“推力之王”GE9X

董幗雄

在經(jīng)過近5000小時(shí)和8000個(gè)循環(huán)的測(cè)試后，2020年10月，GE公司宣布當(dāng)今世界最大推力的航空發(fā)動(dòng)機(jī)——GE9X獲得了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）頒發(fā)的型號(hào)合格證。

作為GE公司耗時(shí)多年研制的一款全新產(chǎn)品，GE9X的過人之處不僅僅在于其驚人的推力，這款產(chǎn)品所采用的碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、陶瓷基復(fù)合材料渦輪部件和大量的3D打印部件等，使其可以稱得上是當(dāng)今商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新技術(shù)的集大成者。而透過GE9X所采用的這些創(chuàng)新技術(shù)，也讓業(yè)界看到了百年GE對(duì)創(chuàng)新技術(shù)的戰(zhàn)略規(guī)劃。

未雨綢繆的GE9X項(xiàng)目

在寬體客機(jī)市場(chǎng)，波音和GE堪稱互相成就的典范。1995年，波音777正式投入航線運(yùn)營(yíng)，從此全球航空公司的遠(yuǎn)程寬體客機(jī)機(jī)隊(duì)組成開始發(fā)生變化。最初，波音777系列飛機(jī)的動(dòng)力有GE90、遄達(dá)800和普惠PW4000三款產(chǎn)品可供航空公司選擇。2000年以后，隨著波音推出777長(zhǎng)航程型號(hào)飛機(jī)之后，GE90逐漸成為該系列飛機(jī)中最暢銷的發(fā)動(dòng)機(jī)。這主要是因?yàn)镚E從GE90這款產(chǎn)品就開始大膽使用新技術(shù)和新材料，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率明顯提升。

在GE90這款發(fā)動(dòng)機(jī)上，GE公司使用了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，這是商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)歷史上的第一次。GE90風(fēng)扇葉片長(zhǎng)4英尺，重量不到50磅，由碳纖維和增韌的環(huán)氧樹脂基體制成，強(qiáng)度和剛度是鈦的兩倍。其獨(dú)特的彎曲設(shè)計(jì)使其比傳統(tǒng)的鈦合金葉片更大、更輕，并具有更好的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

重量的減輕和設(shè)計(jì)的優(yōu)化使得GE90的燃油效率明顯提高。同時(shí)，優(yōu)化后的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)使GE90風(fēng)扇葉片可將大量空氣吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，增大發(fā)動(dòng)機(jī)推力。到波音推出777-300ER項(xiàng)目時(shí)，GE90-115B成為了唯一動(dòng)力裝置，這使得GE在雙發(fā)寬體機(jī)動(dòng)力市場(chǎng)逐漸成為領(lǐng)先者。

2004年，為了挑戰(zhàn)波音在寬體客機(jī)市場(chǎng)的地位，空客啟動(dòng)了A350飛機(jī)的研制。作為發(fā)動(dòng)機(jī)制造商和波音的戰(zhàn)略合作伙伴，GE預(yù)測(cè)到波音很有可能會(huì)推出相應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，于是在2010年，GE就開始積極籌備，GE9X的雛形在公司內(nèi)部逐漸呈現(xiàn)。一年后，波音不出所料地公布了777系列飛機(jī)的下一代產(chǎn)品777X的研制計(jì)劃，隨后GE、羅羅和普惠均提供了相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)方案，其中GE提出在GE90和GEnx的基礎(chǔ)上發(fā)展GE9X，普惠公司提出推力為440kN的齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)PW1000G，羅羅則是在遄達(dá)1000與遄達(dá)XWB基礎(chǔ)上發(fā)展RB3025。

最終，早有準(zhǔn)備的GE贏得了這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。在2013年的迪拜航展上，波音正式宣布啟動(dòng)777X飛機(jī)項(xiàng)目，GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)成為了777X系列飛機(jī)的唯一動(dòng)力選擇。

2013年，GE正式開始GE9X的研制工作。當(dāng)年年初，GE進(jìn)行了GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的試驗(yàn)，年中進(jìn)行了復(fù)合材料的性能與運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。2014年年中，進(jìn)行了陶瓷基復(fù)合材料的驗(yàn)證試驗(yàn)。2015年年初，完成了第一臺(tái)全核心機(jī)的試驗(yàn)。2016年，首臺(tái)GE9X試車試驗(yàn)開始。2017年開始了第二臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試驗(yàn)，這也是首臺(tái)生產(chǎn)型的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)。

2018年3月13日，GE9X被裝在747飛行試車臺(tái)上進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)。此后，GE共向波音交付了10臺(tái)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)（8臺(tái)裝機(jī)、2臺(tái)備份）用于777X的試飛取證工作。為了進(jìn)行GE9X的結(jié)冰試驗(yàn)、冰雹試驗(yàn)、塵埃試驗(yàn)與鳥撞試驗(yàn)，GE還在加拿大投資2000萬(wàn)美元擴(kuò)建了原有試驗(yàn)設(shè)施。最終，在完成了近5000小時(shí)和8000個(gè)循環(huán)測(cè)試后，F(xiàn)AA為GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)頒發(fā)了型號(hào)合格證。

此外，在GE9X項(xiàng)目中，GE采用了風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、收益共享（RRSP）的模式，法國(guó)賽峰集團(tuán)旗下的斯奈克瑪發(fā)動(dòng)機(jī)公司和航空航天技術(shù)公司，德國(guó)MTU發(fā)動(dòng)機(jī)公司和日本石川島播磨重工業(yè)株式會(huì)社等都是GE這一項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)合作伙伴。

這種合作模式的好處顯而易見：各合作公司技術(shù)互補(bǔ)，共享市場(chǎng)收益，能夠規(guī)避技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn);各合作公司收入共享而不是利潤(rùn)共享，每家公司的利潤(rùn)取決于各自的管理和運(yùn)營(yíng);各合作公司可以分擔(dān)從方案論證、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)直到銷售等的所有工作，確保較高的技術(shù)水平、工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在GE9X之前，GE公司已經(jīng)在多個(gè)項(xiàng)目上嘗試了這一合作方式，在GE9X的研發(fā)中，這種合作模式再一次發(fā)揮了積極的作用。

GE9X的創(chuàng)新之處

總體來(lái)看，GE9X是在GE90-115B與GEnx的基礎(chǔ)上進(jìn)行傳承與創(chuàng)新的產(chǎn)物。

GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)包括1級(jí)風(fēng)扇、3級(jí)低壓壓氣機(jī)、11級(jí)高壓壓氣機(jī)、燃燒室、2級(jí)高壓渦輪和6級(jí)低壓渦輪。風(fēng)扇直徑達(dá)到3.4米，堪比波音737機(jī)身的最大橫截面直徑。2017年11月10日，在GE航空集團(tuán)位于美國(guó)俄亥俄州的皮伯斯（Peebles）測(cè)試中心，GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)在測(cè)試中達(dá)到了134300磅的推力，打破了自2002年以來(lái)一直由GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)保持的127900磅推力的世界紀(jì)錄。這一紀(jì)錄在2019年7月12日GE航空集團(tuán)在俄亥俄州總部舉行集團(tuán)成立100周年慶典時(shí)，獲得了吉尼斯世界紀(jì)錄的確認(rèn)。

GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比為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(xiàng)就使發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率與熱效率有了較大提高，加上應(yīng)用了一些新技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率比GE90-115B低10%，比與其競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)動(dòng)機(jī)低5%。

GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)亮點(diǎn)還體現(xiàn)在高效的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、先進(jìn)材料的應(yīng)用和數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用等方面。GE9X采用的第四代碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制作的風(fēng)扇葉片，數(shù)量只有16片，是目前世界上所有大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中葉片厚度最薄、用量最少的（GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片數(shù)量是22片，GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)是18片），葉片的前緣包邊材料從鈦合金換成了鋼，加強(qiáng)了葉片的強(qiáng)度。另外，它還采用了輕質(zhì)復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣，這些新材料的使用都有效地減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。

與此同時(shí)，陶瓷基復(fù)合材料（CMC）也是GE近年來(lái)大力推崇的新材料，在GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)上，這種新材料也被大量使用，GE也因此成為了全球首家將耐熱、輕質(zhì)的CMC材料應(yīng)用在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上的制造商。

由于CMC材料只有金屬合金密度的三分之一，這些重量超輕的CMC部件可以大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。此外，這種材料的耐熱性還可以大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的耐用性和燃油經(jīng)濟(jì)性。CMC材料在高溫下遠(yuǎn)比金屬合金耐磨，這也使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件需要的冷卻空氣減少，從而使得用于做功的空氣流量增加，達(dá)到提升發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率的目標(biāo)。

為了配套GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)，GE公司在美國(guó)亨茨維爾市投資2億美元建立了兩家工廠，其中一家用于生產(chǎn)CMC材料，另一家用于生產(chǎn)CMC部件。兩家工廠已先后于2018年和2019年投產(chǎn)，CMC材料的年產(chǎn)量可達(dá)到20噸，而一臺(tái)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)使用的CMC材料大約為1公斤。

此外，GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)采用的超高增壓比的高壓壓氣機(jī)是基于GE航空集團(tuán)的eCore核心機(jī)設(shè)計(jì)，采用第4代粉末合金材料制造。前5級(jí)采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，涵道比為10‥1，增壓比達(dá)到27‥1（GE90-115B的增壓比是23‥1）。加上3級(jí)低壓壓氣機(jī)使得總增壓比達(dá)到60‥1，是目前世界上總增壓比最高的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

在排放方面，GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放量比GEnx低30%，低于CAEP/8的要求。在噪聲方面，GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲值比第五階段規(guī)定的噪聲極限低8分貝?？梢哉f，以GE9X為動(dòng)力的777X投入運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入到了一個(gè)新的發(fā)展階段。

GE的新戰(zhàn)略

除了新材料的應(yīng)用，在GE9X項(xiàng)目中，3D打印技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用也很好地體現(xiàn)了GE近年來(lái)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型所取得的成績(jī)。

作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)勇于自我革新的典范，GE近年來(lái)把數(shù)字化轉(zhuǎn)型作為重點(diǎn)發(fā)展方向。大力推進(jìn)的數(shù)字化革命，讓GE在生產(chǎn)每一臺(tái)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，都能夠記錄下它們獨(dú)有的海量數(shù)字信息，形成每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)所特有的數(shù)字信息庫(kù)。它們就像人類的指紋信息或“遺傳基因”數(shù)據(jù)一樣，獨(dú)一無(wú)二。

這意味著通過數(shù)字化技術(shù)可以對(duì)每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)字識(shí)別。在發(fā)動(dòng)機(jī)投入運(yùn)營(yíng)后，一旦出現(xiàn)問題，GE就可以通過大數(shù)據(jù)分析來(lái)快速鎖定具有類似“基因”的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而可以提前和航空公司一起有效預(yù)防可能發(fā)生的故障，再也不需要像過去那樣一臺(tái)一臺(tái)地進(jìn)行檢查和監(jiān)控，這樣不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性，更大大地提高了航空公司的運(yùn)營(yíng)效率，降低了維護(hù)成本。

此外，近年來(lái)GE大力謀劃的3D打印技術(shù)在GE9X的研制中也起到了關(guān)鍵作用。

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)來(lái)說，3D打印技術(shù)是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略意義的技術(shù)。隨著噴氣推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和先進(jìn)材料的開發(fā)，發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)空間越來(lái)越大，可采用的新型材料越來(lái)越多，但同時(shí)也對(duì)制造技術(shù)提出了更加嚴(yán)苛的要求。3D打印技術(shù)恰恰可以解決這一矛盾，因此也受到了GE公司的高度關(guān)注。

在GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)中，19個(gè)燃油噴嘴均由3D打印技術(shù)制造完成。上一代的燃油噴嘴需要20個(gè)部件焊接而成，新的燃油噴嘴因3D打印實(shí)現(xiàn)了一體化制造，耐用性是前者的6倍，重量也降低了25%。而且，在調(diào)整試驗(yàn)燃燒室性能時(shí)，更易實(shí)現(xiàn)噴嘴設(shè)計(jì)的早期迭代，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)更改和試驗(yàn)迅速合并，節(jié)省了大量時(shí)間?？梢哉f，在燃油噴嘴的制造中，3D打印技術(shù)的應(yīng)用成為了行業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化的標(biāo)桿。

實(shí)現(xiàn)這一系列制造工藝突破的關(guān)鍵在于GE早在幾年前就開始布局3D打印市場(chǎng)，并圍繞業(yè)務(wù)發(fā)展收購(gòu)了多家行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)。

2012年，GE將美國(guó)Morris技術(shù)公司和美國(guó)RQM公司收入麾下，成立了GE增材制造技術(shù)有限公司，并在完成相關(guān)業(yè)務(wù)整合之后，投資5000萬(wàn)美元在阿拉巴馬州辛辛那提建設(shè)新工廠，該工廠主要使用直接金屬激光熔化技術(shù)制造LEAP系列發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴嘴。

2013年，GE收購(gòu)了意大利航天公司AVIO，該公司與瑞典著名增材制造公司Arcam公司共同研發(fā)了電子束熔化成型技術(shù)（EBM），即使用電子束作為能量源逐層熔化金屬粉末，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的生產(chǎn)。GE收購(gòu)AVIO主要目的在于使用該公司的EBM技術(shù)制造鈦鋁合金低壓渦輪機(jī)葉片。

在GE9X的研制中，AVIO公司的技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。GE9X低壓渦輪葉片采用增強(qiáng)鈦鋁（TiA1）金屬間化合物。這種材料比常用于低壓渦輪葉片的鎳基合金輕50%左右。如果使用由鈦鋁材料制成的葉片，整個(gè)低壓渦輪機(jī)的重量可以減少20%。但是鈦鋁的生產(chǎn)周期長(zhǎng)、制造難度大，一般很難用作制造材料，而EBM技術(shù)恰恰是解決這一問題的有效辦法。使用EBM增材制造技術(shù)后，一臺(tái)機(jī)器72小時(shí)內(nèi)就可以生產(chǎn)7片低壓渦輪機(jī)的8級(jí)葉片，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)使用的失蠟法或旋轉(zhuǎn)鑄造法。

GE提前布局3D打印領(lǐng)域，不禁讓人聯(lián)想起在777X項(xiàng)目啟動(dòng)前，公司就未雨綢繆地開始了GE9X項(xiàng)目的研制準(zhǔn)備。由此可見，成功永遠(yuǎn)屬于那些有準(zhǔn)備的人，這或許是為何百年來(lái)，GE能夠一直在航空動(dòng)力市場(chǎng)保持領(lǐng)先地位的原因所在。