“推力之王”GE9X

董帼雄

在经过近5000小时和8000个循环的测试后，2020年10月，GE公司宣布当今世界最大推力的航空发动机——GE9X获得了美国联邦航空管理局（FAA）颁发的型号合格证。

作为GE公司耗时多年研制的一款全新产品，GE9X的过人之处不仅仅在于其惊人的推力，这款产品所采用的碳纤维复合材料风扇叶片、陶瓷基复合材料涡轮部件和大量的3D打印部件等，使其可以称得上是当今商用航空发动机创新技术的集大成者。而透过GE9X所采用的这些创新技术，也让业界看到了百年GE对创新技术的战略规划。

未雨绸缪的GE9X项目

在宽体客机市场，波音和GE堪称互相成就的典范。1995年，波音777正式投入航线运营，从此全球航空公司的远程宽体客机机队组成开始发生变化。最初，波音777系列飞机的动力有GE90、遄达800和普惠PW4000三款产品可供航空公司选择。2000年以后，随着波音推出777长航程型号飞机之后，GE90逐渐成为该系列飞机中最畅销的发动机。这主要是因为GE从GE90这款产品就开始大胆使用新技术和新材料，使得发动机的燃油效率明显提升。

在GE90这款发动机上，GE公司使用了复合材料风扇叶片，这是商用航空发动机历史上的第一次。GE90风扇叶片长4英尺，重量不到50磅，由碳纤维和增韧的环氧树脂基体制成，强度和刚度是钛的两倍。其独特的弯曲设计使其比传统的钛合金叶片更大、更轻，并具有更好的空气动力学性能。

重量的减轻和设计的优化使得GE90的燃油效率明显提高。同时，优化后的空气动力学设计使GE90风扇叶片可将大量空气吸入发动机，增大发动机推力。到波音推出777-300ER项目时，GE90-115B成为了唯一动力装置，这使得GE在双发宽体机动力市场逐渐成为领先者。

2004年，为了挑战波音在宽体客机市场的地位，空客启动了A350飞机的研制。作为发动机制造商和波音的战略合作伙伴，GE预测到波音很有可能会推出相应的竞争产品，于是在2010年，GE就开始积极筹备，GE9X的雏形在公司内部逐渐呈现。一年后，波音不出所料地公布了777系列飞机的下一代产品777X的研制计划，随后GE、罗罗和普惠均提供了相应的发动机方案，其中GE提出在GE90和GEnx的基础上发展GE9X，普惠公司提出推力为440kN的齿轮传动风扇发动机PW1000G，罗罗则是在遄达1000与遄达XWB基础上发展RB3025。

最终，早有准备的GE赢得了这场竞争。在2013年的迪拜航展上，波音正式宣布启动777X飞机项目，GE9X发动机成为了777X系列飞机的唯一动力选择。

2013年，GE正式开始GE9X的研制工作。当年年初，GE进行了GE9X发動机高压压气机的试验，年中进行了复合材料的性能与运转试验。2014年年中，进行了陶瓷基复合材料的验证试验。2015年年初，完成了第一台全核心机的试验。2016年，首台GE9X试车试验开始。2017年开始了第二台发动机的地面试验，这也是首台生产型的GE9X发动机。

2018年3月13日，GE9X被装在747飞行试车台上进行了首次飞行试验。此后，GE共向波音交付了10台GE9X发动机（8台装机、2台备份）用于777X的试飞取证工作。为了进行GE9X的结冰试验、冰雹试验、尘埃试验与鸟撞试验，GE还在加拿大投资2000万美元扩建了原有试验设施。最终，在完成了近5000小时和8000个循环测试后，FAA为GE9X发动机颁发了型号合格证。

此外，在GE9X项目中，GE采用了风险共担、收益共享（RRSP）的模式，法国赛峰集团旗下的斯奈克玛发动机公司和航空航天技术公司，德国MTU发动机公司和日本石川岛播磨重工业株式会社等都是GE这一项目的风险合作伙伴。

这种合作模式的好处显而易见：各合作公司技术互补，共享市场收益，能够规避技术竞争与市场竞争风险;各合作公司收入共享而不是利润共享，每家公司的利润取决于各自的管理和运营;各合作公司可以分担从方案论证、设计、生产、试验直到销售等的所有工作，确保较高的技术水平、工作效率和产品质量。在GE9X之前，GE公司已经在多个项目上尝试了这一合作方式，在GE9X的研发中，这种合作模式再一次发挥了积极的作用。

GE9X的创新之处

总体来看，GE9X是在GE90-115B与GEnx的基础上进行传承与创新的产物。

GE9X发动机的主体结构包括1级风扇、3级低压压气机、11级高压压气机、燃烧室、2级高压涡轮和6级低压涡轮。风扇直径达到3.4米，堪比波音737机身的最大横截面直径。2017年11月10日，在GE航空集团位于美国俄亥俄州的皮伯斯（Peebles）测试中心，GE9X发动机在测试中达到了134300磅的推力，打破了自2002年以来一直由GE90-115B发动机保持的127900磅推力的世界纪录。这一纪录在2019年7月12日GE航空集团在俄亥俄州总部举行集团成立100周年庆典时，获得了吉尼斯世界纪录的确认。

GE9X发动机的涵道比为10.3，比GE90-115B提高了14%（GE90-115B为9）;总压比为61，比GE90-115B提高了30% （GE90-115B为42）。仅此两项就使发动机的推进效率与热效率有了较大提高，加上应用了一些新技术，发动机的耗油率比GE90-115B低10%，比与其竞争的发动机低5%。

GE9X发动机的技术亮点还体现在高效的空气动力学设计、先进材料的应用和数字化技术应用等方面。GE9X采用的第四代碳纤维增强树脂基复合材料制作的风扇叶片，数量只有16片，是目前世界上所有大涵道比涡扇发动机中叶片厚度最薄、用量最少的（GE90-115B发动机风扇叶片数量是22片，GEnx发动机是18片），叶片的前缘包边材料从钛合金换成了钢，加强了叶片的强度。另外，它还采用了轻质复合材料风扇机匣，这些新材料的使用都有效地减轻了发动机的重量。

与此同时，陶瓷基复合材料（CMC）也是GE近年来大力推崇的新材料，在GE9X发动机上，这种新材料也被大量使用，GE也因此成为了全球首家将耐热、轻质的CMC材料应用在民用航空发动机热端部件上的制造商。

由于CMC材料只有金属合金密度的三分之一，这些重量超轻的CMC部件可以大幅降低发动机的重量。此外，这种材料的耐热性还可以大大提高发动机的耐用性和燃油经济性。CMC材料在高温下远比金属合金耐磨，这也使得航空发动机热端部件需要的冷却空气减少，从而使得用于做功的空气流量增加，达到提升发动机工作效率的目标。

为了配套GE9X发动机的生产，GE公司在美国亨茨维尔市投资2亿美元建立了两家工厂，其中一家用于生产CMC材料，另一家用于生产CMC部件。两家工厂已先后于2018年和2019年投产，CMC材料的年产量可达到20吨，而一台LEAP发动机使用的CMC材料大约为1公斤。

此外，GE9X发动机采用的超高增压比的高压压气机是基于GE航空集团的eCore核心机设计，采用第4代粉末合金材料制造。前5级采用整体叶盘结构，涵道比为10‥1，增压比达到27‥1（GE90-115B的增压比是23‥1）。加上3级低压压气机使得总增压比达到60‥1，是目前世界上总增压比最高的大涵道比涡扇发动机。

在排放方面，GE9X发动机的NOx排放量比GEnx低30%，低于CAEP/8的要求。在噪声方面，GE9X发动机的噪声值比第五阶段规定的噪声极限低8分贝。可以说，以GE9X为动力的777X投入运营，标志着大涵道比涡扇发动机进入到了一个新的发展阶段。

GE的新战略

除了新材料的应用，在GE9X项目中，3D打印技术和数字化技术的应用也很好地体现了GE近年来战略转型所取得的成绩。

作为航空发动机行业勇于自我革新的典范，GE近年来把数字化转型作为重点发展方向。大力推进的数字化革命，让GE在生产每一台GE9X发动机时，都能够记录下它们独有的海量数字信息，形成每台发动机所特有的数字信息库。它们就像人类的指纹信息或“遗传基因”数据一样，独一无二。

这意味着通过数字化技术可以对每一台发动机进行数字识别。在发动机投入运营后，一旦出现问题，GE就可以通过大数据分析来快速锁定具有类似“基因”的发动机，从而可以提前和航空公司一起有效预防可能发生的故障，再也不需要像过去那样一台一台地进行检查和监控，这样不仅提高了发动机的安全性，更大大地提高了航空公司的运营效率，降低了维护成本。

此外，近年来GE大力谋划的3D打印技术在GE9X的研制中也起到了关键作用。

对于航空发动机产业来说，3D打印技术是一项具有战略意义的技术。随着喷气推进技术的发展和先进材料的开发，发动机的设计空间越来越大，可采用的新型材料越来越多，但同时也对制造技术提出了更加严苛的要求。3D打印技术恰恰可以解决这一矛盾，因此也受到了GE公司的高度关注。

在GE9X发动机中，19个燃油喷嘴均由3D打印技术制造完成。上一代的燃油喷嘴需要20个部件焊接而成，新的燃油喷嘴因3D打印实现了一体化制造，耐用性是前者的6倍，重量也降低了25%。而且，在调整试验燃烧室性能时，更易实现喷嘴设计的早期迭代，能够将设计更改和试验迅速合并，节省了大量时间。可以说，在燃油喷嘴的制造中，3D打印技术的应用成为了行业设计优化的标杆。

实现这一系列制造工艺突破的关键在于GE早在几年前就开始布局3D打印市场，并围绕业务发展收购了多家行业领先企业。

2012年，GE将美国Morris技术公司和美国RQM公司收入麾下，成立了GE增材制造技术有限公司，并在完成相关业务整合之后，投资5000万美元在阿拉巴马州辛辛那提建设新工厂，该工厂主要使用直接金属激光熔化技术制造LEAP系列发动机的燃料喷嘴。

2013年，GE收购了意大利航天公司AVIO，该公司与瑞典著名增材制造公司Arcam公司共同研发了电子束熔化成型技术（EBM），即使用电子束作为能量源逐层熔化金属粉末，从而实现复杂结构零部件的生产。GE收購AVIO主要目的在于使用该公司的EBM技术制造钛铝合金低压涡轮机叶片。

在GE9X的研制中，AVIO公司的技术起到了关键作用。GE9X低压涡轮叶片采用增强钛铝（TiA1）金属间化合物。这种材料比常用于低压涡轮叶片的镍基合金轻50%左右。如果使用由钛铝材料制成的叶片，整个低压涡轮机的重量可以减少20%。但是钛铝的生产周期长、制造难度大，一般很难用作制造材料，而EBM技术恰恰是解决这一问题的有效办法。使用EBM增材制造技术后，一台机器72小时内就可以生产7片低压涡轮机的8级叶片，远快于传统使用的失蜡法或旋转铸造法。

GE提前布局3D打印领域，不禁让人联想起在777X项目启动前，公司就未雨绸缪地开始了GE9X项目的研制准备。由此可见，成功永远属于那些有准备的人，这或许是为何百年来，GE能够一直在航空动力市场保持领先地位的原因所在。