GE9X的發(fā)展與設(shè)計特點

■ 陳光/北京航空航天大學(xué)

GE9X是GE公司為波音777X在GE90和GEnx的基礎(chǔ)上發(fā)展的新型大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)。當(dāng)2020年以GE9X為動力的777X投入運營時，將標(biāo)志著大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)進(jìn)入到一個嶄新的發(fā)展階段。

在波音公司開始醞釀777X項目時，GE、普惠和羅羅三大航空發(fā)動機(jī)公司均提供了相應(yīng)的發(fā)動機(jī)方案：GE公司的是在GE90和GEnx的基礎(chǔ)上發(fā)展的GE9X，普惠公司的是推力為440kN的齒輪傳動風(fēng)扇發(fā)動機(jī)PW1000G，羅羅公司的是在遄達(dá)1000與遄達(dá)XWB基礎(chǔ)上發(fā)展的RB3025。最終，波音宣布GE9X為777X系列的唯一動力選型。

777X

2013年11月在迪拜航展上，波音公司宣布正式啟動777的后繼機(jī)777X的研制工作。777X有兩個型號，即777-8與777-9。其 中，777-8是777-200/-200LR的后繼機(jī)，機(jī)身加長5.85m達(dá)到69.5m，載客量增加52名，標(biāo)準(zhǔn)的三級客艙布局為352座，航程為17720km以上，將與A350XWB-1000直接競爭。與777-300ER相比，777-9的機(jī)體加長了2.13m、總長度為76.5m，超過747-8的76.3m，成為世界上最長的客機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)的三級客艙布局可搭載407名乘客，航程為15200km。

波音公司宣稱：777X將是世界上最大、最先進(jìn)和最高效的雙發(fā)客機(jī)，使乘客充分享受空中飛行的愉悅，同時可使燃油消耗和使用成本降低到一個新的水平。與競爭機(jī)型相比，油耗低12%，運營成本低10%。

從外觀上看，777X最大的變化體現(xiàn)在機(jī)翼上。為了提供更高的氣動效率，波音為777X設(shè)計了全新的機(jī)翼，該機(jī)翼使用復(fù)合材料，翼展為72m，比777-300ER的65m長7m。為了克服氣動效率和機(jī)場適應(yīng)性之間的矛盾，波音公司把777X的機(jī)翼翼梢設(shè)計成可以折疊的。在空中飛行時為展開狀態(tài)，降落后翼梢向上折起，如圖1所示。折起后的翼展為65m，這樣就可讓777X與777共用停機(jī)坪，這是在民航客機(jī)中首次采用可折疊的機(jī)翼。波音公司具有設(shè)計可折疊機(jī)翼的經(jīng)驗，其為海軍研制的F/A-18的機(jī)翼就是可以折疊的。但大型客機(jī)的質(zhì)量比戰(zhàn)斗機(jī)的要大得多，要求也高得多，因此該設(shè)計也是考驗波音公司能力的試金石。波音公司為制造折疊機(jī)翼投資10億美元，新建了一個復(fù)合材料機(jī)翼中心。2018年5月18日，F(xiàn)AA為777X的折疊機(jī)翼制定了新的認(rèn)證規(guī)則，為777X投入運營創(chuàng)造了有利條件。

圖1 777X可折疊機(jī)翼

GE9X的發(fā)展歷程

GE9X發(fā)動機(jī)由1級大直徑風(fēng)扇、3級低壓壓氣機(jī)、11級高壓壓氣機(jī)、第三代雙環(huán)預(yù)混旋流器（TAPS）燃燒室、2級高壓渦輪與6級低壓渦輪組成，如圖2所示。發(fā)動機(jī)的涵道比為10.3，總壓比為61，推力為454kN級，耗油率比GE90-115B低10%，GE90-115B是世界上推力最大的發(fā)動機(jī)。

圖2 GE9X發(fā)動機(jī)

早在波音公司開始醞釀發(fā)展777X時，GE公司就抓住時機(jī)啟動了GE9X發(fā)動機(jī)的研制工作。因此，當(dāng)波音公司在2013年11月宣布正式啟動777X時，GE公司己完成或正在進(jìn)行GE9X的一些零部件的試驗工作。例如，在2013年年初進(jìn)行了高壓壓氣機(jī)的試驗，年中進(jìn)行了復(fù)合材料的性能與運轉(zhuǎn)試驗。在正式啟動GE9X項目后，于2014年年中進(jìn)行了陶瓷基復(fù)合材料的驗證試驗，2015年年初完成第1臺全核心機(jī)的試驗。

GE9X首臺發(fā)動機(jī)的試車于2016年4月開始，共進(jìn)行了375個循環(huán)與335h試車。2017年5月16日開始了第2臺發(fā)動機(jī)的試驗，這是首臺生產(chǎn)型的發(fā)動機(jī)，將與其他發(fā)動機(jī)一起參與取證試驗。

截至2017年5月，有8臺發(fā)動機(jī)參與取證試驗，還有1臺配上飛機(jī)短艙進(jìn)行雙發(fā)延程飛行（ETOPS）的取證工作。2018年年初，另有8臺發(fā)動機(jī)以及若干套備件用于4架777-9的取證試飛。有1臺發(fā)動機(jī)運往冬天極寒的加拿大馬尼托巴湖草原，GE公司在該地投資2000萬美元擴(kuò)建了原有的設(shè)施，用以進(jìn)行GE9X結(jié)冰試驗，以及發(fā)動機(jī)的冰雹、塵埃與鳥撞試驗,如圖3所示。GE9X的結(jié)冰試驗在2017年冬天尚未全部完成，將在2018年冬天繼續(xù)進(jìn)行。

圖3 GE9X正進(jìn)行結(jié)冰試驗

圖4 裝在以CF6-80C2為動力的747飛行試車臺上的GE9X

2018年3月13日，GE9X裝在GE公司由747改裝的飛行試車臺進(jìn)行首次飛行試驗，試驗持續(xù)了4h。從飛行試車臺來看，驅(qū)動747的發(fā)動機(jī)為GE的CF6-80C2，相比之下，GE9X顯得“碩大無比”，如圖4所示。

GE9X計劃于2019年取得適航證，以GE9X為動力的777-9將于2020年投入運營。

GE9X設(shè)計特點

GE9X是在GE90-115B與GEnx的基礎(chǔ)上，加上近期發(fā)展的許多先進(jìn)技術(shù)與材料研制出的全新高性能發(fā)動機(jī)：涵道比為10.3，比GE90-115B提高了14% (GE90-115B為9）；總壓比為61，比GE90-115B提高了30% (GE90-115B為42）。僅此兩項就使發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率與熱效率有了較大提高，加上引用了一些新技術(shù)，發(fā)動機(jī)的耗油率比GE90-115B低10%，比與其競爭的發(fā)動機(jī)（如遄達(dá)XWB）低5%。

GE9X的風(fēng)扇直徑為3.4m，采用第四代碳纖維復(fù)合材料制成，如圖5所示。第一代碳纖維復(fù)合材料用于GE90，GE90-115B、GEnx分別為第二代和第三代。在第四代碳纖維復(fù)合材料中采用了剛性更高的碳纖維與新的環(huán)氧樹脂，為了增大葉片的強(qiáng)度，葉片前緣包覆合金鋼的薄片，比包覆鈦合金薄片的GE90、GEnx葉片更?。挥捎诓捎昧讼冗M(jìn)的三維（3D）掠形設(shè)計，使風(fēng)扇葉片后掠更大、葉弦更寬，葉片數(shù)更少，為16片（GE90為22片，GEnx為18片），這使GE9X成為所有大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)中風(fēng)扇葉片最少的，如圖6所示。有人用薄、尖、彎三個字形容GE9X風(fēng)扇葉片的特點。

GE9X采用了與GEnx相似的耐久性高、質(zhì)量輕的復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣，它的包容環(huán)也是用復(fù)合材料制成。與金屬材料風(fēng)扇機(jī)匣相比，復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣使每臺發(fā)動機(jī)的質(zhì)量減輕159kg左右。

采用先進(jìn)的三維氣動方法設(shè)計的11級高壓壓氣機(jī)的增壓比為27，是大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)中增壓比最高的，為達(dá)到60.1的總壓比，其平均級壓比為1.349，低于GEnx的1.368（10級增壓比為23）,與GE90的1.348（10級增壓比為20）相當(dāng)。由于GE9X總壓比（60.1）大于GEnx總壓比(45), 高壓壓氣機(jī)出口空氣溫度比后者高許多，因此高壓壓氣機(jī)后幾級輪盤采用了高壓渦輪輪盤中采用的第四代粉末冶金材料。高壓壓氣機(jī)中前6級采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)并焊接成一體，是在大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)中采用整體葉盤級數(shù)最多的高壓壓氣機(jī)，如圖7所示。

圖5 GE9X風(fēng)扇葉片

圖6 GE公司三型發(fā)動機(jī)中風(fēng)扇葉片數(shù)

圖7 焊為一體的6級整體葉盤

GE9X的燃燒室是基于GEnx發(fā)動機(jī)和LEAP發(fā)動機(jī)的燃燒室發(fā)展而來的，但是工作的壓力和溫度將更高，稱為第三代TAPS燃燒室，如圖8所示。第一代、第二代TAPS 燃燒室分別用于GEnx與LEAP發(fā)動機(jī)中。TAPS燃燒室的主燃級燃油噴嘴是氣動霧化式,主混合器空氣旋流器的高壓空氣氣流與主燃級燃油的射流垂直相交,使主燃級燃油的霧化更充分、混合度更高,可在燃燒室內(nèi)形成穩(wěn)定的主燃級燃燒回流區(qū),以實現(xiàn)貧油燃燒,從而達(dá)到降低污染排放的目的。預(yù)燃級燃燒回流區(qū)和主燃級燃燒回流區(qū)可形成一定的交疊,從而形成預(yù)燃/主燃旋流交疊區(qū)。這樣TAPS 燃燒室可以只用一套噴嘴系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)動機(jī)全工況的貧油燃燒。因此, TAPS 燃燒室的燃燒效率高,火焰溫度低,燃燒室出口溫度場均勻,污染物排放也低。

GE9X的第三代TAPS燃燒室有一個顯著特點，就是內(nèi)外火焰筒均由陶瓷基復(fù)合材料（CMC）制成，是世界上第一次不用鎳基合金而用非金屬CMC制作內(nèi)外火焰筒的發(fā)動機(jī)。

CMC是由碳化硅（俗稱金鋼砂）陶瓷纖維與陶瓷基體組成，再溶入樹脂并加以涂層強(qiáng)化，它的密度僅為鎳基合金的三分之一，能大幅度減輕零件的質(zhì)量，它的強(qiáng)度為金屬材料的兩倍，而且能耐更高的溫度（1204℃）?；鹧嫱膊捎肅MC后，不僅質(zhì)量輕，而且可減少冷卻火焰筒的空氣量，使進(jìn)入混合器的空氣量更多，形成貧油燃燒，其污染物排放量遠(yuǎn)低于2020年后生效的航空環(huán)境保護(hù)委員會CAEP / 8環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

GE9X的燃油噴嘴頭部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，用常規(guī)的加工方法耗時較多，GE公司采用了3D打印技術(shù)來制造噴嘴頭部，采用鈷-鉻粉末加工，如圖9所示。用3D打印技術(shù)能大大降低加工時間，特別是在調(diào)整試驗燃燒室性能時，更易實現(xiàn)噴嘴設(shè)計的早期迭代，能夠?qū)⒃O(shè)計更改和試驗迅速合并，節(jié)省了大量時間。LEAP發(fā)動機(jī)是GE公司首個采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)燃油噴嘴的機(jī)型。

除了火焰筒，CMC還用于GE9X的高壓渦輪1、2級導(dǎo)流葉片與1級機(jī)匣內(nèi)襯環(huán)上，如圖10所示。毫無疑問，GE9X是世界上采用CMC零組件最多的商用發(fā)動機(jī)。

圖8 第三代TAPS燃燒室

圖9 GE9X的燃油噴嘴

圖10 CMC在GE9X中的應(yīng)用

GE9X的高壓渦輪盤采用了第四代粉末冶金材料——先進(jìn)的高溫鎳基粉末合金R104，高壓壓氣機(jī)后幾級輪盤也采用了這種合金。

GE9X的低壓渦輪為6級，比GEnx的7級少1級，這是由于風(fēng)扇葉片如前所述葉尖切線速度提高，使低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高所獲得的成果。第5級、第6級工作葉片采用了在GEnx的第6級、第7級低壓渦輪葉片中用的4822鈦鋁合金。這種合金具有密度低，高溫時仍可保持足夠高的強(qiáng)度和剛度，同時具有良好的抗蠕變及抗氧化能力等突出特點，能減輕葉片的質(zhì)量，據(jù)稱在GEnx發(fā)動機(jī)最后兩級低壓渦輪工作葉片中采用4822鈦鋁合金后，使發(fā)動機(jī)質(zhì)量減輕了90kg。在GE9X中，采用鈦鋁合金的這兩級葉片是用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的。

GE9X發(fā)動機(jī)的NOx排放量比GEnx的低30%，低于CAEP / 8的要求。GE9X發(fā)動機(jī)的噪聲值比第五階段規(guī)定的噪聲極限低8dB。

當(dāng)2020年以GE9X為動力的777X投入運營時，將標(biāo)志著大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)進(jìn)入到一個嶄新的發(fā)展階段。