4 發動機研製概況
GE90發動機的研製費約12~30億美元。研製計劃以 GE公司為主,它承擔50%~60%的份額;法國SNECMA公司承擔25%;日本石川島播磨重工業公司承擔10%;另外,意大利費亞特公司也承擔一部分份額。SNECMA公司負責高壓壓氣機、增壓壓氣機及備用的鈦合金風扇葉片的設計和製造工作;另外還承擔發動機裝配與試車工作量的40%。
費亞特公司負責齒輪傳動箱與傳動系統的發展工作,參與這些部件的設計、發展、試驗和生產以及售後服務工作。它還將與石川島播磨重工業公司合作進行低壓渦輪的氣動、強度、結構的設計與發展工作。石川島播磨重工業公司負責發動機主要軸類零件的設計與發展,以及部件試驗工作。
圖11、裝配好的GE90-115B
4.1 研製進度
4.1.1 核心機試驗
GE90發動機基本按原定的研製計劃發展,其核心機於1992年11月23日進行了257min的首次試車,隨後共進行了15次啟動、33h試驗。試驗結果表明:高壓渦輪出口溫度、耗油率低於預定值;核心機空氣流量及功率超過取證要求,啟動性能好,進行了超過紅線轉速105%的試車。另外,轉子振動值與主要零件的應力值均低於規定值。
4.1.2 發動機地面試車
隨後,於1993年3月29日進行了第1次整臺發動機的試車(FETT),在第2次即1993年4月3日的試車中,推力達到創世界紀錄的469.4kN。
在第1階段試車中,共試驗了80h,啟動100次以上,結果表明,發動機啟動性能好———啟動平穩、排氣溫度不高、啟動時間低於預計值;發動機排氣溫度與耗油率及零件應力值、發動機振動值均低於規定值。
在此之後,又進行了一系列為取證所要求進行的各項試驗,其中包括兩項難度極大的風扇葉片甩出試驗(1994年11月14日完成)與吞入3.632kg大鳥試驗(1994年11月4日)。
4.1.3 飛行試驗
GE90裝在波音747改裝的飛行試車臺的飛行試驗於1993年12月6~16日在位於加州的 MojaveGE飛行試驗中心進行。在第1階段的試飛中共飛行4次,26h30min;1994年4月進行了第2階段的試飛,兩個階段共飛行了20餘次、117h10min。
4.1.4 投入使用
GE90發動機於1995年2月2日取得FAA頒發的適航證。裝于波音公司的第6架波音777的2臺GE90發動機於1994年11月19日、22日裝上飛機,並於1994年12月10日進行地面試車,1995年2月開始試飛。
裝GE90的波音777於1995年7月中取得適航證,第10架波音777進行裝 GE90的180minETOPS鑑定試飛,1995年2月中開始首飛,1995年9月通過合格鑑定的審定工作。裝 GE90的波音777於1995年9月交付美國航空公司投入航線營運,投入營運時即已獲得180minETOPS的批准。
4.2 試驗設備
4.2.1 地面試車臺
由於 GE90的推力比現有任何發動機的推力大很多,原來的一些試驗條件已不能滿足試驗要求,須新建或改建一些設備。為此,GE公司新建2個、改建2個試車臺。
為了考核側風對發動機性能的影響。GE公司新建了一座模擬側風的大型風洞,風洞中安裝了20餘臺大尺寸風扇,從風洞中吹出的氣流(即側風)風速最大可達129km/h。整個風洞可在地面鋪設的弧形軌道中移動,以模擬不同角度的側風。
試車臺的發動機最大推力可達556.7kN;當測風風速為46.3km/h時,發動機的推力約為409.7kN;側風風速為55.6km/h時,推力為389.2kN。
4.2.2 飛行試車臺
為了對 GE90進行飛行試驗,GE公司購置了一架波音747飛機,由盧卡斯公司負責改裝成飛行試車臺,將波音747的2發位置改成試驗 GE90的試車臺。改裝後的飛行試車臺可測定發動機在3352~13106m高度範圍內的參數。
4.2.3 新建裝配工廠
GE公司還在北卡州首府 Raleigh附近的 Durham 新建一所裝配 GE90發動機的裝配工廠(工廠還裝配CF6 80C2發動機)。該廠於1993年10月建成並開始總裝GE90,1994年作者參觀該廠時,全廠有70餘人,年裝配GE9070餘臺,平均每人每年裝配一臺發動機。
該廠設計能力是每年總裝GE90200臺,員工200人。他們實行新的管理方法,全廠除廠長1人外不設中間的管理機構。廠長以下設7個工作小組(平均每組10人),每個小組僅有1名工程師,其餘均為具有職業技校畢業執照的技術工人。每1小組負責由集件開始到總裝完畢的全部工作,包括轉子的平衡、葉輪的外圓磨削等。
當該廠的室內試車臺建好後,還將負責發動機的試車工作。這種工作方式能保證發動機具有良好的裝配質量,但要求工人都具有多面手的能力。
4.2.4 合作伙伴的試驗條件
為發展GE90發動機,GE公司的兩個合作伙伴也新建、改建了大型試車臺。法國SNECMA公司新建了一座室內、試驗能力達601.2kN推力的大型試車臺,試車間截面積為12m×12m,空氣流量可達1800kg/s,能在瞬間記錄2800個參數(比現有試車臺的記錄能力提高了一倍)。
該試車臺還安裝有歐洲功率最大的超級X光系統,用以在試車中攝錄發動機內部影像以確定關鍵部位的間隙變化情況。它能在瞬間錄取3000個數據點,其影像精度為0.1mm。
該試車臺已於1993年10月15日進行了第1臺GE90的試車工作。日本IHI公司將原有的一座試車臺予以改裝,用以試驗GE90。該試車臺已改建好並於1993年底進行了GE90的試車。
圖12、帶後掠的風扇葉片
5 GE90-115B發動機
5.1 推力最大的發動機
GE90的最新型號為GE90 115B,發動機名稱後的115B,表示用於波音飛機、推力為115000lbf的發動機。這種將型號名稱後的幾位數表示發動機推力的做法應用較廣。
例如,普惠公司用於波音777 300的 PW4098,其後二位數字98表示發動機推力為98000lbf;羅·羅公司用於波音777200ER的遄達895的推力為95000lbf。由 GE90 115B名字來看,它的額定推力為513kN(115300lbf),是當今世界推力最大的發動機。
原型 GE90在1994年11月取得適航證時的推力為389.3kN,也即 115B的額定推力為原型推力的1.317倍。在2001年底地面試車中,推力曾達到569kN(127000lbf),並以發動機在標準天氣條件下的海平面穩態推力為547.6kN(122965lbf)收入吉尼斯世界紀錄,且將 GE-90115B冠名“世界上功率最大的噴氣發動機”。
5.1.1 風 扇
GE90 115B(見圖11),是在推力為417.3kN的 GE90 94B(2000年11月投入使用)基礎上衍生發展的。在衍生發展中,為了增大進入發動機的空氣流量,將風扇直徑由3.124m加大為3.2512m,增加了127mm;但包容環的外徑只增加38.1mm,因此風扇機匣仍可用原來運輸 GE90 94B的貨機運輸。風扇葉片的厚度與弦長均有增加,葉片用三維氣動計算方法設計成S形後掠葉型,如圖12所示,以減少超聲速氣流流入葉片時的損失,提高效率。這是20世紀90年代後期新研製的高涵道比渦扇發動機採用的新技術之一。風扇葉片仍然採用GE公司在原型 GE90中使用的複合材料。
圖13示出GE90 115B的風扇部件與GE90 94B的風扇部件的比較。由圖13可見 ,
圖13、GE90 115B、GE90 94B風扇部件的比較
GE90115B的風扇葉片較原型 GE90有較大改變,加上增壓壓氣機增加1級。這是 GE90 115B提高推力、降低耗油率的主要措施。
風扇傳動軸採用了新的高強度合金鋼GE1014,極大地提高了傳動軸的扭矩承受能力,因此傳動軸直徑可保持不變,核心機的其他部件也無須改變。
GE90風扇機匣直徑為3.43m,比波音737的機身直徑(3.40m)還大,裝發動機的短艙直徑為4.19m。
5.1.2 增壓壓氣機
風扇後的增壓壓氣機由3級增為4級(見圖13),以提高發動機總壓比及進入核心機的氣流量。4級增壓壓氣機轉子由於葉根處的切線速度較低均採用了整體葉環結構。
5.1.3 高壓壓氣機
在 GE9094B中,高壓壓氣機引用了三元流技術對原型做了改進,以提高效率。在GE90115B的高壓壓氣機中,仍然採用了三元流技術;但將10級改為9級且基本保持原來的增壓比,即平均級壓比較原型更高。
9級轉子均採用整體葉盤結構,可調靜子的調節規律進行了優化設計,提高了發動機的適應性。
5.1.4 主要參數
5.2 研製概況
GE90 115B被波音公司選為波音777300ER、波音777 200LR 的唯一動力。波音 777 300ER在載客365人(3級佈局)時航程達13427km,波音777200LR載客301人時航程為10417km。波音公司稱,波音777300ER的人·英里費用比 A340500/ 600的低
15%~18%,每位旅客的燃油消耗量低21%(航程相同時)。
GE90115B地面臺架試車始於2001年秋,11月創造了世界最大推力的記錄;2002年9月18日裝在 GE公司專用的、由波音747改裝的飛行試車臺進行飛行試驗,共飛行48次、
217h時,歷時152天。圖14示出了 GE90 115B掛在波音747飛行試車臺上的情況。
2003年初,GE90 115B裝在波音777300ER 飛機上進行總計1600h的飛行試驗,2004年初取得美國 FAA 及歐洲JAA的適航證。使用 GE90 115B的波音777300ER 於2004年5月投入航線使用。中國國際航空公司引進的首架 B777 300ER於2011年7月27日投入航線營運。
圖14 、GE90-115B飛行試驗用的波音747飛行試車臺
2003年年中,GE公司擬定了一項為期四年的“GE90 115B成熟化試車計劃”。該計劃使用3臺發動機,領先於機群發動機模擬並評估發動機在航線使用20年的情況,便於及早發現可能在航線使用中出現的問題,並及時採取相應措施,提高發動機的可靠性、維修性。
該計劃的內容有3項,每項用1臺發動機。3項內容為:
(1)13000循環耐久性試驗,模擬外場使用、維修情況,包括5次返廠進行維修工作;
(2)3000循環180minETOPS試驗,2004年再用此臺發動機進行一次3000循環試驗;
(3)考驗熱端部件的耐久性試驗。該計劃總的試驗循環數為30000次。
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