「夢想客機」波音787發動機GEnx設計特點陳光談航發184

1 前 言

GEnx是 GE公司為波音787「夢幻」客機研製的高涵道比(10.0)與高總壓比(45.0)、低油耗、低污染與低雜訊的新一代發動機,也用于波音7478客機與貨機。

為了滿足21世紀「綠色航空」的要求,GEnx不僅繼承並發展了 GE公司以往成熟發動機特別是 GE90發動機的設計,採用了 GE90研製與使用中經驗與教訓,而且還採用了最新發展的一些先進技術,使得GEnx不僅性能達到較高的水平,而且研製周期較短。

圖1、由GE90-76B到GEnx經歷4次技術提高

1.1 波音787

為了適應21世紀「綠色航空」的要求,波音公司於2002年12月宣布研製 B7E7超效、高速、中型市場的新一代雙通道雙發動機客機,以填補B737、B757單通道客機與B777雙通道客機間的空擋。

「E」意味:經濟(Economic)、環保(Environment)、上網(Eenable)與舒適(Ex-ceptionalComfortforcustomer)。2005年1月28日在中國購買60架B7E7的簽字儀式上,波音宣布將E改為中國認為吉利的8,因此飛機改名B787。

波音787是第1種液壓系統的動力不由發動機提供、座艙空調系統不由發動機提供高壓空氣的飛機,而是由發動機驅動總功率高達1000kW的變頻交流發電機向飛機供電,驅動液壓泵與壓縮機。

圖2、GEnx與CF6-80C2、GE90-76B的耗油率比較

波音787採用了GE公司的GEnx與羅·羅公司的遄達1000發動機,兩型發動機均可以用於任一飛機上,且在使用中能互換。

波音787有三個型號,即B7878,為基本型,B787 3為短航程型,B7879,為加重型。在三個型號中,8型將是最早投入使用的型號,原計劃2008年投入使用,但是經過幾次延期,現在預計到2010年夏天可投入使用。

圖3、GEnx耗油率低所採用的措施

1.2 波音747-8

波音公司於2005年11月宣布啟動波音7478型飛機的研製工作,B747 8有兩個型號,即洲際客機型B7478I與貨機型 B747-8F。

B7478I採用了 B787飛機的許多先進技術,其座英里成本比747-400低9%,比 A380低12%,2012年投入運營。B747-8F貨機型的航程可達8275公里,貨艙空間比747-400增加16%。B747-8的起飛總重為442t,僅採用GE公司的推力較小的GEnx(即 GEnx- 2B67)。

2 GEnx發展特點

GEnx是在1996年投入使用的 GE90(用于波音777)的基礎上發展的,原來是專為波音787研製的,後來又被波音747 8選作其唯一的動力。

GEnx的推力小於 GE90的378kN~511kN,大於 CF6 80C2(波音747 400)的258kN,而耗油率約低於GE90的6.9%。

GEnx採用了高的涵道比(~10),高的總壓比(~45)(GE90分別為8、40)以及高的部件效率。GE90-76B於1995年底投入營運,到GEnx歷經四次技術的提高,使GEnx耗油率低,排放低,雜訊低,直接使用費用低,如見圖1所示。

圖2所示為GEnx、CF680E1與GE90三型發動機耗油率的比較,從圖上可看出 GEnx的巡航耗油率比用於 A330的 CF6 80E1A4低15.4%,比用於B777的 GE9094B低6.9%。圖3所示為降低耗油率所採用的措施,以及各項措施所獲得的效益。

由於B787有三個起飛總重不同的型號,因此用於 B787的 GEnx有三個推力不同的型號。GEnx的設計推力為333kN,GEnx在第1次試車中,推力達到358kN,比設計值大7%。

圖4、用於B787和B747-8兩種飛機的發動機

用於B787三型飛機的三型 GEnx發動機為用於B7873的 GEnx 1B54(236kN)、用於 B787 8的 GEnx 1B64(284kN)以及用於B7879的 GEnx 1B70(310kN),三型發動機的風扇直徑均為2.819m。

用於B747 8的發動機為 GEnx 2B67,其風扇直徑小於 GEnx 1BXX的,為2.641m。圖4所示為用於B787及B747 8兩種飛機的發動機特徵。

3 GEnx總體結構設計

圖5所示為用於B787的 GEnx 1B與用於B747 8的 GEnx 2B發動機的總圖。表1

所列為兩型發動機主要部件的級數。

表1、兩型發動機主要部件的級數

由於 2B型的風扇直徑比1B型的小0.178m,且增壓壓氣機級數少1級,因此 2B的低壓渦輪少1級。

圖5、用於B787的 GEnx -1B與用於B747- 8的 GEnx-2B總體結構圖

3.1 風扇轉子支承方案

圖6所示為 GEnx與 GE90轉子支承方案的比較,兩型發動機支承方案基本相似,即低壓轉子支承方案為0 2 1三支點方案,高壓轉子支承方案為1 0 1兩支點方案,共五個支點,但高壓壓氣機前支點(3號支點)採用了 GE公司獨特的滾珠軸承與滾棒軸承並列的設計,即滾棒軸承3R承受徑向力,滾珠軸承3B僅承受軸向力。

在2號支點處,軸的直徑較小,滾珠軸承直接裝到軸上,軸承的內徑很小,承受不了軸向負荷,為此,在此處安裝了一個帶球頭的外伸軸套,如圖7所示。將滾珠軸承的內環套裝在此外伸軸套中,以加大軸承內徑,這一設計沿用了 GE90 115B的設計(參閱「GE90 115B設計特點分析」)。

圖6、GEnx與 GE90轉子支承方案比較

3.2 高壓轉子後端支點

高壓轉子後端通過中介軸承支承於低壓轉子的設計(如圖8所示),是 GE公司的傳統設計,但是GEnx(包括GE90)中卻沒有採用這種支承方案,這是因為GE90及GEnx的涵道比大(分別為8及10),在保持風扇葉尖切線速度一定的條件下,低壓轉子轉速較低,為使低壓渦輪獲得較高性能,只能將低壓渦輪直徑加大,於是高、低壓渦輪直徑相差較大,為了使氣流能平緩由高壓渦輪流入低壓渦輪,只得在高、低壓渦輪間設置一個較長的錐型過渡機匣。

圖7 1、2號支點結構

此時如將高壓渦輪後軸通過中介軸承支承於低壓轉子上,則中介軸承與低壓渦輪後軸承間的距離較長,會帶來嚴重的轉子動力學問題,對高壓轉子與低壓轉子的工作均帶來不利的影響。

圖8、高壓轉子後端通過中介軸承4支承於低壓轉子的支承方案(CFM56)

另外,由於過渡機匣較長,也有條件在此處設置高壓渦輪後軸承的軸承座,以及與之有關的油槽及封嚴裝置等,如圖9所示。因此,GEnx轉子支承方案(如圖6所示)未採用中介軸承支承方案。圖9所示為 GE90的高壓渦輪後支承處結構圖,GEnx的結構基本與其相同。

圖9、GE90高壓渦輪後支座與低壓渦輪(GEnx與之相同)

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