波音787“梦幻”飞行动力——大涵道比涡扇发动机GEnx
GEnx是GE公司为波音787“梦幻”飞机研制的高涵道比(10.0)与高总压比(45.0),低油耗、低污染与低噪声的新一代发动机,也用于波音747-8客机与货机。
波音公司于2002年12月宣布研制波音7E7用以面向中型市场的新一代双通道客机,用来填补波音737、波音757单通道与波音777双通道客机的空档。波音7E7中的E代表经济(Economic)、环保(Environment)、可上网(E-enable)与舒适(Exceptional comfort for customer),2005年1月28日中国购买60架波音7E7,波音公司宣布将“E”改为中国吉利数字“8”,因此飞机改名为波音-787。
为此GE公司在GE90系列发动机的基础上研发了GEnx系列发动机,而罗罗公司则研发了遄达1000发动机。最终波音公司采用了罗罗公司遄达1000及GE的GEnx发动机,普惠公司则被排除在外。
2003年波音公司就波音787“梦幻”飞机动力装置给世界三大航空发动机生产商提出了四个要求:技术方面,要求发动机提供更多电力,以一种尺寸发动机适用三种不同类型787飞机,采用最新技术和实现最佳可靠性;经济性方面,在波音787飞机寿命内,在500-8000nmile航段上实现最佳经济性;环境方面,在787飞机寿命期满足所有环保要求;服务方面,达到并支持波音公司提出的综合服务解决方案。
以波音787-9飞机为例,飞机起飞总重227吨,要求发动机单台推力约为300KN(67500lbf)并留有一定发展裕度。GEnx以75000lbf作为设计值,GEnx发动机第一次试车推力达到80500lbf,比设计值大7%。自2006年3月起GEnx一直进行地面试验,于2007年2月底在波音747试验台上进行飞行试验,于2007年9月取得了适航证。GEnx虽是新设计的发动机,但大量采用了GE公司过去几年中成功的先进新技术。
日本IHI、三菱重工(MHI)、意大利菲亚特、瑞典沃尔沃、比利时Techspace共同参与了GEnx发动机的研发。
作为世界上唯一采用复合材料前风扇匣和风扇叶片的喷气发动机,GEnx耐久性更高、重量更轻、使用成本更低。
GEnx发动机风扇叶片利用GE90复合材料技术,此技术在GE-90发动机经过充分验证,其噪声比目前任何一款民用GE发动机都低。另外采用一种新型燃烧室,通过提高点火前的油/气混合效率,大幅降低氮氧化合物的排放。
GE90-76B于1995年投入运营,到GEnx经历四次技术提高,GEnx实现耗油率低、排放低、噪声低、使用费用低。
GEnx发动机代表了推进技术上的巨大飞跃,应用了最新一代的材料和设计工艺以减轻重量、改进性能并降低维护费用。
GEnx发动机燃油效率比它所取代的发动机高15%,飞行时间增长了30%;发动机零件减少了30%;大大降低了维护费用。它的排放只有调整后标准的95%,可在未来多年满足环保要求。
所有这些进步得益于几项技术的革新与结合。
GEnx发动机使用了更轻的耐用复合材料和专门的涂层,革命性的完全燃烧的双环预混施流器燃烧室、反向旋转结构和维修时可自由拆卸的风扇模块等。
GEnx风扇叶片采用第三代复合材料,叶片数由GE90的22片减少为18片。其风扇 机匣为复合材料,采用了三维树脂模传递成型结构,是第一次用于发动机,其包容性能、强度优于金属机匣。重量相比金属机匣见信好了154kg,一架飞机可减重363kg,且耐腐蚀、便于维护。
GEnx发动机的高压压气机为10级,增压比为23.0,平均级压比为1.368。高压压气机从第三级做成双层机匣,外层机匣作为承力机匣,内机匣作为气流通道的包容环。为保证沿周围的叶尖间隙在工作中始终保持均匀,与工作叶片对应的机匣做成整环的而内层机匣为了装配做成分段的。
GEnx是第一种安装内置式喷水装置的发动机。发动机每工作200~500次循环后,视情况决定是否需要喷洗,清洗后不需要清水冲刷,大大节约了维护时间与成本。
GEnx采用了常规的单环腔燃烧室,但却采用了双环预混旋流器,并且采用了贫油设计。
GEnx发动机双环预混燃烧室的所有创新中关键性的创新就是采用了燃油和空气在喷嘴内混合,其燃油喷射完全不同于常规燃烧室的燃油喷射。
GEnx有2级高压涡轮和7级低压涡轮,高压涡轮叶片用GE公司的第二代三维气动技术设计,采用了先进的冷却技术,并使用最新的耐高温材料,使冷却用空气减少,寿命长。
为满足21世纪“绿色航空”的要求,GEnx采用了大量新开发的降噪措施外,还在外涵后端采用了锯齿形喷管,用以加大喷气流与外界空气流的接触面积,降低排气噪声。
GEnx发动机在技术上与竞争对手遄达1000势均力敌 ,但在发动机订购量上要远远超过遄达1000,其市场规模至少在4000台以上,并至少可以稳定生产30年。