風扇直徑3.4米，世界最大發動機GE9X的發展與設計特點|陳光談航發174

原標題：風扇直徑3.4米，世界最大發動機GE9X的發展與設計特點|陳光談航發174

陳光/文

GE9X是GE公司為波音公司的B777X在GE90與GEnx的基礎上發展的新型大涵道比渦輪風扇發動機，其風扇葉尖直徑高達3.4m，是目前最大的風扇，因此稱GE9X為「世界最大發動機」，實際上其推力並非世界最大，世界上推力最大的發動機仍屬GE公司的GE90-115B。

B777X

波音公司在2013年11月迪拜航空展覽會上正式宣布啟動B777的後繼機—B777X的研製工作。雙發雙通道的B777X有2個型號即B777-8X與B777-9X。B777-8X是B777-200/-200LR的後繼機，機身加長5.85m，機長達到69.5m，載客量增加52名，標準三級客艙布局為352座，航程17720km以上，將與A350XWB-1000直接競爭。

與B777-300ER相比，B777-9X三級艙等配置將可搭載407名乘客，該機型將配置更長的水平尾翼，且機身將比B777-300ER延長2.13m，總長度為76.5m，超過B747-8的76.3m，將取代B747-8成為世界上最長的客機，航程15200km，將成為世界上最大的雙發客機。

波音公司還宣稱：B777X將是世界上最大、最先進和效率最高的雙發客機，使乘客充分享受空中飛行的愉悅，同時燃油消耗和使用成本降低到一個新水平，與競爭機型相比，油耗低12%,，運營成本低10%等。

從外觀上來看，B777X最大的變化體現在機翼上，為了提供更高的氣動效率，波音為B777X設計了全新的用複合材料的機翼，機翼翼展71.8m，比B777-300ER的64.8m多出7m。

為了克服氣動效率和機場適應性之間的矛盾，波音公司把B777X的機翼設計成可以摺疊。在空中飛行時為展開狀態，降落後將機翼折起，即翼尖向上折起約3m（圖1）。折起後的翼展為64.8m，這樣就可讓B777X與B777共用停機坪。這是旅客機中第1次釆用可摺疊的機翼，波音公司有設計可摺疊機翼的經驗，它為海軍研製的F/A-18機翼就是可以摺疊的。

但大型旅客機重量比戰鬥機的要大得多，要求也高得多，因此這項設計也是考驗波音公司能力的試金石。波音公司為製造這個機翼投資20億美元，新建一所工廠，經過幾年的拼搏，終於在2018年5月18日， B777X的摺疊機翼，獲得了FAA頒發的適航證，為B777X投入運營創造了有利條件。

圖1、B777X可摺疊機翼的示意圖

在波音公司啟動B777X項目後，三大航空發動機公司均提出了滿足飛機要求的發動機方案，即GE公司的GE9X，普惠公司提出推力為440kN更大的齒輪傳動風扇PW1000G，羅羅公司提出的方案是在遄達1000與遄達XWB基礎上發展的RB3025。

波音公司在2013年3月宣布，決定GE9X為B777X系列的唯一發動機選擇，對於這項決定當時還遭到航空公司的質疑。

截至2017年6月，B777X己獲得326架的訂單，其中-8X為53架，-9X為273架。B777X計劃於2020年投入運營。

GE9X的發展歷程

GE9X發動機由1級大直徑風扇、3級增壓壓氣機、11級高壓壓氣機、第3代雙環預混渦流器（TAPS）燃燒室、2級高壓渦輪與6級低壓渦輪組成，參見圖2，發動機的涵道比為10.3，總壓比為61.0，推力為10萬lbf（454kN）級，耗油率比GE90-115B低10%。

圖2、GE9X發動機

早在波音公司開始醞釀要發展B777X時，GE公司就抓住時機啟動了GE9X發動機的研製工作，因此，當波音公司在2013年11月宣布正式啟動B777X時，GE公司己完成或正在進行GE9X某些零部件的試驗工作。

例如，在2013年初己進行了高壓壓氣機的試驗，年中進行了複合材料的性能與運轉試驗。在正式啟動GE9X項目後，於2014年中進行了陶瓷基複合材料的驗證試驗，2015年初完成第1台全核心機的試驗等。

GE9X的設計於2015年中凍結，首台發動機的試車於2016年4月開始，共進行了375個循環與335小時。

2017年5月16日開始了第2台發動機的試驗，這是生產型的發動機，將與其它發動機一起，進行取適航證的試驗獲取適航證的程序始於2017年5月，有8台發動機參與取證工作，還有1台配上飛機的短艙，進行ETOPS的取證工作。

2018年初，另有8台發動機以及若干套備件，送往飛行試飛基地，用於4架B777-9X的試飛工作，這是為B777X取適航證的試飛。

有1台發動機運往冬天極寒的加拿大溫尼泊馬尼托巴湖草原，GE公司在該地為試驗GE9X投資2000萬美元擴建了原有的設備，用以對世界最大發動機進行結冰試驗，以及發動機的吞冰雹、塵埃與烏的試驗。圖3為結冰試驗的全貌。GE9X的結冰試驗在2017冬天尚未全部完成，將右2018年冬天繼續進行。

圖3、GE公司位於加拿大溫尼泊馬尼托巴湖草原的結冰試驗基地

圖3（或用此圖） GE9X正進行結冰試驗

2018年3月13日，GE9X裝在GE公司的由B747改裝的飛行試車台進行首次飛行試驗共飛行了4Hr。由試飛飛行試車台來看，驅動B747的發動機為GE的CF6-80C2，相比之下GE9X顯得碩大無比（圖4）。

GE9X計劃於2019年取得適航證，用GE9X作為動力的B777-9X將於2020年投入運營。

圖4 裝在以CF6-80C2為動力的B747飛行試車台上的GE9X

GE9X設計特點

GE9X是在GE90-115B與GEnx的基礎上，加上近期發展的許多先進技術與材料等研製出的全新高性能發動機，其涵道比為10.3，比GE90-115B提高了14% (GE90-115B為9.0），總壓比為61.0，比GE90-115B提高了30% (GE90-115B為42），僅此兩項就使發動機的推進效率與熱效率提高較大，加上引用了一些新技術，使發動機的耗油率比GE90-115B低10%，比與其競爭的發動機例如遄達XWB低5%。

GE9X的風扇葉片是世界直徑最大的，其葉尖直徑為3.4m，採用GE公司的第4代碳纖維複合材料製成。

第1代碳纖維複合材料用於GE90，GE90-115B、GEnx分別為第2、3代。在第4代碳纖維複合材料中採用了剛性更高的碳纖維與新的環氮樹脂，為了增大葉片的強度，葉片前緣包復的鈦合金薄片攺為合金鋼的薄片，因此葉片可以做得比GE90、GEnx葉片更薄；

由於採用了先進的3維（3D）掠形設計，使風扇葉片後掠更大、葉弦更寬（圖5），葉片數更少，為16片（GE90為22片，GEnx為18片），參見圖6，這也使GE9X成為所有大涵道比渦扇發動機中風扇葉片最少的發動機。

由於風扇葉片數少，葉身較薄，加上採用了最新的氣動設計，使空氣在風扇中流通能力加大，在同樣的風扇葉尖直徑下，發動機推力可增大；氣動性能好，提高了風扇效率；

由於風扇葉片採用了第四代複合材料製作，提高了葉片強度，使風扇葉尖可採用比其前驅的切線速度高，從而提高了低壓渦輪轉速，使低壓渦輪效率增大。較薄的複合材料風葉片質量較輕，可減輕支承風扇轉子的結構質量，可減少發動機總質量等。因此有人用薄、尖、彎三個字形容GE9X風扇葉片的特點。

圖5、GE9X風扇葉片

GE9X釆用了與GEnx相似的耐久性高、重量輕的複合材料風扇機匣，它的包容環也是用複合材料做成。與金屬材料風扇機匣相比，複合材料風扇機匣將使每台發動機的質量減輕159kg左右大。

釆用先進的3D氣動方法設計的11級高壓壓氣機的增壓比為27，是大涵道比渦扇發動機中增壓比最高的高壓壓氣機，這是由於要達到60.1的總壓比而採用的，其平均級壓比為1.349，低於GEnx的1.368（10級增壓比為23）,與GE90的1.348（10級增壓比為20）相當。

圖6、GE公司三型發動機中風扇葉片數

由於GE9X總壓比（60.1）大於GEnx的45.0,高壓壓氣機出口空氣溫度比後者高許多，因此高壓壓氣機後幾級輪盤採用了高壓渦輪輪盤中採用的第4代粉末冶金材料。高壓壓氣機中前6級採用了整體葉盤結構並焊接成一件，如圖7所示，在大涵道比風扇發動機中，是採用整體葉盤級數最多的高壓壓氣機。

圖7 焊為一體的六級整體葉盤

GE9X燃燒室是基於GEnx發動機和LEAP發動機的燃燒室系統發展的，但是工作的壓力和溫度將更高，稱為笫三代TAPS（雙環預混渦流器）燃燒室（圖8），第一、二代TAPS 燃燒室分別用於GEnx與LEAP中。

TAPS燃燒室的主燃級燃油噴嘴是氣動霧化式,主混合器空氣旋流器的高壓空氣氣流與主燃級燃油的射流垂直相交,使主燃級燃油的霧化更充分,混合度更高,可在燃燒室內形成穩定的主燃級燃燒迴流區,以便實現貧油燃燒,從而達到低污染排放的目的。

圖8、第3代TAPS燃燒室

預燃級燃燒迴流區和主燃級燃燒迴流區可形成一定的交疊,從而形成預燃/主燃旋流交疊區。這樣TAPS 燃燒室可以僅用一套噴嘴系統實現發動機不同工況燃燒的要求,可實現發動機全工況的貧油燃燒。因此, TAPS 燃燒室的燃油燃燒效率高,火焰溫度低,燃燒室出口溫度場也均勻,污染物排放低。

GE9X的第三代TAPS燃燒室中有1個顯著特點，就是內、外火焰筒均由陶瓷基複合材料CMC製成，這是世界上第1次不用鎳基合金而用非金屬的CMC製作內、外火焰筒的發動機。

圖9、GE9X的燃油噴嘴

陶瓷基複合材料CMC是由碳化硅（俗稱金鋼砂）陶瓷纖維與陶瓷基體組成，再溶入樹脂並加以塗層強化，它的密度僅為鎳基合金的三分之一，能大幅度降低零件的質量，它的強度為金屬材料的二倍，另外它這能耐更高的溫度（1204℃）。

火焰筒採用CMC後，不僅重量輕，而且可減少冷卻火焰筒的空氣量，使進入混合器的空氣量加多，形成貧油燃燒，使燃燒室性能更好，因此排放的污染物大大低於本世紀新的排放標準CAEP-8的要求。

GE9X燃油噴嘴（圖9）頭部結構比較複雜，用常規的加工方法耗時較多，GE公司採用了3D列印技術（增材加工）來製造噴嘴頭部，採用鈷-鉻粉末加工的。用3D列印技術能大大降低了加工時間，特別是在調整試驗燃燒室性能時，更易實現噴嘴設計的早期迭代，能夠將設計更改和試驗迅速合併，這將節省大量時間。GE公司的LEAP發動機是第一次釆用3D列印技術生產燃油噴嘴的。

CMC在GE9X中不僅用於火焰筒中，而且還用於高壓渦輪1、2級導流葉片與1級機匣內襯環上，如圖10所示。毫無疑問，GE9X是世界上採用CMC零組件最多的民用發動機。

GE9X的高壓渦輪盤採用了先進的高溫鎳基粉末合金R104（第4代粉末冶金材料），高壓壓氣機後幾級輪盤也釆用了這種合金。

GE9X的低壓渦輪為6級，比GEnx的7級少1級，這是由於風扇葉片如前所述葉尖切線速度提高，使低壓轉子轉速提高所獲得的成果。第5、6級工作葉片釆用了在GEnx 6、7級低壓渦輪葉片中用的4822鈦鋁合金TiAl，這種合金具有密度低、高的比強度和比彈性模量，高溫時仍可保持足夠高的強度和剛度，同時具有良好的抗蠕變及抗氧化能力等突出特點，能降低葉片的質量，據稱在GEnx發動機最後兩級低壓渦輪工作葉片中釆用TiAl合金後，使發動機質量降低了90kg。在GE9X中，採用TiAl合金的這兩級葉片也是用3D列印技術生產的。

圖9、CMC在GE9X中的應用（藍色表示CMC）

GE9X發動機NOx的排放量比GEnx的低30%，低於用於2020年後的CEAP（航空環境保護委員會）/8環保標準規定的要求。GE9X發動機的雜訊值比第5階段規定的雜訊極限低8 db。

當2020年用GE9X作動力的B777X投入運營時，將標誌著大涵道比渦輪風扇發動機進入到一個嶄新的發展階段。

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