当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

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

1

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

1

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

2

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。

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

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

陈 光: 用于波音 787 客机的 GEn x 发动机设计特点

2 /3
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

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

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。

陈 光: 用于波音 787 客机的 GEn x 发动机设计特点

4 /5
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

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

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)


相关文章:
波音787飞机性能简介
毕业设计 ( 论文 ) 波音 787 飞机性能简介 学院...波音公司强调波音 787 的特点是大量采用复合材料,低...客机使用的发动机分别为通用电气的 GEnx 及劳斯莱斯的...
波音787介绍
GEnx?及劳斯莱斯的?传特(Trent)1000?引擎,不同厂商...787 客舱设计 波音 787 的客舱比其他中型飞机要宽,...天空特色的舱顶一直贯穿整个客舱,一些区域还采用了...
[专题]洲际客机的超级动力:GENX涡扇发动机
[专题]洲际客机的超级动力:GENX涡扇发动机_交通运输_工程科技_专业资料。洲际客机的超级动力:GENX涡扇发动机 (上传的文章为平时收集资料,严格按原文进行校对,相关权利...
波音787
目录[隐藏] 波音 787 简介 基本参数 发展历程 特点 硬件设施 技术及设计特点 ...波音宣布 7E7 客机使用的发动机分别为通用电气的 GEnx 及劳斯 莱斯的遄达(Trent...
浅析波音787客机
用于波音787客机的GEnx发... 暂无评价 6页 ¥2.00 波音787 49页 1下载券...波音787-bj 49页 免费 波音客机概述及特征 7页 免费 空客与波音的机型 26页...
波音787 新技术
这样的设计优化了飞机能源的使用,提高了发动机的效率...其中 230V 交流和 270V 直流电源主要用于以往由...飞机结构 波音 787 飞机设计的一大特点就是复合材料...
各型民航发动机的图鉴及介绍
GEnx 发动机用于 Boeing 787 和 Boeing747-8 飞机,未来将用于 A350 等飞机...设计 推力分别为 75, 磅 000 (适用于 A350-800) 84, 磅、 000 (适用于 ...
波音787的制造理念
波音 787 的设计在 Cray 超级计算机上用时 80 万...整个客机机体各部分在全球 50 个地方组装 用于烧制...使用英制劳斯莱斯发动机,按照价值 计算,波音 787 四...
波音787研制历程
空客的 A380 大型客机波音的波音 787 中型客机。...787 使用的 GENX 发动机短舱采用锯齿边,可降低发动机...想要依靠比当前其他飞机运营成本更低的特点来抹煞空客...
常见大型民航飞机发动机归纳
低噪音的特点,应用于支线运 输机、中型公务飞机等...供波音 B777 飞机选装 GEnx 系列: 系列: 是为新...系列涡扇发动机以其三转子的独特设计在航空发动机市场...
更多相关标签:
波音787宽体客机 | 梦想客机 波音787 | 波音787客机 | 波音787梦幻客机 | 波音787客机座位图 | 波音787 9梦想客机 | 波音787 900梦想客机 | 波音787客机模型 |