推力58噸！一篇文章看懂世界推力最大發動機GE90-115B

1 概 述

GE90-115B(圖1)是在用於B777-200的 GE90-85B及用於B777-200ER的GE90 -94B的基礎上衍生髮展的推力加大的改型,用於B777-300ER與 B777-200LR,且是這兩型飛機唯一的發動機。

發動機型號後的數字表明推力值,85、94與115分別表示發動機的推力85000、94000與11500lbf,數字後的符號B表明該發動機是用于波音公司的飛機。因此GE90-115B發動機推力為511kN(11500lbf),是當今世界上推力最大的發動機。

圖1、GE90-115B縱剖面圖

以往,在高涵道比渦扇發動機加大推力的改進衍生髮展時,從結構設計考慮,通常是在核心機不變的情況下,採用加大風扇直徑、增加增壓壓氣機與低壓渦輪級數、個別渦輪葉片改用更耐高溫的材料等,在總體布局(轉子支承方式等)方面則基本不變。

例如PW4000系列發動機中,從風扇直徑為2.4m的PW4052 PW4062,到風扇直徑為2.5m的PW4164 PW4168,再到風扇直徑為2.8m的PW4074 PW4098;相應地增壓壓氣機則由4級增為5級再增至6級,而低壓渦輪則由4級增為5級再增至7級。

高壓壓氣機與高壓渦輪級數未變,結構也無大變化,只是葉片採用了更先進的設計方法,發動機推力由52000lbf提到980000lbf,其衍生髮展走的就是這一途徑。

但是在 GE90系列發動機中,由 GE9094B(下文稱「基準發動機」)發展成 GE90 115B時,卻未走上述途徑。此次,不僅將高壓壓氣機級數從基準發動機的10級減少1級成為9級,低壓渦輪級數未變,而且風扇轉子的支承方式打破了傳統的設計,作了較大改動,形成了一種全新的支承方式;因此嚴格地講,GE90 115B不能算是從基準發動機衍生髮展的。

2、GE90 115B主要結構參數

風扇直徑由基準發動機的3.124m增大到3.251m,增加了0.127m,以增加進入發動機的空氣流量,加大推力;高壓壓氣機將基準發動機的末級去掉,級數變為9級,以加大高壓壓氣機末級流通面積,增加流過核心機的空氣流量;增壓壓氣機增加1級,由3級改為4級,以加大增壓比(約加大20%),使發動機總壓比基本不變,另外也使流入核心機的空氣流量加大(約加大20%),因此發動機涵道比有所降低。低壓渦輪則仍維持基準發動機的6級。

圖2、GE90-115B帶後掠的風扇葉片

3 風 扇

3.1 葉片與輪盤

風扇葉片用三維氣動計算方法設計成S形後掠葉型,如圖2所示,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年代後期新研製的高涵道比渦扇發動機採用的新技術之—。

風扇葉片的厚度與弦長均有增加,與基準發動機相比,其質量約加大50%。風扇葉尖直徑雖加大127mm,但包容環外徑僅增加了38.7mm,因此風扇機匣體積變化不大仍可用原來運輸基準發動機的貨機運輸。

風扇葉片仍然採用GE公司在基準發動機中使用的複合材料,在前緣包有鈦合金的保護套。由於風扇葉片弦長、直徑、厚度與質量均加大,所以輪盤由原來的3個小盤的盤鼓混合式結構改成4個小盤的盤鼓混合式結構,如圖3所示。

圖3、兩型發動機風扇輪盤結構比較

3.2 風扇轉子支承方式

與基準發動機相比,這部分改動最多,兩者之比較如圖4所示。

圖4、兩型發動機風扇轉子支承方式的比較

兩者主要不同在於滾珠軸承置位不同。在以往發動機除羅·羅公司的 RB211、遄達外,包括 GE90 94B,大多數發動機緊靠風扇盤後的1號軸承均採用滾珠軸承。

在20世紀90年代末,GE公司來華介紹GE90115B時,其所展示的結構圖中,1號軸承也是滾珠軸承,如圖5所示。但是,後來卻作了較大改動,如圖4(b)所示。除軸承位置不同外,滾棒軸承的尺寸改變也大,如表1所列。

圖5、最初的 GE90-115B風扇轉子支承方式

表1、兩型發動機1/2號軸承的形式與主要尺寸（mm）

3.3 減輕風扇葉片從葉根處斷裂時對發動機與飛機造成的損傷

如前所述,GE90-115B風扇葉片的質量較基準發動機的增加50%,當一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,為減輕對發動機與飛機產生的不利影響,採取了以下三項措施。

(1)緊靠風扇盤後的1號支點處採用了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,成為這兩型發動機風扇轉子中的4個軸承中內徑最大的,以增加葉片斷裂時對過大衝擊載荷的承受能力。

(2)在以往普惠公司與GE公司的高涵道比渦輪風扇發動機中,1號支點採用滾珠軸承時,當一片葉片斷裂甩出發動機後,風扇盤會繞滾珠軸承作迴轉運動,此時,與斷片相對處的多個葉片會碰蹭機匣,可能會造成多片葉片斷裂。

改用大直徑滾棒軸承後,能限制輪盤繞支點處的迴轉運動,使輪盤繞軸心線轉動,其他葉片不會與機匣碰蹭。即轉子由於有一片葉片甩離,產生了很大的不平衡力,有較大的振動,但轉子仍然正常地繞中心線運轉。

(3)風扇轉子的兩個支點處均採用了減振措施,如圖6所示,即1號支點處採用了帶擠壓油膜的彈性支座,2號支點處採用了彈性支座,以減少在葉片斷裂時外傳的振動載荷。這是在眾多的高涵道比渦輪風扇發動機中少有的。

圖6 1、2號支點結構

遄達1000發動機中,1號支點處原來就是滾棒軸承,為了更好地限制當1片葉片斷裂甩出後,輪盤不會繞軸承作迴轉運動,在原有滾棒軸承後增加了一個尺寸較小的滾棒軸承,如圖7所示。

圖7、遄達1000在1號支點處增加1個滾棒軸承

3.4 滾珠軸承置於2號支點處

由於1號支點處採用了滾棒軸承,承受轉子軸向力的滾珠軸承只能置於2號支點處。由圖8可以看出,風扇軸是一根前粗後細的錐形軸,2號支點處直徑很小(約180mm),滾珠軸承如直接裝在此處,軸承內徑將會較小,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,滾珠軸承裝在此軸套外徑處,再通過彈性支座裝到風扇承力框架上,以承受低壓轉子的軸向負荷與徑向負荷。此滾珠軸承的外徑與基準發動機中1號軸套外徑相同(602mm),而內徑則小(39mm),即該軸承比基準發動機滾珠軸承在直徑系列中更重。

外伸軸套內裝有球頭,可降低對低壓轉子三個支點同心度的要求。

圖8、GE90風扇錐形軸

GE90 115B風扇轉子的支承方式,已用於 GE公司的 GEnx發動機中,如圖9所示。

圖9、GEnx風扇

普惠公司研製的PW6000中,也採用了 GE90115B風扇支承的方式,如圖10所示。但它安裝2號滾珠軸承的外伸軸套是與風扇錐形軸做成一體的,因而外伸軸套內沒有球頭;另外,兩個支點均未採用彈性支座,僅1號支點處單獨地採用了擠壓油膜。

圖10、 PW6000風扇與增壓壓氣機支承結構

4 帶彈性支座的整體式軸承

在基準發動機中,N3R(3號支點是滾珠、滾棒軸承並列的結構,其滾棒軸承為3R)、N4(高壓轉子後支點)及 N5(低壓轉子後支點)三個滾棒軸承均採用了彈性支座,其中 N3R與 N5還帶擠壓油膜。值得注意的是這三個軸承均與彈性支座做成一體,稱為帶彈性支座的整體式軸承,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年代起逐漸在航空發動機中推廣應用的。它不僅可減少發動機零件數與質量,而且其可靠性也得到提高。

在 GE90-115B中,除仍然採用了基準發動機中的 N3R、N4與 N5支點結構外,N1支點還採用了折返式彈性支座,且支座與軸承外環也做成一體。由圖11可以看出,1號支點的整體式軸承其結構比其他三個複雜得多,標誌著這種整體式軸承已從簡單的結構向複雜結構方向發展,相信今後還會出現更複雜的結構。

這種帶支座的整體軸承一般由軸承公司根據發動機研製方提出的要求,完成設計與研製。例如德國FAG軸承公司的產品介紹中,就有多種帶支座的整體式軸承。

圖11/GE90 115B帶彈性支座的整體式軸承

5 其 他

5.1 高壓壓氣機

第1級採用了整體葉盤,做成單件,不像後幾級是焊接在一起的,這樣便於在葉片受到損傷時分解下來進行修復。

5.2 低壓渦輪

在 GE90 115B中,雖然風扇直徑增加了0.127m,增壓壓氣機增加了1級,但低壓渦輪仍保留基準發動機的6級。這在其他系列發動機在增大推力衍生髮展中從未見過。

在低壓渦輪中,所有各級的動、靜葉片葉形按三元流進行了改造,工作葉片採用了低稠度設計,以保持葉片氣流通道形式與基準發動機相同,同時還使總共6級工作葉片由基準發動機的952片減少為852片,葉片數少了10.5%。

低壓渦輪的轉速較基準發動機提高了5.5%(高壓渦輪的轉速提高了4%),為此,第1級工作葉片採用了GE公司研製的單晶鎳基合金N5(高壓渦輪工作葉也採用此材料)。

5.3 低壓渦輪前軸與風扇錐型軸

低壓渦輪前軸亦稱風扇中間軸,其後端用幾個螺栓與低壓渦輪1級輪盤相連,前端插入錐形風扇軸內,通過花鍵傳遞扭矩與軸向力。為了能應用於核心機型,其外徑與基準發動機一致,但傳遞的扭矩卻比基準發動機的大1.3倍,在風扇葉片斷裂時的瞬時扭矩則大1.9倍,顯然採用基準發動機中製造此軸的材料已不適用。

另外,它的花鍵長度達203mm,是航空發動機中最長的花鍵,如圖12所示。為此,採用了 GE公司參與研製的 GE1014材料,其拉伸強度為1.965MPa,比基準發動機用的材料 (1.84 MPa)約高 7%。GE1014硬度較高 (約為HRC55),給加工帶來麻煩,日本IHI公司負責低壓渦輪部件的設計生產,經過多次調試後才最終完成了此軸的生產。

風扇錐形軸(參見圖8)除傳遞的扭矩與渦輪前軸一樣外,由於1號支點改用了滾棒軸承,還要求它有更高的可靠性,以保證在工作中決不會出現斷軸事件(否則風扇盤會甩出發動機);另外此軸後端的長內花鍵精度要求高,也是難於加工的。

日本IHI公司也負責此軸的研發工作,最後完成的風扇錐形軸與低壓渦輪軸連接成一整體,在扭轉疲勞試驗台上完成了50000循環的疲勞扭轉試驗,如圖13所示,驗證了此兩軸以及花鍵連軸器均滿足了設計要求。

圖12、低壓渦輪前軸(注意花鍵長度)

圖13、錐形風扇軸與低壓渦輪軸組合成一體在扭轉疲勞試驗台上試驗

6 研製概況

波音公司於1998年底決定將1995年投入營運的B777起飛總重提高,以延長飛機的航程與載客量,為此GE公司推出了加大推力的也是世界上推力最大的發動機GE90 115B。1999年7月,GE公司與波音公司簽訂了發展 GE90 115B的協議,GE90 115B被波音公司選為波音777300ER、波音777 200LR的唯一動力,波音777300ER在載客365人(3級布局)時航程達13427km,波音777200LR載客301人時航程為10417km。

GE公司於2000年2月啟動了GE90 115B的研製工作,2001年秋首台發動機試車,11月創造了世界最大推力的記錄;2002年9月18日GE90 115B裝在 GE公司專用的、由波音747改裝的飛行試車台進行飛行試驗,共飛行48次、217小時,歷時152天。2003年初,GE90 115B裝在波音777 300ER飛機上進行總計1600h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的波音777 300ER與B777200LR分別於2004年5月與2006年初投入航線使用。中國國際航空公司引進的首架 B777 300ER 於2011年7月27日投入航線營運。

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