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创新记录的GE9X“绿色航空”背景下的航空发动机技术演变进程
21世纪初指的是1999年至2010年间。进入21世纪后，“绿色航空”已引起广泛的关注，成为世界航空界在研制新型飞机与购置新飞机时必须考虑的原则。面临着世界原油价格不断的攀升，全球性气候变暖的趋势日益增加以及对噪声的控制要求越来越严，新研制的发动机要求耗油率低、排污量少、噪声低、操纵性及维修性好、可靠性高、寿命长等。
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图14、GP7200发动机
在这个期间，由于飞机制造公司与发动机公司都在忙着围绕“绿色航空”的要求，发展新型飞机与发动机的工作中，因此，仅有空客公司发展的四发的超大、超远、超豪华的A380客机投入运营，由于在777之后，普惠己被大客机弃用，因此在为A380提供发动机时，普惠只好与GE合作，组成了“发动机联盟（EngineAlliance）”，发展了GP7200（从名字可以看出，它是普惠与GE联合发展的推力为72000lbf的发动机），参见图14；罗罗为A380研制了遄达900发动机。
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另外，GE为满足波音提出的777加大航程的777-300ER与777-200LR需要，在GE90的基础上发展了GE90-115B，它的额定起飞推力为511kN，但在2001年11月的试车中，推力达到569kN，创造了世界记录，使GE90-115B成为世界上推力最大的航空发动机，直到今日仍没有被其它发动机超过。
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图15、GEnx发动机
在这一代发动机中，涵道比与总压比均比上世纪90年代的发动机高，因此耗油率降低较多。表4列出了21世纪初的3种代表机型的主要参数。
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表4、21世纪初主要发动机的参数
在这一代发动机中，GE90-115B是在GE90的基础上发展的，以往在衍生发展推力加大的发动机采用的措施是核心机不动，用加大风扇直径、增加增压压气机与低压涡轮级数来加大推力，总体结构形式基本不变；但在发展GE90-115B时，不仅核心机中的高压压气机由10级减少成9级、低压涡轮的级数未改变外，风扇转子的支承方式做了大的改动，彻底改变了GE与普惠采用了近30年的传统结构。
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图17、遄达XWB发动机
用于A380的两型发动机的基本结构沿用了上世纪90年代的技术，例如GP7200的核心部分是按GE90-115B核心按72%的比例缩小而成，而低压部分则沿用了PW4084的设计；在遄达900中，中、高压压气机是由遄达800按90%比例缩小而成，燃烧室也是遄达800的缩小型，但风扇的直径却由遄达800的2.8m增大到3m，因此涵道比由6.2增大到8.5。
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21世纪20年代年
指2010年到2020年间。在此期间不仅有3型性能更好的飞机先后投入运营，即2011年投入运营的787、2014年的A350XWB与将于2020投入运营的777X；
而且一些有名的老龄飞机更换21世纪发展的新发动机，以提高客机的经济性与降低排污及噪声，这些飞机有由A320改为换用新发动机的A320neo（New Engine Option）、由737换发动机发展的737MAX与由A330改为换用新发动机的A330neo等，这三型飞机也是在这十年中先后投入运营的。这6型飞机均为双发的，且都在投入航线运营之初得到适航部门180，ETOPS的批准，即能执行飞行世界上任何航线的能力。
787可用GE的GEnx发动机（图15）与罗罗的遄达1000发动机，A350XWB仅用遄达XWB（图17）， 777X则用GE9X发动机,。飞机与发动机的关系中，除787外均是一机对一发，一发对一机的关系。罗罗还为787-10在遄达1000的基础上采用了在遄达XWB采用的一些新技术上发展了遄达1000TEN。
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图18、LEAP-1B发动机
在787中，虽然有两型发动机可供用户选择，但两型发动机可以互换，这是在其它飞机上未能做到的。飞机增压座舱用的空气一改传统的由高压压气机引来高压空气的做法，而是由每台发动机各驱动2台大功率交流发电机以提供用于飞机舱内增压系统的动力，而且还驱动以前由发动机驱动的液压泵。
在遄达1000中，改变了由高压转子驱动附件的传统设计，改为由中压转子驱动附件，但在发动机启动时，启动机还是驱动高压转子，因此，在附件传动系统中设置了一套复杂的转换装置。
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在老机换新发动机的客机中，A330neo采用了由遄达700的基础上发展的遄达7000发动机，737MAX采用了LEAP-1B发动机，A320neo则有两型发动机即LEAP-1A与齿轮传动风扇GTF的PW1100G发动机供用户选择。LEAP是CFMI公司在CFM56-7B的基础上，引进了许多新发展的技术发展而成的系列发动机，我国的C919客机即采用了LEAP-1C发动机。
普惠公司在大型客机中被排挤在外，只得在中等推力的发动机上研制出齿轮传动风扇GTF的PW1000G发动机系列，此系列发动机不仅用于A320neo，还用于日本三菱公司的MRJ支线客机，巴西庞迪公司的C-110及C-130支线客机，以及俄罗斯MS-2客机上。
可以看出，21世纪20年代是民用涡扇发动机前所未有、蓬蓬勃勃发展的新时代。表5列出了21世纪20年代主要发动机的参数。
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表5 21世纪20年代主要发动机的参数
由表5可以看出，这一代发动机中涵道比高达9:1-12.5:1，总压比高达40:1-60:1，加上釆用了众多新发展的技术，使发动机的耗油率降低较多，以罗罗的发动机为例，遄达XWB比遄达1000低2.75%，而遄达1000与它40年前的前驱RB211-22B相比，降低了近25%，表6示出了罗罗公司几代发动机耗油率变化。
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表6、罗罗公发司几代发动机的巡航耗油率（kg/dN.hr）
GE公司的发动机中，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%。
在这一代发动机中，广泛采用了21世纪中发展的众多新技术，例如：所有叶片设计均采用了新一代的三元流技术，第4代碳纤维做的风扇叶片，采用掠形设计的风扇叶片（图16），复合材料做的风扇机匣，整体叶盘用于压气机中，压气机中设量内置式喷水清洗发动机内部流道的装置，低排放的燃烧室设计与完善的降噪设计超过21世纪严格的环保条例的要求，高效的涡轮叶片冷却技术与叶尖间隙控制技术，3D打印技术生产的燃油喷咀与低压涡轮工作叶片（GE9X），高、低压转子反向转动，陶瓷基复合材料CMC用于火熖筒高压涡轮导向叶片及高压涡轮外罩环（图19），先进的高温镍基粉末合金R104在高压涡轮与高压压气机后几级轮盘中的应用，耐高温的材料与隔热涂层在高压涡轮中的应用，质轻强度好的金属间化合物TiAl在低压涡轮工作叶片中应用，后几级低压涡轮工作叶片做成局部空心以减轻质量（图20），高速大功率减速器在GTF中应用，风扇包容环做成由Ti6/4锻制的带加强环的环形机匣，采用降低噪声的可变面积风扇外涵喷管VAFN以及锯齿形外涵喷管，采用在飞行中实时监测发动机性能参数的先进发动机健康管理系统等等。
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图19、CMC（蓝色）在GE9X中的应用
GE9X是最新的发动机，由于其风扇直径为3.4m，是世界上最大的风扇，因此被称为世上最大的涡扇发动机，但其推力仍小于GE90-115B的；它的发动机风扇叶片采用了第4代碳纤维复合材料，加上采用了先进的3维掠形设计，使风扇叶片后掠更大、叶弦更宽，叶片更薄，叶片数更少，为16片，成为风扇叶片数最少的发动机。
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在这一代发动机中，各种性能指标均比上世纪的发动机有较大的提高，但在研制过程与使用中，却发生过多种罕见的故障。例如遄达900与遄达1000，由于在中压转子中没有采取防止传动轴折断时中压涡轮飞转的安全设计，几乎在同一时间都由于工作中的粗制滥造出现了中压涡轮轮盘非包容的极其严重的故障，遄达900的故障差点造成载有466人的A380机毁人亡的重大灾难。
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遄达1000中压涡轮叶片涂层过早脱落，使叶片腐蚀断裂，造成众多航空公司大量787停飞。GEnx因为采用了新的拧紧大螺母用的干润滑剂，造成低压涡轮轴在很短的时间内出现3次断裂故障。PW1100G在使用中出现轴承腔漏油、火焰筒通气孔堵塞、停车后转子热弯曲等，造成某航空公司创造了在13个月中换发42台的世界记录等。遄达1000与PW1100G的故障还造成在一段时间内，装遄达1000的787与装PW1100G的A320neo，在总装线上无发动机可装的境地。
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图20、后几级低压涡轮工作叶片做成局部空心
在上世纪投入使用的几十型发动机中，却很少出现类似的故障，此一事实说明在发动机研制中提高发动机性能时，绝对不能忽略发动机的可靠性。我们在研制新发动机时，一定要认真吸取这一经验教训。 |
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发表于 2019-7-7 23:27:03
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