4 发动机研制概况
GE90发动机的研制费约12~30亿美元。研制计划以 GE公司为主,它承担50%~60%的份额;法国SNECMA公司承担25%;日本石川岛播磨重工业公司承担10%;另外,意大利费亚特公司也承担一部分份额。SNECMA公司负责高压压气机、增压压气机及备用的钛合金风扇叶片的设计和制造工作;另外还承担发动机装配与试车工作量的40%。
费亚特公司负责齿轮传动箱与传动系统的发展工作,参与这些部件的设计、发展、试验和生产以及售后服务工作。它还将与石川岛播磨重工业公司合作进行低压涡轮的气动、强度、结构的设计与发展工作。石川岛播磨重工业公司负责发动机主要轴类零件的设计与发展,以及部件试验工作。
图11、装配好的GE90-115B
4.1 研制进度
4.1.1 核心机试验
GE90发动机基本按原定的研制计划发展,其核心机于1992年11月23日进行了257min的首次试车,随后共进行了15次启动、33h试验。试验结果表明:高压涡轮出口温度、耗油率低于预定值;核心机空气流量及功率超过取证要求,启动性能好,进行了超过红线转速105%的试车。另外,转子振动值与主要零件的应力值均低于规定值。
4.1.2 发动机地面试车
随后,于1993年3月29日进行了第1次整台发动机的试车(FETT),在第2次即1993年4月3日的试车中,推力达到创世界纪录的469.4kN。
在第1阶段试车中,共试验了80h,启动100次以上,结果表明,发动机启动性能好———启动平稳、排气温度不高、启动时间低于预计值;发动机排气温度与耗油率及零件应力值、发动机振动值均低于规定值。
在此之后,又进行了一系列为取证所要求进行的各项试验,其中包括两项难度极大的风扇叶片甩出试验(1994年11月14日完成)与吞入3.632kg大鸟试验(1994年11月4日)。
4.1.3 飞行试验
GE90装在波音747改装的飞行试车台的飞行试验于1993年12月6~16日在位于加州的 MojaveGE飞行试验中心进行。在第1阶段的试飞中共飞行4次,26h30min;1994年4月进行了第2阶段的试飞,两个阶段共飞行了20余次、117h10min。
4.1.4 投入使用
GE90发动机于1995年2月2日取得FAA颁发的适航证。装于波音公司的第6架波音777的2台GE90发动机于1994年11月19日、22日装上飞机,并于1994年12月10日进行地面试车,1995年2月开始试飞。
装GE90的波音777于1995年7月中取得适航证,第10架波音777进行装 GE90的180minETOPS鉴定试飞,1995年2月中开始首飞,1995年9月通过合格鉴定的审定工作。装 GE90的波音777于1995年9月交付美国航空公司投入航线营运,投入营运时即已获得180minETOPS的批准。
4.2 试验设备
4.2.1 地面试车台
由于 GE90的推力比现有任何发动机的推力大很多,原来的一些试验条件已不能满足试验要求,须新建或改建一些设备。为此,GE公司新建2个、改建2个试车台。
为了考核侧风对发动机性能的影响。GE公司新建了一座模拟侧风的大型风洞,风洞中安装了20余台大尺寸风扇,从风洞中吹出的气流(即侧风)风速最大可达129km/h。整个风洞可在地面铺设的弧形轨道中移动,以模拟不同角度的侧风。
试车台的发动机最大推力可达556.7kN;当测风风速为46.3km/h时,发动机的推力约为409.7kN;侧风风速为55.6km/h时,推力为389.2kN。
4.2.2 飞行试车台
为了对 GE90进行飞行试验,GE公司购置了一架波音747飞机,由卢卡斯公司负责改装成飞行试车台,将波音747的2发位置改成试验 GE90的试车台。改装后的飞行试车台可测定发动机在3352~13106m高度范围内的参数。
4.2.3 新建装配工厂
GE公司还在北卡州首府 Raleigh附近的 Durham 新建一所装配 GE90发动机的装配工厂(工厂还装配CF6 80C2发动机)。该厂于1993年10月建成并开始总装GE90,1994年作者参观该厂时,全厂有70余人,年装配GE9070余台,平均每人每年装配一台发动机。
该厂设计能力是每年总装GE90200台,员工200人。他们实行新的管理方法,全厂除厂长1人外不设中间的管理机构。厂长以下设7个工作小组(平均每组10人),每个小组仅有1名工程师,其余均为具有职业技校毕业执照的技术工人。每1小组负责由集件开始到总装完毕的全部工作,包括转子的平衡、叶轮的外圆磨削等。
当该厂的室内试车台建好后,还将负责发动机的试车工作。这种工作方式能保证发动机具有良好的装配质量,但要求工人都具有多面手的能力。
4.2.4 合作伙伴的试验条件
为发展GE90发动机,GE公司的两个合作伙伴也新建、改建了大型试车台。法国SNECMA公司新建了一座室内、试验能力达601.2kN推力的大型试车台,试车间截面积为12m×12m,空气流量可达1800kg/s,能在瞬间记录2800个参数(比现有试车台的记录能力提高了一倍)。
该试车台还安装有欧洲功率最大的超级X光系统,用以在试车中摄录发动机内部影像以确定关键部位的间隙变化情况。它能在瞬间录取3000个数据点,其影像精度为0.1mm。
该试车台已于1993年10月15日进行了第1台GE90的试车工作。日本IHI公司将原有的一座试车台予以改装,用以试验GE90。该试车台已改建好并于1993年底进行了GE90的试车。
图12、带后掠的风扇叶片
5 GE90-115B发动机
5.1 推力最大的发动机
GE90的最新型号为GE90 115B,发动机名称后的115B,表示用于波音飞机、推力为115000lbf的发动机。这种将型号名称后的几位数表示发动机推力的做法应用较广。
例如,普惠公司用于波音777 300的 PW4098,其后二位数字98表示发动机推力为98000lbf;罗·罗公司用于波音777200ER的遄达895的推力为95000lbf。由 GE90 115B名字来看,它的额定推力为513kN(115300lbf),是当今世界推力最大的发动机。
原型 GE90在1994年11月取得适航证时的推力为389.3kN,也即 115B的额定推力为原型推力的1.317倍。在2001年底地面试车中,推力曾达到569kN(127000lbf),并以发动机在标准天气条件下的海平面稳态推力为547.6kN(122965lbf)收入吉尼斯世界纪录,且将 GE-90115B冠名“世界上功率最大的喷气发动机”。
5.1.1 风 扇
GE90 115B(见图11),是在推力为417.3kN的 GE90 94B(2000年11月投入使用)基础上衍生发展的。在衍生发展中,为了增大进入发动机的空气流量,将风扇直径由3.124m加大为3.2512m,增加了127mm;但包容环的外径只增加38.1mm,因此风扇机匣仍可用原来运输 GE90 94B的货机运输。风扇叶片的厚度与弦长均有增加,叶片用三维气动计算方法设计成S形后掠叶型,如图12所示,以减少超声速气流流入叶片时的损失,提高效率。这是20世纪90年代后期新研制的高涵道比涡扇发动机采用的新技术之一。风扇叶片仍然采用GE公司在原型 GE90中使用的复合材料。
图13示出GE90 115B的风扇部件与GE90 94B的风扇部件的比较。由图13可见 ,
图13、GE90 115B、GE90 94B风扇部件的比较
GE90115B的风扇叶片较原型 GE90有较大改变,加上增压压气机增加1级。这是 GE90 115B提高推力、降低耗油率的主要措施。
风扇传动轴采用了新的高强度合金钢GE1014,极大地提高了传动轴的扭矩承受能力,因此传动轴直径可保持不变,核心机的其他部件也无须改变。
GE90风扇机匣直径为3.43m,比波音737的机身直径(3.40m)还大,装发动机的短舱直径为4.19m。
5.1.2 增压压气机
风扇后的增压压气机由3级增为4级(见图13),以提高发动机总压比及进入核心机的气流量。4级增压压气机转子由于叶根处的切线速度较低均采用了整体叶环结构。
5.1.3 高压压气机
在 GE9094B中,高压压气机引用了三元流技术对原型做了改进,以提高效率。在GE90115B的高压压气机中,仍然采用了三元流技术;但将10级改为9级且基本保持原来的增压比,即平均级压比较原型更高。
9级转子均采用整体叶盘结构,可调静子的调节规律进行了优化设计,提高了发动机的适应性。
5.1.4 主要参数
5.2 研制概况
GE90 115B被波音公司选为波音777300ER、波音777 200LR 的唯一动力。波音 777 300ER在载客365人(3级布局)时航程达13427km,波音777200LR载客301人时航程为10417km。波音公司称,波音777300ER的人·英里费用比 A340500/ 600的低
15%~18%,每位旅客的燃油消耗量低21%(航程相同时)。
GE90115B地面台架试车始于2001年秋,11月创造了世界最大推力的记录;2002年9月18日装在 GE公司专用的、由波音747改装的飞行试车台进行飞行试验,共飞行48次、
217h时,历时152天。图14示出了 GE90 115B挂在波音747飞行试车台上的情况。
2003年初,GE90 115B装在波音777300ER 飞机上进行总计1600h的飞行试验,2004年初取得美国 FAA 及欧洲JAA的适航证。使用 GE90 115B的波音777300ER 于2004年5月投入航线使用。中国国际航空公司引进的首架 B777 300ER于2011年7月27日投入航线营运。
图14 、GE90-115B飞行试验用的波音747飞行试车台
2003年年中,GE公司拟定了一项为期四年的“GE90 115B成熟化试车计划”。该计划使用3台发动机,领先于机群发动机模拟并评估发动机在航线使用20年的情况,便于及早发现可能在航线使用中出现的问题,并及时采取相应措施,提高发动机的可靠性、维修性。
该计划的内容有3项,每项用1台发动机。3项内容为:
(1)13000循环耐久性试验,模拟外场使用、维修情况,包括5次返厂进行维修工作;
(2)3000循环180minETOPS试验,2004年再用此台发动机进行一次3000循环试验;
(3)考验热端部件的耐久性试验。该计划总的试验循环数为30000次。