陳光/文
美國 GE公司於20世紀90年代初期為滿足波音777需要及以後市場的發展,推出了一種新的、涵道比為9左右(當時的大發動機一般為5左右)、推力為310~445kN、耗油率比當時的大發動機低8%~10%的發動機,即 GE90,如圖1所示。由它的名字 GE90可以看出,這是 GE公司在90年代研製的一種全新發動機。
GE公司的調查表明,航空客運量大約以年均5%~6%的增長率增加,估計1995~2010年間,民用飛機市場大約需要2500架新的雙發寬機身客機,連同備用發動機在內,大約需要6000臺新型發動機。
另外,它對13種噴氣客機發展過程調查分析後歸納出飛機發展規律之一是飛機載重量(或起飛總重)在投入使用後會不斷增加。這可能是為了加大有效載重,也可能是為了加大航程,或者兩者兼而有之。飛機在投入使用10年後,起飛總重會加大25%。
在10年中,改型的飛機約佔全部飛機的75%;僅有25%為初始型號,初始型號的90%是在頭三年中售出的。這一調查表明,為一種型號的飛機提供的發動機,一般需有20%~30%的推力增長潛力,才能滿足飛機不斷加大起飛總重的需要。
1、 QCSEE複合材料短艙罩;
2、 QCSEE複合材料反推器移動外罩、內罩;
3 、CT7/F110R88DT後幾級輪盤與 R220機匣;
4、CF6 80EN5葉片與 R88DT輪盤;
5、CF6/CFM56/F110N5及R142葉片;
6、CF6/CFM56的 FADEC經驗;
7、GE36複合材料的寬弦風扇葉片;
8、QCSEE分載短艙;
9、E3按比例放大的壓氣機;
10、E3燃燒室,雙環腔多孔冷卻火焰筒;
11、CF6 80C2的34°斜度的渦輪
圖1、GE90發動機設計特點
按照波音公司公佈的波音777技術數據,初始時需要發動機推力310kN。當時使用中的有些發動機雖然能滿足要求,但是,由於這些發動機的核心機受材料溫度與零件強度的限制,再想進一步提高推力就比較難了。
如果採用加大風扇直徑來增大推力則需加粗低壓軸。這將受核心機中心尺寸限制而不可行;如果不改變軸的直徑而採用減速器帶動風扇,這又會使結構複雜。
因此,GE公司在綜合考慮了當時與未來的市場需要後,作出了發展全新 GE90系列發動機的決定。
為了兼顧波音777的初始要求和波音777以及其他寬體客機發展的需要,GE將 GE90推力範圍定得較廣,從334~423kN。
設計時,GE90發動機按389kN的推力取證;在波音777初始使用中,用降功率的辦法為飛機提供334kN的推力。
發展一種 GE90這樣的全新發動機,不僅投資大,而且技術風險也大。有鑑於此,GE公司在考慮今後發展需要的同時,充分利用該公司以往的研究成果。
GE90動力裝置設計繼承性如圖1所示。可見,GE90是一種將過去(的經驗與成果)與未來(的發展)結合起來的一種新型發動機。
2 總體性能
波音公司提出了3種型號的波音777以滿足不同市場的要求。針對“A”市場需要的是於1995年首先投入使用的初始型號,其起飛總重為227.3~233.8t、350座(3個等級)、航程7700km,要求單臺發動機的推力約為322kN。在此之後,將推出加大型,用於“B”市場,起飛總重為263t,280~300座(3個等級),航程約12230km,要求發動機推力為376.8kN。
於20世紀末推出的是滿足“C”市場需要的第3種型號,其起飛總重為263t以上,載客量超過285人,航程特長,要求發動機的推力為400kN。
根據波音公司的計劃,GE公司提出了1994年取證的4種 GE90型號,表1列出了它們在結構設計相同下的特點與推力。
表1、GE90發動機4種型號的數據
圖2示出了 GE公司發展 GE90系列發動機設想與採取的措施。
用來取證的 GE90B4留有較大的溫度裕度,因此,只需多推油門推力就可提高到400kN,採用新材料可進一步達到423kN。
核心機的轉速與空氣流量一開始就是按423kN的推力設計的,核心機中心部分孔徑尺寸也考慮到以後推力達到445kN時對低壓軸安裝的要求。
GE90發動機的循環參數為:涵道比8.4,總壓比40,渦輪前燃氣溫度與CF680C2相當,約為1635K,目的是減輕發展高溫材料及先進冷卻技術的壓力,而且還有發展潛力。
與當時的最先進發動機相比,涵道比由5提高到9,發動機推進效率可提高6%,總壓比由35提高到40,發動機熱效率可提高3%。因而,GE90的耗油率比當時的其他發動機的低,例如比 CF6 80C2低9%。
圖2、GE90系列發動機發展設想與措施
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