GE90发动机发展与设计特点：世界推力最大航空发动机介绍

美国 GE公司于20世纪90年代初期为满足波音777需要及以后市场的发展,推出了一种新的、涵道比为9左右(当时的大发动机一般为5左右)、推力为310~445kN、耗油率比当时的大发动机低8%~10%的发动机,即 GE90,如图1所示。由它的名字 GE90可以看出,这是 GE公司在90年代研制的一种全新发动机。

GE公司的调查表明,航空客运量大约以年均5%~6%的增长率增加,估计1995~2010年间,民用飞机市场大约需要2500架新的双发宽机身客机,连同备用发动机在内,大约需要6000台新型发动机。

另外,它对13种喷气客机发展过程调查分析后归纳出飞机发展规律之一是飞机载重量(或起飞总重)在投入使用后会不断增加。这可能是为了加大有效载重,也可能是为了加大航程,或者两者兼而有之。飞机在投入使用10年后,起飞总重会加大25%。

在10年中,改型的飞机约占全部飞机的75%;仅有25%为初始型号,初始型号的90%是在头三年中售出的。这一调查表明,为一种型号的飞机提供的发动机,一般需有20%~30%的推力增长潜力,才能满足飞机不断加大起飞总重的需要。

1、 QCSEE复合材料短舱罩;

2、 QCSEE复合材料反推器移动外罩、内罩;

3 、CT7/F110R88DT后几级轮盘与 R220机匣;

4、CF6 80EN5叶片与 R88DT轮盘;

5、CF6/CFM56/F110N5及R142叶片;

6、CF6/CFM56的 FADEC经验;

7、GE36复合材料的宽弦风扇叶片;

8、QCSEE分载短舱;

9、E3按比例放大的压气机;

10、E3燃烧室,双环腔多孔冷却火焰筒;

11、CF6 80C2的34°斜度的涡轮

图1、GE90发动机设计特点

按照波音公司公布的波音777技术数据,初始时需要发动机推力310kN。当时使用中的有些发动机虽然能满足要求,但是,由于这些发动机的核心机受材料温度与零件强度的限制,再想进一步提高推力就比较难了。

如果采用加大风扇直径来增大推力则需加粗低压轴。这将受核心机中心尺寸限制而不可行;如果不改变轴的直径而采用减速器带动风扇,这又会使结构复杂。

因此,GE公司在综合考虑了当时与未来的市场需要后,作出了发展全新 GE90系列发动机的决定。

为了兼顾波音777的初始要求和波音777以及其他宽体客机发展的需要,GE将 GE90推力范围定得较广,从334~423kN。

设计时,GE90发动机按389kN的推力取证;在波音777初始使用中,用降功率的办法为飞机提供334kN的推力。

发展一种 GE90这样的全新发动机,不仅投资大,而且技术风险也大。有鉴于此,GE公司在考虑今后发展需要的同时,充分利用该公司以往的研究成果。

GE90动力装置设计继承性如图1所示。可见,GE90是一种将过去(的经验与成果)与未来(的发展)结合起来的一种新型发动机。

2 总体性能

波音公司提出了3种型号的波音777以满足不同市场的要求。针对“A”市场需要的是于1995年首先投入使用的初始型号,其起飞总重为227.3~233.8t、350座(3个等级)、航程7700km,要求单台发动机的推力约为322kN。在此之后,将推出加大型,用于“B”市场,起飞总重为263t,280~300座(3个等级),航程约12230km,要求发动机推力为376.8kN。

于20世纪末推出的是满足“C”市场需要的第3种型号,其起飞总重为263t以上,载客量超过285人,航程特长,要求发动机的推力为400kN。

根据波音公司的计划,GE公司提出了1994年取证的4种 GE90型号,表1列出了它们在结构设计相同下的特点与推力。

表1、GE90发动机4种型号的数据

图2示出了 GE公司发展 GE90系列发动机设想与采取的措施。

用来取证的 GE90B4留有较大的温度裕度,因此,只需多推油门推力就可提高到400kN,采用新材料可进一步达到423kN。

核心机的转速与空气流量一开始就是按423kN的推力设计的,核心机中心部分孔径尺寸也考虑到以后推力达到445kN时对低压轴安装的要求。

GE90发动机的循环参数为:涵道比8.4,总压比40,涡轮前燃气温度与CF680C2相当,约为1635K,目的是减轻发展高温材料及先进冷却技术的压力,而且还有发展潜力。

与当时的最先进发动机相比,涵道比由5提高到9,发动机推进效率可提高6%,总压比由35提高到40,发动机热效率可提高3%。因而,GE90的耗油率比当时的其他发动机的低,例如比 CF6 80C2低9%。

图2、GE90系列发动机发展设想与措施