一篇文章看懂世界推力最大发动机GE90-115B｜ 陈光谈航发182
航空之家AH2018-09-23 14:36
推力58吨！一篇文章看懂世界推力最大发动机GE90-115B
1 概 述
GE90-115B(图1)是在用于B777-200的 GE90-85B及用于B777-200ER的GE90 -94B的基础上衍生发展的推力加大的改型,用于B777-300ER与 B777-200LR,且是这两型飞机唯一的发动机。
发动机型号后的数字表明推力值,85、94与115分别表示发动机的推力85000、94000与11500lbf,数字后的符号B表明该发动机是用于波音公司的飞机。因此GE90-115B发动机推力为511kN(11500lbf),是当今世界上推力最大的发动机。
图1、GE90-115B纵剖面图
以往,在高涵道比涡扇发动机加大推力的改进衍生发展时,从结构设计考虑,通常是在核心机不变的情况下,采用加大风扇直径、增加增压压气机与低压涡轮级数、个别涡轮叶片改用更耐高温的材料等,在总体布局(转子支承方式等)方面则基本不变。
例如PW4000系列发动机中,从风扇直径为2.4m的PW4052 PW4062,到风扇直径为2.5m的PW4164 PW4168,再到风扇直径为2.8m的PW4074 PW4098;相应地增压压气机则由4级增为5级再增至6级,而低压涡轮则由4级增为5级再增至7级。
高压压气机与高压涡轮级数未变,结构也无大变化,只是叶片采用了更先进的设计方法,发动机推力由52000lbf提到980000lbf,其衍生发展走的就是这一途径。
但是在 GE90系列发动机中,由 GE9094B(下文称“基准发动机”)发展成 GE90 115B时,却未走上述途径。此次,不仅将高压压气机级数从基准发动机的10级减少1级成为9级,低压涡轮级数未变,而且风扇转子的支承方式打破了传统的设计,作了较大改动,形成了一种全新的支承方式;因此严格地讲,GE90 115B不能算是从基准发动机衍生发展的。
2、GE90 115B主要结构参数
风扇直径由基准发动机的3.124m增大到3.251m,增加了0.127m,以增加进入发动机的空气流量,加大推力;高压压气机将基准发动机的末级去掉,级数变为9级,以加大高压压气机末级流通面积,增加流过核心机的空气流量;增压压气机增加1级,由3级改为4级,以加大增压比(约加大20%),使发动机总压比基本不变,另外也使流入核心机的空气流量加大(约加大20%),因此发动机涵道比有所降低。低压涡轮则仍维持基准发动机的6级。
图2、GE90-115B带后掠的风扇叶片
3 风 扇
3.1 叶片与轮盘
风扇叶片用三维气动计算方法设计成S形后掠叶型,如图2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—。
风扇叶片的厚度与弦长均有增加,与基准发动机相比,其质量约加大50%。风扇叶尖直径虽加大127mm,但包容环外径仅增加了38.7mm,因此风扇机匣体积变化不大仍可用原来运输基准发动机的货机运输。
风扇叶片仍然采用GE公司在基准发动机中使用的复合材料,在前缘包有钛合金的保护套。由于风扇叶片弦长、直径、厚度与质量均加大,所以轮盘由原来的3个小盘的盘鼓混合式结构改成4个小盘的盘鼓混合式结构,如图3所示。
图3、两型发动机风扇轮盘结构比较
3.2 风扇转子支承方式
与基准发动机相比,这部分改动最多,两者之比较如图4所示。
图4、两型发动机风扇转子支承方式的比较
两者主要不同在于滚珠轴承置位不同。在以往发动机除罗·罗公司的 RB211、遄达外,包括 GE90 94B,大多数发动机紧靠风扇盘后的1号轴承均采用滚珠轴承。
在20世纪90年代末,GE公司来华介绍GE90115B时,其所展示的结构图中,1号轴承也是滚珠轴承,如图5所示。但是,后来却作了较大改动,如图4(b)所示。除轴承位置不同外,滚棒轴承的尺寸改变也大,如表1所列。
图5、最初的 GE90-115B风扇转子支承方式
表1、两型发动机1/2号轴承的形式与主要尺寸（mm）
3.3 减轻风扇叶片从叶根处断裂时对发动机与飞机造成的损伤
如前所述,GE90-115B风扇叶片的质量较基准发动机的增加50%,当一片叶片从叶根处断裂甩出时,对风扇转子会产生较大的不平衡力与力矩,为减轻对发动机与飞机产生的不利影响,采取了以下三项措施。
(1)紧靠风扇盘后的1号支点处采用了直径较大的滚棒轴承,其内径由基准发动机的183mm加大到503mm,增加幅度非常大,成为这两型发动机风扇转子中的4个轴承中内径最大的,以增加叶片断裂时对过大冲击载荷的承受能力。
(2)在以往普惠公司与GE公司的高涵道比涡轮风扇发动机中,1号支点采用滚珠轴承时,当一片叶片断裂甩出发动机后,风扇盘会绕滚珠轴承作回转运动,此时,与断片相对处的多个叶片会碰蹭机匣,可能会造成多片叶片断裂。
改用大直径滚棒轴承后,能限制轮盘绕支点处的回转运动,使轮盘绕轴心线转动,其他叶片不会与机匣碰蹭。即转子由于有一片叶片甩离,产生了很大的不平衡力,有较大的振动,但转子仍然正常地绕中心线运转。
(3)风扇转子的两个支点处均采用了减振措施,如图6所示,即1号支点处采用了带挤压油膜的弹性支座,2号支点处采用了弹性支座,以减少在叶片断裂时外传的振动载荷。这是在众多的高涵道比涡轮风扇发动机中少有的。
图6 1、2号支点结构
遄达1000发动机中,1号支点处原来就是滚棒轴承,为了更好地限制当1片叶片断裂甩出后,轮盘不会绕轴承作回转运动,在原有滚棒轴承后增加了一个尺寸较小的滚棒轴承,如图7所示。
图7、遄达1000在1号支点处增加1个滚棒轴承
3.4 滚珠轴承置于2号支点处
由于1号支点处采用了滚棒轴承,承受转子轴向力的滚珠轴承只能置于2号支点处。由图8可以看出,风扇轴是一根前粗后细的锥形轴,2号支点处直径很小(约180mm),滚珠轴承如直接装在此处,轴承内径将会较小,承受轴向负荷的能力很小。
为此,在此处安装了独特的带球头的外伸轴套,滚珠轴承装在此轴套外径处,再通过弹性支座装到风扇承力框架上,以承受低压转子的轴向负荷与径向负荷。此滚珠轴承的外径与基准发动机中1号轴套外径相同(602mm),而内径则小(39mm),即该轴承比基准发动机滚珠轴承在直径系列中更重。
外伸轴套内装有球头,可降低对低压转子三个支点同心度的要求。
图8、GE90风扇锥形轴
GE90 115B风扇转子的支承方式,已用于 GE公司的 GEnx发动机中,如图9所示。
图9、GEnx风扇
普惠公司研制的PW6000中,也采用了 GE90115B风扇支承的方式,如图10所示。但它安装2号滚珠轴承的外伸轴套是与风扇锥形轴做成一体的,因而外伸轴套内没有球头;另外,两个支点均未采用弹性支座,仅1号支点处单独地采用了挤压油膜。
图10、 PW6000风扇与增压压气机支承结构
4 带弹性支座的整体式轴承
在基准发动机中,N3R(3号支点是滚珠、滚棒轴承并列的结构,其滚棒轴承为3R)、N4(高压转子后支点)及 N5(低压转子后支点)三个滚棒轴承均采用了弹性支座,其中 N3R与 N5还带挤压油膜。值得注意的是这三个轴承均与弹性支座做成一体,称为带弹性支座的整体式轴承,如图11所示。
这种将轴承的外环和与其相配的弹性支座做成一体的结构,是20世纪90年代起逐渐在航空发动机中推广应用的。它不仅可减少发动机零件数与质量,而且其可靠性也得到提高。
在 GE90-115B中,除仍然采用了基准发动机中的 N3R、N4与 N5支点结构外,N1支点还采用了折返式弹性支座,且支座与轴承外环也做成一体。由图11可以看出,1号支点的整体式轴承其结构比其他三个复杂得多,标志着这种整体式轴承已从简单的结构向复杂结构方向发展,相信今后还会出现更复杂的结构。
这种带支座的整体轴承一般由轴承公司根据发动机研制方提出的要求,完成设计与研制。例如德国FAG轴承公司的产品介绍中,就有多种带支座的整体式轴承。
图11/GE90 115B带弹性支座的整体式轴承
5 其 他
5.1 高压压气机
第1级采用了整体叶盘,做成单件,不像后几级是焊接在一起的,这样便于在叶片受到损伤时分解下来进行修复。
5.2 低压涡轮
在 GE90 115B中,虽然风扇直径增加了0.127m,增压压气机增加了1级,但低压涡轮仍保留基准发动机的6级。这在其他系列发动机在增大推力衍生发展中从未见过。
在低压涡轮中,所有各级的动、静叶片叶形按三元流进行了改造,工作叶片采用了低稠度设计,以保持叶片气流通道形式与基准发动机相同,同时还使总共6级工作叶片由基准发动机的952片减少为852片,叶片数少了10.5%。
低压涡轮的转速较基准发动机提高了5.5%(高压涡轮的转速提高了4%),为此,第1级工作叶片采用了GE公司研制的单晶镍基合金N5(高压涡轮工作叶也采用此材料)。
5.3 低压涡轮前轴与风扇锥型轴
低压涡轮前轴亦称风扇中间轴,其后端用几个螺栓与低压涡轮1级轮盘相连,前端插入锥形风扇轴内,通过花键传递扭矩与轴向力。为了能应用于核心机型,其外径与基准发动机一致,但传递的扭矩却比基准发动机的大1.3倍,在风扇叶片断裂时的瞬时扭矩则大1.9倍,显然采用基准发动机中制造此轴的材料已不适用。
另外,它的花键长度达203mm,是航空发动机中最长的花键,如图12所示。为此,采用了 GE公司参与研制的 GE1014材料,其拉伸强度为1.965MPa,比基准发动机用的材料 (1.84 MPa)约高 7%。GE1014硬度较高 (约为HRC55),给加工带来麻烦,日本IHI公司负责低压涡轮部件的设计生产,经过多次调试后才最终完成了此轴的生产。
风扇锥形轴(参见图8)除传递的扭矩与涡轮前轴一样外,由于1号支点改用了滚棒轴承,还要求它有更高的可靠性,以保证在工作中决不会出现断轴事件(否则风扇盘会甩出发动机);另外此轴后端的长内花键精度要求高,也是难于加工的。
日本IHI公司也负责此轴的研发工作,最后完成的风扇锥形轴与低压涡轮轴连接成一整体,在扭转疲劳试验台上完成了50000循环的疲劳扭转试验,如图13所示,验证了此两轴以及花键连轴器均满足了设计要求。
图12、低压涡轮前轴(注意花键长度)
图13、锥形风扇轴与低压涡轮轴组合成一体在扭转疲劳试验台上试验
6 研制概况
波音公司于1998年底决定将1995年投入营运的B777起飞总重提高,以延长飞机的航程与载客量,为此GE公司推出了加大推力的也是世界上推力最大的发动机GE90 115B。1999年7月,GE公司与波音公司签订了发展 GE90 115B的协议,GE90 115B被波音公司选为波音777300ER、波音777 200LR的唯一动力,波音777300ER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。
GE公司于2000年2月启动了GE90 115B的研制工作,2001年秋首台发动机试车,11月创造了世界最大推力的记录;2002年9月18日GE90 115B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、217小时,历时152天。2003年初,GE90 115B装在波音777 300ER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777 300ER与B777200LR分别于2004年5月与2006年初投入航线使用。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。
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