術人員思考、學習和借鑒。

[1]Horibe Kyohei,Kawahira Kouji,SakaiJun,et al.Development of GE90-115B turbofan engine[J].IHIEngineering Review, 2004,37（1）：1-8.

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[3]陳光.遄達700發動機設計特點[M]//陳光.航空發動機結構設計分析.北京：北京航空航天大學出版社，2006：225-232.

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[9]陳光.用于波音787的GEnx發動機設計特點[J].航空發動機,2010，36（1）：1-6.

CHEN Guang.Design characteristics of GEnx engine for B787 [J].Aeroengine,2010，36（1）：1-6.（in Chinese）

[10]陳光.遄達1000發動機設計特點[J].航空發動機, 2009，35（4）：1-6.

CHEN Guang.Design characteristics of Trent 1000[J]. Aeroengine,2009，35（4）：1-6.（in Chinese）

Analysis of Structure Design Characteristics for GE90-115B

CHEN Guang1，QIU M ing-xing1,2
（1.Schoolof Jet Propulsion,Beihang University,Beijing 100191,China;2.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

GE90-115B is the largest thrust engine in the world,derived from GE90-94B.GE90-115B is different from traditional derivated development.Its high pressure compressor is reduced one stage.The fan rotor support type is changed,its No.1 ball bearing is changed to the large diameter roller bearing,which is located on the rear of fan shaft.The changes of support type for fan rotors are analyzed,and the analysis of structure design for the fan,high press are compressor,low press are turbine and bearing are conducted,which provide the references to the aeroengine structure designers.

GE90-115B;GE90-94;structure design;high bypass ratio engine;support type

2012-06-22

陳光（1930），男，教授，長期從事航空發動機結構設計的教學、科研與生產工作。