創紀錄的GE9X「綠色航空」背景下的航空發動機技術演變進程

21世紀初指的是1999年至2010年間。進入21世紀後，「綠色航空」已引起廣泛的關注，成為世界航空界在研製新型飛機與購置新飛機時必須考慮的原則。面臨著世界原油價格不斷的攀升，全球性氣候變暖的趨勢日益增加以及對雜訊的控制要求越來越嚴，新研製的發動機要求耗油率低、排污量少、雜訊低、操縱性及維修性好、可靠性高、壽命長等。

圖14、GP7200發動機

在這個期間，由於飛機製造公司與發動機公司都在忙著圍繞「綠色航空」的要求，發展新型飛機與發動機的工作中，因此，僅有空客公司發展的四發的超大、超遠、超豪華的A380客機投入運營，由於在777之後，普惠己被大客機棄用，因此在為A380提供發動機時，普惠只好與GE合作，組成了「發動機聯盟（EngineAlliance）」，發展了GP7200（從名字可以看出，它是普惠與GE聯合發展的推力為72000lbf的發動機），參見圖14；羅羅為A380研製了遄達900發動機。

另外，GE為滿足波音提出的777加大航程的777-300ER與777-200LR需要，在GE90的基礎上發展了GE90-115B，它的額定起飛推力為511kN，但在2001年11月的試車中，推力達到569kN，創造了世界記錄，使GE90-115B成為世界上推力最大的航空發動機，直到今日仍沒有被其它發動機超過。

圖15、GEnx發動機

在這一代發動機中，涵道比與總壓比均比上世紀90年代的發動機高，因此耗油率降低較多。表4列出了21世紀初的3種代表機型的主要參數。

表4、21世紀初主要發動機的參數

在這一代發動機中，GE90-115B是在GE90的基礎上發展的，以往在衍生髮展推力加大的發動機採用的措施是核心機不動，用加大風扇直徑、增加增壓壓氣機與低壓渦輪級數來加大推力，總體結構形式基本不變；但在發展GE90-115B時，不僅核心機中的高壓壓氣機由10級減少成9級、低壓渦輪的級數未改變外，風扇轉子的支承方式做了大的改動，徹底改變了GE與普惠採用了近30年的傳統結構。

圖17、遄達XWB發動機

用於A380的兩型發動機的基本結構沿用了上世紀90年代的技術，例如GP7200的核心部分是按GE90-115B核心按72%的比例縮小而成，而低壓部分則沿用了PW4084的設計；在遄達900中，中、高壓壓氣機是由遄達800按90%比例縮小而成，燃燒室也是遄達800的縮小型，但風扇的直徑卻由遄達800的2.8m增大到3m，因此涵道比由6.2增大到8.5。

21世紀20年代年

指2010年到2020年間。在此期間不僅有3型性能更好的飛機先後投入運營，即2011年投入運營的787、2014年的A350XWB與將於2020投入運營的777X；

而且一些有名的老齡飛機更換21世紀發展的新發動機，以提高客機的經濟性與降低排污及雜訊，這些飛機有由A320改為換用新發動機的A320neo（New Engine Option）、由737換髮動機發展的737MAX與由A330改為換用新發動機的A330neo等，這三型飛機也是在這十年中先後投入運營的。這6型飛機均為雙發的，且都在投入航線運營之初得到適航部門180，ETOPS的批准，即能執行飛行世界上任何航線的能力。

787可用GE的GEnx發動機（圖15）與羅羅的遄達1000發動機，A350XWB僅用遄達XWB（圖17）， 777X則用GE9X發動機,。飛機與發動機的關係中，除787外均是一機對一發，一發對一機的關係。羅羅還為787-10在遄達1000的基礎上採用了在遄達XWB採用的一些新技術上發展了遄達1000TEN。

圖18、LEAP-1B發動機

在787中，雖然有兩型發動機可供用戶選擇，但兩型發動機可以互換，這是在其它飛機上未能做到的。飛機增壓座艙用的空氣一改傳統的由高壓壓氣機引來高壓空氣的做法，而是由每台發動機各驅動2台大功率交流發電機以提供用于飛機艙內增壓系統的動力，而且還驅動以前由發動機驅動的液壓泵。

在遄達1000中，改變了由高壓轉子驅動附件的傳統設計，改為由中壓轉子驅動附件，但在發動機啟動時，啟動機還是驅動高壓轉子，因此，在附件傳動系統中設置了一套複雜的轉換裝置。

在老機換新發動機的客機中，A330neo採用了由遄達700的基礎上發展的遄達7000發動機，737MAX採用了LEAP-1B發動機，A320neo則有兩型發動機即LEAP-1A與齒輪傳動風扇GTF的PW1100G發動機供用戶選擇。LEAP是CFMI公司在CFM56-7B的基礎上，引進了許多新發展的技術發展而成的系列發動機，我國的C919客機即採用了LEAP-1C發動機。

普惠公司在大型客機中被排擠在外，只得在中等推力的發動機上研製出齒輪傳動風扇GTF的PW1000G發動機系列，此系列發動機不僅用於A320neo，還用於日本三菱公司的MRJ支線客機，巴西龐迪公司的C-110及C-130支線客機，以及俄羅斯MS-2客機上。

可以看出，21世紀20年代是民用渦扇發動機前所未有、蓬蓬勃勃發展的新時代。表5列出了21世紀20年代主要發動機的參數。

表5 21世紀20年代主要發動機的參數

由表5可以看出，這一代發動機中涵道比高達9:1-12.5:1，總壓比高達40:1-60:1，加上釆用了眾多新發展的技術，使發動機的耗油率降低較多，以羅羅的發動機為例，遄達XWB比遄達1000低2.75%，而遄達1000與它40年前的前驅RB211-22B相比，降低了近25%，表6示出了羅羅公司幾代發動機耗油率變化。

表6、羅羅公發司幾代發動機的巡航耗油率（kg/dN.hr）

GE公司的發動機中，GEnx（2008）巡航耗油率比GE90（1995）低6.9%，比CF6-80E1（1994）低15.4%，而GE9X（2020）比 GE90（1995）低10%。

在這一代發動機中，廣泛採用了21世紀中發展的眾多新技術，例如：所有葉片設計均採用了新一代的三元流技術，第4代碳纖維做的風扇葉片，採用掠形設計的風扇葉片（圖16），複合材料做的風扇機匣，整體葉盤用於壓氣機中，壓氣機中設量內置式噴水清洗髮動機內部流道的裝置，低排放的燃燒室設計與完善的降噪設計超過21世紀嚴格的環保條例的要求，高效的渦輪葉片冷卻技術與葉尖間隙控制技術，3D列印技術生產的燃油噴咀與低壓渦輪工作葉片（GE9X），高、低壓轉子反向轉動，陶瓷基複合材料CMC用於火熖筒高壓渦輪導向葉片及高壓渦輪外罩環（圖19），先進的高溫鎳基粉末合金R104在高壓渦輪與高壓壓氣機後幾級輪盤中的應用，耐高溫的材料與隔熱塗層在高壓渦輪中的應用，質輕強度好的金屬間化合物TiAl在低壓渦輪工作葉片中應用，後幾級低壓渦輪工作葉片做成局部空心以減輕質量（圖20），高速大功率減速器在GTF中應用，風扇包容環做成由Ti6/4鍛制的帶加強環的環形機匣，採用降低雜訊的可變面積風扇外涵噴管VAFN以及鋸齒形外涵噴管，採用在飛行中實時監測發動機性能參數的先進發動機健康管理系統等等。

圖19、CMC（藍色）在GE9X中的應用

GE9X是最新的發動機，由於其風扇直徑為3.4m，是世界上最大的風扇，因此被稱為世上最大的渦扇發動機，但其推力仍小於GE90-115B的；它的發動機風扇葉片採用了第4代碳纖維複合材料，加上採用了先進的3維掠形設計，使風扇葉片後掠更大、葉弦更寬，葉片更薄，葉片數更少，為16片，成為風扇葉片數最少的發動機。

在這一代發動機中，各種性能指標均比上世紀的發動機有較大的提高，但在研製過程與使用中，卻發生過多種罕見的故障。例如遄達900與遄達1000，由於在中壓轉子中沒有採取防止傳動軸折斷時中壓渦輪飛轉的安全設計，幾乎在同一時間都由於工作中的粗製濫造出現了中壓渦輪輪盤非包容的極其嚴重的故障，遄達900的故障差點造成載有466人的A380機毀人亡的重大災難。

遄達1000中壓渦輪葉片塗層過早脫落，使葉片腐蝕斷裂，造成眾多航空公司大量787停飛。GEnx因為採用了新的擰緊大螺母用的干潤滑劑，造成低壓渦輪軸在很短的時間內出現3次斷裂故障。PW1100G在使用中出現軸承腔漏油、火焰筒通氣孔堵塞、停車後轉子熱彎曲等，造成某航空公司創造了在13個月中換髮42台的世界記錄等。遄達1000與PW1100G的故障還造成在一段時間內，裝遄達1000的787與裝PW1100G的A320neo，在總裝線上無發動機可裝的境地。

圖20、後幾級低壓渦輪工作葉片做成局部空心

在上世紀投入使用的幾十型發動機中，卻很少出現類似的故障，此一事實說明在發動機研製中提高發動機性能時，絕對不能忽略發動機的可靠性。我們在研製新發動機時，一定要認真吸取這一經驗教訓。

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