波音787发动机选型（绿色航空的发动机之选）

1 前 言

GEnx是 GE公司为波音787“梦幻”客机研制的高涵道比(10.0)与高总压比(45.0)、低油耗、低污染与低噪声的新一代发动机,也用于波音747-8客机与货机。

为了满足21世纪“绿色航空”的要求,GEnx不仅继承并发展了 GE公司以往成熟发动机特别是 GE90发动机的设计,采用了 GE90研制与使用中经验与教训,而且还采用了最新发展的一些先进技术,使得GEnx不仅性能达到较高的水平,而且研制周期较短。

图1、由GE90-76B到GEnx经历4次技术提高

1.1 波音787

为了适应21世纪“绿色航空”的要求,波音公司于2002年12月宣布研制 B7E7超效、高速、中型市场的新一代双通道双发动机客机,以填补B737、B757单通道客机与B777双通道客机间的空挡。

“E”意味:经济(Economic)、环保(Environment)、上网(Eenable)与舒适(Ex-ceptionalComfortforcustomer)。2005年1月28日在中国购买60架B7E7的签字仪式上,波音宣布将E改为中国认为吉利的8,因此飞机改名B787。

波音787是第1种液压系统的动力不由发动机提供、座舱空调系统不由发动机提供高压空气的飞机,而是由发动机驱动总功率高达1000kW的变频交流发电机向飞机供电,驱动液压泵与压缩机。

图2、GEnx与CF6-80C2、GE90-76B的耗油率比较

波音787采用了GE公司的GEnx与罗·罗公司的遄达1000发动机,两型发动机均可以用于任一飞机上,且在使用中能互换。

波音787有三个型号,即B7878,为基本型,B787 3为短航程型,B7879,为加重型。在三个型号中,8型将是最早投入使用的型号,原计划2008年投入使用,但是经过几次延期,现在预计到2010年夏天可投入使用。

图3、GEnx耗油率低所采用的措施

1.2 波音747-8

波音公司于2005年11月宣布启动波音7478型飞机的研制工作,B747 8有两个型号,即洲际客机型B7478I与货机型 B747-8F。

B7478I采用了 B787飞机的许多先进技术,其座英里成本比747-400低9%,比 A380低12%,2012年投入运营。B747-8F货机型的航程可达8275公里,货舱空间比747-400增加16%。B747-8的起飞总重为442t,仅采用GE公司的推力较小的GEnx(即 GEnx- 2B67)。

2 GEnx发展特点

GEnx是在1996年投入使用的 GE90(用于波音777)的基础上发展的,原来是专为波音787研制的,后来又被波音747 8选作其唯一的动力。

GEnx的推力小于 GE90的378kN~511kN,大于 CF6 80C2(波音747 400)的258kN,而耗油率约低于GE90的6.9%。

GEnx采用了高的涵道比(~10),高的总压比(~45)(GE90分别为8、40)以及高的部件效率。GE90-76B于1995年底投入营运,到GEnx历经四次技术的提高,使GEnx耗油率低,排放低,噪声低,直接使用费用低,如见图1所示。

图2所示为GEnx、CF680E1与GE90三型发动机耗油率的比较,从图上可看出 GEnx的巡航耗油率比用于 A330的 CF6 80E1A4低15.4%,比用于B777的 GE9094B低6.9%。图3所示为降低耗油率所采用的措施,以及各项措施所获得的效益。

由于B787有三个起飞总重不同的型号,因此用于 B787的 GEnx有三个推力不同的型号。GEnx的设计推力为333kN,GEnx在第1次试车中,推力达到358kN,比设计值大7%。

图4、用于B787和B747-8两种飞机的发动机

用于B787三型飞机的三型 GEnx发动机为用于B7873的 GEnx 1B54(236kN)、用于 B787 8的 GEnx 1B64(284kN)以及用于B7879的 GEnx 1B70(310kN),三型发动机的风扇直径均为2.819m。

用于B747 8的发动机为 GEnx 2B67,其风扇直径小于 GEnx 1BXX的,为2.641m。图4所示为用于B787及B747 8两种飞机的发动机特征。

3 GEnx总体结构设计

图5所示为用于B787的 GEnx 1B与用于B747 8的 GEnx 2B发动机的总图。表1

所列为两型发动机主要部件的级数。

表1、两型发动机主要部件的级数

由于 2B型的风扇直径比1B型的小0.178m,且增压压气机级数少1级,因此 2B的低压涡轮少1级。

图5、用于B787的 GEnx -1B与用于B747- 8的 GEnx-2B总体结构图

3.1 风扇转子支承方案

图6所示为 GEnx与 GE90转子支承方案的比较,两型发动机支承方案基本相似,即低压转子支承方案为0 2 1三支点方案,高压转子支承方案为1 0 1两支点方案,共五个支点,但高压压气机前支点(3号支点)采用了 GE公司独特的滚珠轴承与滚棒轴承并列的设计,即滚棒轴承3R承受径向力,滚珠轴承3B仅承受轴向力。

在2号支点处,轴的直径较小,滚珠轴承直接装到轴上,轴承的内径很小,承受不了轴向负荷,为此,在此处安装了一个带球头的外伸轴套,如图7所示。将滚珠轴承的内环套装在此外伸轴套中,以加大轴承内径,这一设计沿用了 GE90 115B的设计(参阅“GE90 115B设计特点分析”)。

图6、GEnx与 GE90转子支承方案比较

3.2 高压转子后端支点

高压转子后端通过中介轴承支承于低压转子的设计(如图8所示),是 GE公司的传统设计,但是GEnx(包括GE90)中却沒有采用这种支承方案,这是因为GE90及GEnx的涵道比大(分别为8及10),在保持风扇叶尖切线速度一定的条件下,低压转子转速较低,为使低压涡轮获得较高性能,只能将低压涡轮直径加大,于是高、低压涡轮直径相差较大,为了使气流能平缓由高压涡轮流入低压涡轮,只得在高、低压涡轮间设置一个较长的锥型过渡机匣。

图7 1、2号支点结构

此时如将高压涡轮后轴通过中介轴承支承于低压转子上,则中介轴承与低压涡轮后轴承间的距离较长,会带来严重的转子动力学问题,对高压转子与低压转子的工作均带来不利的影响。

图8、高压转子后端通过中介轴承4支承于低压转子的支承方案(CFM56)

另外,由于过渡机匣较长,也有条件在此处设置高压涡轮后轴承的轴承座,以及与之有关的油槽及封严装置等,如图9所示。因此,GEnx转子支承方案(如图6所示)未采用中介轴承支承方案。图9所示为 GE90的高压涡轮后支承处结构图,GEnx的结构基本与其相同。

图9、GE90高压涡轮后支座与低压涡轮(GEnx与之相同)

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