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用于波音787客机的GEnx发动机设计特点


2010 年 第 36 卷 第 1 期 Vo l.36 No .1 Fe b . 2010

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用于波音 787 客机的 GEnx 发动机设计特点
陈 光 (北京航空航天大学 能源与动力工程学院, 北京 100083)

摘要: 概述了用于波音 787 “梦幻” 客机的 G Enx 发动机的发展与设计特点,

分析 了在其总体结构设计以及各部件中所采用的先进技术, 及其达到的性能水平。 关键词: GEnx 发动机; 设计特点; 波音 787 客机; 绿色航空

Design Characteristics of GEnx Engine for B787
CHEN Guang (School of Jet Propulsion, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China) Abstract: The development and design characteristics of GEnx engine for B787 were overviewed. The advanced technologies adopted in the general engine and 陈光(1930),教授,博导,中国航空学会 理事、 科普工作委员会委员, 北京航空航天 学会常务理事兼秘书长, 长期从事航空发 动机结构设计的教学、 科研与生产工作。 收稿日期: 2009- 06- 11 components and the performance achieved were analyzed. Key words:Genx engine; design characteristics; aviation B787 aircraft; green

发展的一些先进技术, 因此, 不仅

GEnx 发 动 机 的 推 力 小 于 GE90 的 378 ~511 kN, 大 于 CF6- 80C2 发 动 机 ( 用 于 波 音 747- 400 飞机)的 258 kN。采用了 高的涵道比 (10)和总压比 (为 45; GE90 发动机的分别为 8、 40 ) 和部 件 效 率 。 GE90- 76B 发 动 机 于 1995 年底投入营运,到 GEnx 发 动机研制成功, 历经 4 次技术提 高, 使 GEnx 发动机耗油率、 排放、 噪声和直接使用费用等都很低, 如图 1 所示; GEnx、 CF6- 80E1 与 GE90 发动机耗油率的比较如图 2

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引言
GEnx 是 GE 公司为波音 787

性能达到了较高水平,而且研制 周期较短。 本文介绍并分析了 GEnx 发 动机的发展和设计特点。

(B787) “梦幻”客机研制的高涵道 ) 、 高总压比 (45.0 ) 、 低油 比 (10.0 耗、低污染与低噪声的新一代发 “绿色航 动机。为了满足 21 世纪 空”的要求, GEnx 不仅继承并发 展了 GE 公司以往成熟发动机特 吸 别是 GE90 发动机的设计技术, 纳了 GE90 发动机研制与使用的 经验与教训,而且还采用了最新

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发展特点
GEnx 发动机是在 1996 年投

入使用的 GE90 发动机 (用于波音 777 飞机) 基础上发展的, 原来是 专为波音 787 客机研制的,后来 又被波音 747- 8 客机选作其惟一 的动力装置。

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图4

GEnx - 1B 与 GEnx- 2B 发动机总体结构

表2 图1 从 GE90- 76B 到 GEnx 发动机的 4 次技术提高

2 型发动机主要部件级数 GEnx - 1B70 1 4 10 2 7 B787- 9 GEnx - 2B67 1 3 10 2 6 747- 8

发动机型号 风扇级数 增压压气机级数 高压压气机级数 高压涡轮级数 低压涡轮级数 用 途

所示。从图 2 中可见, GEnx 发动机 的巡航耗油率比用于 A330 客机的 CF6- 80E1A4 发动机的低 15.4% , 比 用 于 B777 客 机 的 GE90- 94B 发动机的低 6.9% 。 图 3 给出了 GEnx 发动机为降低耗油率所采 用的措施及其收益。 GEnx 发动机的设计推力为 333 kN。而在第 1 次试车中, 推力 就达到 358 kN, 比设计值大 7% 。 因为 B787 客机有 3 个起飞总质 量不同的型号, 所以, 用于 B787客 机的 GEnx 发动机也有 3 个推力 不同的型号, 分 别 为 用 于 B787

- 3 的 GEnx - 1B54 (236 kN), 用于 B787 - 8 的 GEnx - 1B64(284 kN), 用于 B787 - 9 的 GEnx - 1B70(310 kN); 3 型发动机的风扇直径均为 2.819 m。

注 :2B 型发动机风扇直径比 1B 型 的 小 0.178 m, 且 增 压 压 气 机 级 数 少 1

3
3.1

设计特点
总体结构 用于 B787 客机的 GEnx - 1B

级 , 因此 2B 型发动机低压涡轮少 1 级 。

发 动 机 与 用 于 B747- 8 的 GEnx- 2B 发动机的总体结构如图 4 所示; 2 型发动机主要部件的级 数见表 2。 GEnx 发动机转子支承方案 如图 5 所示。低压转子支承方案 为 0- 2- 1 的 3 支点方案 , 高压转 子支承方案为 1- 0- 1 的 2 支点方 案, 共 5 个支点; 高压压气机前支 点 (3 号支点) 采用了滚珠轴承与
图5 GEnx 发动机转子支承方案

机中, 3 号轴承失效占空中停车原 因总量的 1/4 左右。 在高压转子后端通过中介轴 承支承低压转子的设计 (如图 6 所示 ) ,不仅在 GE 公司的 F101、 F404、 F110 与 CFM56 等发动机上 得到应用, 而且, 在 PW 公司于 20 世纪 90 年代研制的军 、 民用发动 机 (F119 与 PW6000 ) 上也采用了 这种设计 (一改传统设计) , 苏制 的 AL- 31F 与 RD- 33 发动机也采 用了这种设计。但是, 在 GEnx 发 ) 上, GE 公司却 动机 (包括 GE90 没有采用这种惯用的支承方案, GEnx 发 动 机 的 涵 道 因 为 GE90、 比大 (分别为 8、 10 ) , 在保持风扇

图2

3 型发动机的耗油率比较

滚棒轴承并列的设计,滚棒轴承 3R 承受径向力, 滚珠轴 承 3B 仅承受轴向力。 这 种 独 特 的 设 计 ,在 CF6- 80C2, CFM56- 5、 - 7 及 GE90 发动机上均 得 到 应 用 。 但 在 CFM56- 2、 -3 上 未 采 用, 因而, 在这 2 型发动

图3

GEnx 发动机降低耗油率的措施及其收益

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分流环前缘间留有较大的间距; 轮盘前的锥形帽罩做成能将杂物 甩向外涵的形状;在增压压气机 后弯形通道处设有放气门,以便 将细小砂石排到外涵中。

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,只有将低压涡轮 直径加大, 于是高 、 低压涡轮直径 相差较大,而为气流能平缓地由 高压涡轮流入低压涡轮, 在高 、 低 压涡轮间设置了 1 个较长的锥型 过渡机匣。涵道比为 5 的 CFM56 发动机与涵道比为 10 的 GEnx 发 从 动机 的涡轮部件如图 7 所示, 图中可以看出 2 种发动机高 、 低 压涡轮间气流通道的差异。

结构与此相同。

图8

GE90(GEnx ) 发动机高压 涡轮后支座与低压涡轮

3.2

风扇 GEnx 发动机风扇叶片采用

图 10

防止外物进入核心机措施

外 了 GE 公司的第 3 代复合材料, 形 (掠形 ) 基本同于 GE90- 115B 发动机的;采用新一代三元流技 术设计,叶片数由 GE90 的 22 片 减为 18 片; 减轻了质量。

GEnx 发动机风扇 机匣由复 合材料加工而成,用复合材料条 带编织成类似草席的结构,如图 11 所示。这是第 1 次将复合材料 用于大型发动机机匣。

图6

高压转子后端通过中介轴承 支承低压转子

复合材料风 扇 叶 片 在 B777 客机上经受过严格考验 (10 年中 ) 。叶片的前缘与尖 仅更换过 3 次 部, 采用了钛合金护套, 如图 9 所 示。在叶片榫根处, 采用了特氟隆 耐磨衬垫, 因而叶片装进燕尾槽 中后无需加润滑剂 。风扇轮盘采

图7

CFM56- 3 与 GEnx 发动机高、 低压涡轮结构比较

即轮盘做 用 GE90 发动机的结构, 成带 3 个盘的盘鼓混合式转子。

图 11

复合材料风扇机匣

在 GEnx 发动机中, 高、 低压 涡轮间有较长的过渡段,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,给高 压转子与低压转子工作带来不利 影响。另外, 由于过渡机匣较长, 便于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 8 所示。因 此, GEnx 发动机转子支承设计未 采用中介轴承支承方案。 图 8 为 GE90 发动机高压涡 GEnx 发动机的 轮后支承处结构,
图9 复合材料风扇叶片

复合材料机匣包容性能及强 度均优于金属机匣的,且该机匣 比金属机匣轻 154 kg,可使 1 架 飞机减轻质量 363 kg, 而且, 不会 被腐蚀, 便于维护。 3.3 高压压气机 10 级高压压气机的增压比为 23.0, 平均级压比为 1.368, 与 GE 公 司 的 E3、 GE90 发 动 机 的 水 平 相当,但叶片由新一代的二元流 技术设计, 增加了喘振裕度。 第 1、 2、 5 级压气机采用整体叶盘 (均为 单个盘 ) ,使 GEnx 发动机成为民 用发动机中采用整体叶盘级数较 多的发动机。

GEnx 发动机上设 有多种防 止外物进入核心机的措施 (如图 10 所示) , 例如: 风扇叶片后缘与

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与大多数高涵道比涡扇发动 GEnx 发动机高压压气 机的一样, 外 机从第 3 级起做成双层机匣; 层机匣作为承力机匣,内层机匣 作为气流通道的包容环 。为保证 沿圆周的叶尖间隙在工作中始终 保持均匀,与工作叶片对应的机 匣是做成整环的; 为了能装配, 内 层机匣沿轴向做成一段段的, 如 图 12 所示。

发动机每工作 200 ~ 500 循 环后, 视情决定是否需喷洗 。 在 慢车下喷射清洗液, 清洗后不再 需用清水冲刷, 清洗一次耗时约 30 min (其他发动机一般需耗时 4h ) 。GEnx 发动机是第 1 种安装 内置式喷水装置的发动机。 3.4 燃烧室 GE90 发动机燃烧室为双环 (a ) 所示) 。而 腔燃烧室 (如图 14 GEnx 发动机的为常规的单环腔 (b ) 所示 ) , 但同时 燃烧室 (如图 14 采 用 了 双 环 预 混 旋 流 器(Twin Annular Premixing Swirler, 简 称 TAPS ) , 而且应用了贫油设计 (如 图 14 (c ) 所示) , 即为具有双环预 混旋流器 TAPS 的贫油单环腔燃 烧室。

在一般的燃烧室中,有高温 热燃气紧贴火焰筒壁面,因而需 在火焰筒上开冷却用的数目众多 的槽或孔 (例如 GE90 发动机火焰 。 而在 筒上有数以千计的小孔) TAPS 中, 燃烧的最高温度区是在 火焰筒的核心内, 因此, 火焰筒壁 温较低, 不需开众多的冷却孔。采 用 TAPS 后, 油 - 气混合气燃烧得 完全,因此, GEnx 发动机燃烧室 的排污值低于限制值, 如图 15 所 示。

图 12 分段内层机匣

为了恢复发动机性能,一般 采用特殊的喷水装置,根据发动 机性能衰退的情况,对发动机喷 液 (清洗液及清水 ) 清洗。 在 GEnx 发动机中,采用了内置式喷水清 洗装置,即在高压压气机前安装 了圆周均布的 4 个喷水用的喷嘴 (如图 13 所示) ; 每个喷嘴喷射的 散布角度较大,遍布高压压气机 进口环带, 喷洗的效果较好。 (a ) 3.5 涡轮 GEnx 发动机有 2 级高压涡 轮与 7 级低压涡轮 (GEnx -2B 发 ) 。高压涡轮叶片采 动机的为 6 级 用 GE 公司的第 2 代三元流技术 设计,并采用先进的冷却技术设 和最新的耐高温材料,使冷却用 寿命延长。 空气量减少、 (b ) 高、低压涡轮间的通道变化 较快 (如图 16 所示) , 间距较大, 因此在此处设置了支承 4 号轴承 的承力框架。 低压涡轮叶片采用 “特高升 力” UHL (Ultra High Lift ) 设计, 且 用三元流技术对端壁的形状进行 (c )
图 13 高压压气机内置式喷水装置 图 14 GE 公司特殊的现代燃烧室 图 15 TAPS 燃烧室排污值 低于规定值

设计, 使叶片数减少, 效率提高约 0.34%, 如图 17 所示。

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在低的发动机转速下也能向飞机 供电。 GEnx 发动机慢车转速下的 推力约为最大推力的 2.6% , 慢车 转速较低。为达到较低的慢车转 速,采取了以下几项措施: (1 ) 于 高压压气机出口处,在低转速时 瞬间放气,以保证有足够的喘振 裕度; (2 ) 修订可调静叶的调节规 律,在慢车时关小; (3 ) 调定 FADEC 系统的调节逻辑, 以保持 低转速工作时的裕度等。 在用于 B747-8 客机的 GEnx -2B 发动机中, 仍然由高压压气机 后向机舱空调系统提供高压气 流,液压泵也由发动机附件传动 系统驱动, 因此它采用了 B747 客 机的发电机。 3.7 其他特点 在 GEnx 发动机设计上, 以下 2 方面特点值得一提。 3.7.1 防性能衰退措施先进 在现代客机用发动机中, 一 定要采取措施,以确保能在较长 的时间或较多的循环数后保持出 厂时的性能,即要防止发动机性 能衰退。为此, GEnx 发动机采取 了以下措施, 如图 19 所示。 (1 ) 在发动机总体结构上采 用了短且刚性好的转子 (图 19 中 的1 ) ,转子支承简单、无中介轴 承、 无悬臂支承的涡轮 (图 19 中 的2 ) 。 (2 ) 采用了先进的叶尖间隙 控制技术, 包括高压压气机和高 、 低压涡轮的叶尖间隙控制技术 (图 19 中的 3 ) 。
图 18 装有 2 台交流变频起动 发电机的附件机匣

动交流发电机。由于发动机在工 作时转速变化范围大,为了保持 交流发电机输出的电流频率不 变,需在发动机附件传动输出轴 与发电机间安装 1 套非常复杂的 恒 速 传 动 装 置(CSD, Constant Speed Driver ) 。 CSD 一般由发电
图 16 GEnx 发动机反转

机生产厂生产,并与发电机组成 成套的“带传动装置的交流发电 机 Integrated (IDG, Drive Generator ) ” ,提供给飞机生产厂 装机使用。 B787 客机采用了 4 台 、 每台 250 kW 的变频交流发电机 (每台 发动机驱动 2 台) , 是第 1 次在飞 机上不采用恒速传动装置的交流

低压转子 的高、

图 17

低压涡轮效率提高措施

发电机, 通过机载 (飞机) 的恒频 转换器,将需用恒频电源的部分 电流转换成恒频电流。 图 18 为 GEnx 发动机的附 件传动机匣,安装了 2 台交流变 频起动 - 发电机,在发动机起动 时,作为起动机带转发动机高压 转子;在慢车及大于慢车转速时, 向飞机供电。 在外侧起动 - 发电机 的另一端, 装有为 FADEC 系统提 供转速信号的永磁交流发电机 PMA。

高、 低压涡轮的转向相反。这 种设计源于军用发动机上 。F119 发动机 (用于 F-22 ) 首先采用了反 转设计; 而在民用发动机上, 用于 A380 客机的遄达 900 发动机首 先采用了这种设计 ( 高 、 中压涡轮 反转),用于 B787 客机的 2 型发 动机均采用了这种反转设计, 减 少了零件数, 提高了效率。 3.6 附件传动机匣 在以往的大型客机上,座舱 空调系统用的高压空气为发动机 高压压气机后引气,液压系统的 高压液压泵由发动机附件传动机 匣上的传动轴驱动。B787 客机是 第 1 种不采用上述方法的客机, 用交流电的电动机驱动空气压缩 机与液压泵, 为 “准全电” 飞机, 为 此,需由发动机驱动大功率的交 流发电机。 在以往许多较先进的发动机 (如歼六 、 歼七等飞机用的发动 机) 中, 驱动直流发电机都改为驱

(3 ) 采用了先进材料和涂层, 以及先进的冷却技术 (图 19 中的 4 ) , 使耐久性高。 (4 ) 风扇叶片尾缘与分流环

在 “准全电” 飞机上, 需将发 动机的慢车转速定得较低,以便

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间距大 (图 19 中的 5 ) , 在增压压 气机后设有放气活门 (图 19 中的 6 ) , 使外物不易进入核心部分。 (5 ) 在高压压气机中设有内 置式喷水清洗装置 (图 19 中的 7 ) , 以快速恢复发动机性能。

所示。

营, 尚难预测。 在 GEnx 发 动 机 研 制 中 , 为 满足取得适航证的需要,用了 8 台发动机进行了为期 2 年的试 验工作,且于 2006 年在由 B747 客机改装的飞行试验台上完成 了飞行试验 。 在整个研发 / 取证

图 20

可降噪锯齿型外涵喷口

GEnx 发 动 机 共 的测试过程中, 完成 4800 次任务循环,运转时 间超过 3600 h。 而 GE90 发动机 (用于 1995 年投入 使用的 B777 客机) 在研发 / 取证的测试过程 中, 完成 15 000 次循环, 运转时间 为 8100 h,可见, GEnx 发动机的 试验时间与循环数是比较少的,

图 19

GEnx 发动机防止性能 衰退措施

3.7.2

降噪声技术有效 为满足 21 世纪“绿色航空”

的要求, 对 GEnx 发动机除采用了 大量常用的以及新发展的降噪措 施外,还在外涵后端采用了锯齿 型喷口 (如图 20 所示) , 以加大喷 气流与外界空气流的接触面积 (遄达 1000 发动机也采用了这种 。 因此, GEnx 发动机噪声值 喷口 ) 不仅比 FAR36 部第 3 阶段的规 定值低很多,而且也比第 4 阶段 的低很多, 如图 21 (2006 年执行)
图 21 GEnx 发动机噪声值

但其性能却比 GE90 发动机的有 较大幅度提高 。 这要归功于 GE 公司能吸取 GE90 发动机研制与 使用的经验及教训,以及不断开 展新技术的发展研究工作,因而 能在较短时间 研制出能满 足 21 世纪 “绿色航空” 要求的新型发动 机,其经验与作法值得中国航空 发动机研制人员借鉴。

4 结束语
2008 年 4 月初, GEnx 发 动 机取得美国联邦航空局 FAA 的 适航证,表明顺利完成了研制进 程,可以在 B787 客机上投入运 营。遗憾的是, 由于 B787 客机研 制进度一拖再拖,何日能投入运

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

GEny— ——GE 公司构想的下一代 大涵道比涡扇发动机
在研制 GEnx 发动机的同时, GE 公司正在构想下一 代大涵道比涡扇发动机— ——GEny 发动机 。 其目标是: ) 超清洁: CO2排放值相对 GE90 发动机的降低 20%, (1 NOx 相对 1996 ICAO 的降低 85%; (2 ) 超安静: 噪声相对 GE90 发 动 机 的 降 低 55% , 相 对 STAGE3 的 降 低 33EPNdB; (3 ) 超智能: 空中失效率比 GE90 发动机的降 低 50% , 飞行滞后和取消率降低 50% , 采取视情维护 。 该发动机计划采用的关键技术如图所示。 (梁春华)


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