GE90-115B发动机结构设计特点分析

2013-07-10陈光邱明星

航空发动机 2013年3期

关键词：陈光支点基准

陈光，邱明星,2

（1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

GE90-115B发动机结构设计特点分析

陈光1，邱明星1,2

（1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

GE90-115B发动机是目前世界上推力最大的发动机，由GE90-94B发动机衍生发展而来。与传统的衍生发展不同，GE90-115B发动机的高压压气机减少1级，风扇转子支承作了重大改变，将1号滚珠轴承改为直径特大的滚棒轴承，滚珠轴承则置于风扇轴后端处。对风扇转子支承方式的变化作了深入分析，同时对风扇、高压压气机、低压涡轮、轴承等的结构设计改进进行了分析，可供航空发动机结构设计人员参考。

GE90-115B发动机；GE90-94发动机；结构设计；大涵道比发动机；支承方式

0 引言

波音公司于1998年底决定将1995年投入营运的B777客机的起飞总质量增大，以延长飞机的航程与载客量，为此GE公司提出了发展增大推力（也是世界上推力最大）的GE90-115B发动机。1999年7月，GE公司与波音公司签订协议，将在GE90-85B和GE90-94B发动机基础上改进发展的GE90-115B发动机选为波音777-300ER和波音777-200LR客机的惟一动力装置，使波音777-300ER客机在载客365人（3级布局）时航程达13427 km，使波音777-200LR客机在载客301人时航程达10417 km。

GE公司于2000年2月启动了GE90-115B发动机的研制工作；在2001年秋进行首台发动机试车，当年11月创造了世界最大推力发动机的纪录；于2002年9月18日装在GE公司专用的、由波音747客机改装的飞行试车台上进行飞行试验，共飞行48次、217 h，历时152 d；在2003年初，将GE90-115B发动机装在波音777-300ER客机上进行总计1600 h的飞行试验；2004年初取得美国FAA及欧洲JAA的适航证；使用GE90-115B发动机的波音777-300ER和B777-200LR客机分别于2004年5月和2006年初投入航线营运。中国国际航空公司引进的首架B777-300ER客机于2011年7月27日投入航线营运。

在大涵道比涡扇发动机衍生发展推力增大型时，通常在保持核心机和总体布局（如转子支承方式等）不变的前提下，采用适当加大风扇直径、增加增压压气机与低压涡轮级数、个别前面级的涡轮叶片改用耐温更高的材料等方式。例如在PW4000系列发动机中，从PW4052衍生发展为PW4062，从PW4164衍生发展为PW4168，从PW4074衍生发展为PW4098，这些发动机的高压压气机与高压涡轮级数未变，风扇直径由2.4 m增大到2.5 m,再增大到2.8 m，增压压气机由4级增为5级再增至6级，低压涡轮则由4级增为5级再增至7级，发动机推力由231.31 kN增大到435.93 kN。但是在GE90系列发动机中，由GE90-94发动机（下文称基准发动机）发展成GE90-115B发动机时，不仅将高压压气机级数从基准发动机的10级减为9级，而且风扇转子的支承方式打破了传统设计习惯，作了较大改动，采用1种全新的支承方式。因此严格讲，GE90-115B发动机不能算是从基准发动机衍生发展的，更确切地说是从基准发动机核心机修改设计后匹配低压设计而成的，不是核心机派生发展（核心机不变）的概念。

1 总体结构设计特点

GE90-115B发动机（如图1所示）的风扇直径由基准发动机的3.124 m增大到3.251 m，增大了0.127 m，从而增加了发动机的进口空气流量，并增大了推力；高压压气机将基准发动机的末级去掉，级数变为9级，加大了末级流通面积，使流过核心机的空气流量约增加20%，发动机涵道比有所减小；增压压气机由3级增加为4级，使增压比约增大20%，并维持发动机总压比基本不变。低压涡轮则仍维持基准发动机的6级。

图1 GE90-115B发动机纵剖面

2 风扇设计特点

2.1叶片与轮盘

GE90-115B发动机风扇叶片（如图2所示）采用3D气动技术设计成S形后掠叶型，以减少超声速气流流入叶片时的损失，提高效率，这是20世纪90年代后期新研制的大涵道比涡扇发动机采用的新技术之一。风扇叶片的厚度与弦长均有增加，与基准发动机相比，其质量约增大50%。风扇叶尖直径虽增大127mm，但包容环外径仅增大了38.7 mm。

与基准发动机一样，GE90-115B发动机的风扇叶片仍采用GE公司的复合材料，在叶片前缘包有钛合金的保护套，以提高复合材料叶片抗外物损伤和气流冲刷能力。

由于风扇叶片弦长、直径、厚度和质量均加大，所以轮盘由基准发动机的3个小盘的盘鼓混合式结构改为4个小盘的盘鼓混合式结构，如图3所示。

图2 GE90-115B发动机带后掠的风扇叶片

图3 2型发动机风扇轮盘结构比较

2.2风扇转子支承方式

与基准发动机相比，GE90-115B发动机的风扇转子支承方式改动最多，如图4所示。

图4 2型发动机风扇转子支承方式比较

2型发动机风扇转子支承方式的主要区别在于滚珠轴承位置不同。在以往的大发动机中除RR公司的RB211和TRENT发动机外，包括GE公司的GE90-94发动机在内的大多数民用大涵道比发动机紧靠风扇盘后的1号轴承均采用滚珠轴承，GE公司于20世纪90年代在中国介绍的GE90-115B发动机风扇（如图5所示）盘后的1号轴承也采用滚珠轴承。但后来该发动机（图4）作了较大改动，将滚珠轴承和滚棒轴承位置对调，且滚棒轴承的尺寸改变也很大，见表1。

图5 最初的GE90-115B发动机风扇转子支承方式与基准发动机的比较

表1 2型发动机1、2号轴承的类型和尺寸mm

2.3安全性设计特点

如前所述，GE90-115B发动机风扇叶片的质量比基准发动机的增加50%，当1片叶片从叶根处断裂甩出时，对风扇转子会产生较大的不平衡力与力矩，为减小风扇叶片从叶根处断裂时对发动机和飞机产生的不利影响，采取了以下3项措施。

（1）在紧靠风扇盘后的1号支点处采用直径较大的滚棒轴承，其内径由基准发动机的183mm加大到503mm，增加幅度非常大，是这2型发动机风扇转子4个轴承中内径最大的，以提高叶片断裂时过大冲击载荷的承受能力。

（2）在以往PW和GE公司的大涵道比涡轮风扇发动机的1号支点采用滚珠轴承时，当1片叶片断裂甩出发动机后，风扇盘会绕滚珠轴承作回转运动，此时，与断片相对处的多个叶片会碰摩机匣，可能造成多片叶片断裂。改用大直径滚棒轴承后，限制了轮盘绕支点处的回转运动，使轮盘绕轴心线转动，且其他叶片不会与机匣碰摩。也就是说，如果转子有1片叶片甩离，产生很大的不平衡力，带来较大的振动，但转子仍可正常地绕中心线运转。

（3）在风扇转子的2个支点处均采用减振措施（如图6所示），即在1号支点处采用带挤压油膜的弹性支座，在2号支点处采用弹性支座，以减小叶片断裂时外传的振动载荷。这是在众多的大涵道比涡轮风扇发动机中少有的。

图6 1、2号支点结构

采用上述3项措施后，当风扇叶片断裂时，发动机内部即使发生严重损伤，也不会有过大冲击载荷通过发动机安装节传到飞机上。

TRENT1000发动机的1号支点处即采用滚棒轴承，为了更好地限制当1片叶片断裂甩出后轮盘不会绕轴承作回转运动，在该轴承后又增加了1个尺寸较小的滚棒轴承，如图7所示。

图7 TRENT1000发动机1号支点处增加1个滚棒轴承

2.4滚珠轴承置于2号支点处

由于在1号支点处采用了滚棒轴承，承受转子轴向力的滚珠轴承只能置于2号支点处。GE90发动机锥型风扇轴如图8所示。从图中可见，其风扇轴为一前粗后细的锥型轴，2号支点处直径很小（约180 mm），滚珠轴承如直接装在此处，承受轴向负荷的能力很小，为此，在此处安装了独特的带球头的外伸轴套，滚珠轴承套在此轴套外径处，再通过弹性支座装于风扇承力框架上，以承受低压转子的轴向和径向负荷。与基准发动机1号轴套相比，此滚珠轴承的外径相同（602mm），而内径小39mm。

外伸轴套内装有球头，可利用球头的自位调节作用满足低压转子3个支点同心度的要求。

GE90-115B发动机风扇转子的支承方式已用于GE公司的GEnx发动机中，如图9所示。中国C919客机采用的LEAP-1C发动机风扇部件也采用了该支承方式。

图8 GE90发动机锥型风扇轴

图9 GEnx发动机风扇

PW公司研制的PW6000发动机的风扇支承方式采用了GE90-115B发动机的方式，如图10所示。但其安装2号滚珠轴承的外伸轴套是与风扇锥形轴一体的，因而外伸轴套内没有球头；另外，2个支点均未采用弹性支座，仅在1号支点处单独采用了挤压油膜。

图10 PW 6000发动机风扇和增压压气机的支承结构

3 采用带弹性支座的滚棒轴承

在基准发动机中，N3R（3号支点是滚珠、滚棒轴承并列的结构，其滚棒轴承为3R）、N4（高压转子后支点）及N5（低压转子后支点）3个滚棒轴承均采用弹性支座，其中N3R与N5还带挤压油膜。值得注意的是这3个轴承均与弹性支座做成一体，称为带支座的整体式轴承，如图11所示。这种将轴承的外环和与其相配的弹性支座做成一体的结构，是20世纪90年代逐渐在航空发动机中推广应用的，不仅可减少发动机零件数和减轻质量，而且其可靠性也得到提高。在GE90-115B发动机中，除仍然采用了基准发动机中的N3R、N4和N5支点结构外，N1支点还采用了折返式弹性支座，且支座与轴承外环也做成一体，从图11中可见，1号支点的整体式轴承结构比其他3个更为复杂，代表了这种整体式轴承已从简单结构向复杂结构方向发展，相信今后还会出现更复杂的结构。这种带支座的整体轴承一般由轴承公司根据发动机研制方提出的要求完成设计与研制，例如德国FAG轴承公司的产品中就有多种带支座的整体式轴承。

图11 GE90-115B发动机带弹性支座的滚棒轴承

4 其他结构

4.1高压压气机

GE90-115B发动机第1级高压压气机采用整体叶盘，做成单件的，而后几级是焊接在一起的，便于在叶片受到损伤时可分解下来进行修复。

4.2低压涡轮

在GE90-115B发动机中，虽然风扇直径增加了0.127m，增压压气机增加了1级，但低压涡轮仍保留为基准发动机的6级，这在其他系列发动机增大推力衍生发展中从未有过。在低压涡轮中，各级的工作与静子叶片叶型按3维气动设计技术进行了改造，工作叶片采用低稠度设计，保持叶片气流通道型式与基准发动机的相同，同时还使6级工作叶片由基准发动机的952片减少为852片，减少了10%。低压涡轮转速较基准发动机的提高5.5%（高压涡轮转速提高4%），为此，第1级工作叶片采用GE公司研制的单晶镍基合金N5（高压涡轮工作叶片也采用该材料）。

4.3低压涡轮前轴与锥型风扇轴

低压涡轮前轴亦称风扇中间轴，其后端用几个螺栓与低压涡轮第1级轮盘相连，前端插入锥型风扇轴内通过花键传递扭矩和轴向力，为了能通过核心机，中间轴的外径与基准发动机的一致，但传递的扭矩却比基准发动机的大1.3倍，风扇叶片断裂时的瞬时扭矩则大1.9倍，显然采用基准发动机材料制造该轴已不适用；另外，其花键长203mm，是航空发动机中最长的（如图12所示）。为此，采用GE公司参与研制的GE1014材料，其拉伸强度为1.965GPa，比基准发动机选用材料的拉伸强度（1.84GPa）约大7%。GE1042材料硬度较大（HRC＝55），加工麻烦，日本IHI公司负责低压涡轮部件的设计生产，经过多次尝试后才最终完成。

锥型风扇轴（图8）除传递的扭矩与低压涡轮前轴的一样外，由于1号支点改用了滚棒轴承，要求具有更高的可靠性，以保证在工作中决不会出现断轴故障，否则风扇盘会甩出发动机。另外此轴后端的内花键长，精度要求高，加工难度也很大。日本IHI公司也负责此轴的研发工作，最后完成的锥型风扇轴与低压涡轮轴连接成一整体，在扭转疲劳试验台（如图13所示）上完成了50000次循环疲劳扭转试验，验证了此2轴和花键联轴器均满足设计要求。

图12 低压涡轮前轴

图13 低压轴组合体在扭转疲劳试验台上试验

5 结束语

GE90-115B发动机的结构设计和安全性设计具有非常突出的特点，代表了未来大涵道比发动机的发展方向，值得中国航空发动机技术人员思考、学习和借鉴。

[1]Horibe Kyohei,Kawahira Kouji,SakaiJun,et al.Development of GE90-115B turbofan engine[J].IHIEngineering Review, 2004,37（1）：1-8.

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Analysis of Structure Design Characteristics for GE90-115B

CHEN Guang1，QIU M ing-xing1,2
（1.Schoolof Jet Propulsion,Beihang University,Beijing 100191,China;2.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

GE90-115B is the largest thrust engine in the world,derived from GE90-94B.GE90-115B is different from traditional derivated development.Its high pressure compressor is reduced one stage.The fan rotor support type is changed,its No.1 ball bearing is changed to the large diameter roller bearing,which is located on the rear of fan shaft.The changes of support type for fan rotors are analyzed,and the analysis of structure design for the fan,high press are compressor,low press are turbine and bearing are conducted,which provide the references to the aeroengine structure designers.

GE90-115B;GE90-94;structure design;high bypass ratio engine;support type