专题]洲际客机的超级动力：GENX涡扇发动机

  波音最新747-8型洲际飞机下线点，美国著名飞机制作商波音公司当天在其位于美国华盛顿州的埃弗里特工厂举行了波音747-8型洲际飞机下线万名嘉宾到场庆贺，包括客户、波音员工、政府官员、合作伙伴和供应商。他们聚集在埃弗雷特工厂，见证了主题为“世界挚爱 再领未来”的747-8洲际飞机下线的竞争机型，它的机身长76.3米，比747-400的机身长5.6米。加长的部分可容纳51个座位，这使得该飞机能在典型的三级客舱布局下搭载467名乘客。与所有其它大型客机相比，这款大运力的新客机为航空企业来提供最低的经营成本、最佳的经济性以及更好的环保性能。

  GE90是迄今为止推力最大的航空发动机，它和后续衍生出的GENX发动机都是美国一系列民用涵道比涡扇发动机预研工程的技术结晶。

  GE90发动机是由通用电气公司下属的GEAE“通用电气航空发动机公司”研制的的高涵道比商用超大推力涡扇发动机。GE90-115B这一型号的发动机是吉尼斯世界纪录所记载的世界上推力最大的航空发动机，地面台架试验中曾经达到过56.9吨的最大推力。GE90在1995年11月正式投放商业市场，目前用于波音777系列客机。

  GE90发动机以及后续衍生出的GENX发动机都是美国一系列民用涵道比涡扇发动机预研工程的技术结晶。GE90采用突破性的单级大直径宽弦复合材料风扇叶片而不是大涵道比涡扇发动机所采用的传统钛合金风扇叶片，非常大程度上减轻了风扇组件的重量。该风扇采用低叶尖速度、弹性变形吸收冲击能量并重新分布、叶根在榫槽中偏摆减缓冲击和局部包裹钛合金的办法成功地保证了风扇叶片的抗外物打击性能；采用涂覆聚氨酯抗腐蚀涂层和使用特殊丝线缝合复材脱层部位等方式提高了风扇叶片的抗腐蚀性能。

  GE90的十级高压压气机具有23的压比，结构强度和气动载荷设计与GE公司与法国合作研制的CFM56发动机比较相似。由于GE90推力要求相当高，因而选取了流量和尺寸很大的核心机，该机高压压气机叶片长度明显大于其他大涵道比涡扇发动机。GE90采用了GE公司独特的双环腔低污染燃烧室设计而且应用了以往在涡轮叶片上采用的气膜冷却手段。这样的设计大大降低了氮化物的排放并且提高了发动机性能和耐久性。GE90采用两级高压涡轮和多达六级低压涡轮，热负荷较低因而寿命较长。

  波音777-200ER飞机采用的GE90-94B发动机是第二次技术的成果。该发动机在高压压气机叶片上全面采用了三元流设计。

  GENX是GE公司为波音787“梦幻”客机研制的高涵道比（10.0）、高总压比（45.0）、低油耗、低污染与低噪声的新一代发动机。为满足21世纪“绿色航空”的要求，GENX不仅继承并发展了GE公司以往成熟发动机特别是GE90发动机的设计技术，吸纳了GE90发动机研制与使用的经验与教训，而且还采用了最新发展的一些先进的技术，因此，不仅性能达到了较高水准，而且研制周期较短。从GE90到GENX，经历了四次技术上的跃进。

  1995年11月投入到正常的使用中的波音777-200飞机上采用了GE90-76B/85B发动机。该发动机除了采用GE90基本型最具特色的复材风扇叶片以及压比23的高压压气机之外，还采用了GE公司特别研制的第一代双环径向分级燃烧室。双环径向分级燃烧室于1995年成功应用在CFM56-5B、CFM56-5B/P和CFM56-7B发动机上，氮化物排放量比国际民用航空组织规定的标准值低50%。

  GE90-115B发动机是第三次技术的成果，它将高压压气机减少到了九级。

  2004年3月投入到正常的使用中的波音777-200LR和300ER飞机上采用的GE90-115B发动机进行了第三次技术提升：采用了压比更高的掠形风扇叶片；将原来的十级高压压气机减少为九级；高压涡轮叶片也采用了三元流设计；低压涡轮叶片采用了小稠度叶形；发动机控制管理系统选用了第三代全权数字发动机控制系统。

  想必读者朋友可能已被纷繁的型号和复杂的技术弄得有点晕头，是因为不断在改进发动机上应用新技术并且积累经验是商用发动机成功的必由之路。因为商机稍纵即逝，商用发动机没时间和资金进行军用发动机那样长达十多年的研制，一直到新一代发动机完全成熟才推出型号。经过GE90发动机家族多年的成功运营以及新技术的不间断地积累，GE公司终于推出了新一代的GENX发动机。

  由于承接了GE90的优异设计，GENX发动机不仅推力大，而且耗油率、排放、噪声和直接用费用等都降低到了相当水平。

  GENX发动机的推力小于GE90的378～511千牛，大于CF6-80C2发动机(用于波音747-400飞机)的258千牛；采用了高达10的涵道比和总压比（为45；GE90发动机的分别为8、40）以及高部件效率。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、噪声和直接用费用等都降低到相当水平。

  GENX发动机风扇叶片采用了GE公司的第3代复合材料，这减轻了发动机的重量。而在压气机处采用更多整体叶盘，这同样使零件数目减少、重量减轻。

  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。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。这是第1次将复合材料用于大型发动机机匣。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，可使一架飞机减轻质量363 kg，而且不会被腐蚀、便于维护。另外在风扇与高压压气机中间还有三级增压压气机，用于增加核心机流量。

  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GE90发动机的水平相当，但叶片由新一代的三元流技术设计，增加了喘振裕度。第1、2、5级压气机采用整体叶盘，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。与大多数高涵道比涡扇发动机的一样，GENX发动机高压压气机从第3级起做成双层机匣；外层机匣作为承力机匣，内层机匣作为气流通道的包容环。

  为了恢复发动机性能，一般都会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；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。发动机每工作200～500循环后，视情决定是不是需喷洗。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分钟其他发动机一般需耗时四小时）。GENX发动机是第一种安装内置式喷水装置的发动机。

  从后方看部分拆开的GENX发动机。小图(左)为GENX独特的燃烧室，它采用了设有双环预混旋流器的单环腔燃烧室，提高了燃烧效率。小图(右)为GENX的涡轮，它采用了高、低压涡轮反转设计，提高了效率。

  而在采用双环预混旋流器的单环腔燃烧室中，空气旋流内裹燃烧区，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。采用这样独特的设计后，油-气混合气燃烧完全， GENX发动机燃烧室的排污值远低于民航环保标准值。

  GENX发动机有2级高压涡轮与7级低压涡轮（GENX-2B发动机的为6级）。高压涡轮叶片采用GE公司的第2代三元流技术设计，并使用先进的冷却技术设和最新的耐高温材料，使冷却用空气量减少、寿命延长。低压涡轮叶片采用“特高升力”设计，且用三元流技术对端壁的形状进行设计，使叶片数减少，效率提高约0.34%。

  高、低压涡轮的转向相反这种设计源于军用发动机。F119发动机首先采用了对转设计（中国的太行大推力加力式涡扇发动机也采用了高低压转子对转技术）；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、中压涡轮对转)。GENX发动机也采用了这种反转设计，减少了零件数，提高了效率。

  GENX发动机通过GE公司长期的技术积累和采用众多创新技术，成为了商用大涵道比涡扇发动机中最先进的型号之一。目前，民航装备的商用大涵道比涡扇发动机已经被美国的GE和普惠以及英国的罗罗公司所把持。相对于其他航空发达国家基本只具备推力在15吨以下大涵道比涡扇发动机研制能力，这三个巨头已经垄断了推力在30-50吨的超大推力涡扇发动机市场，可见其中的技术鸿沟有多么难以跨越。

  近年来中国发动机行业在预研、技术验证和型号研制等方面都发展较快。不过由于起步较晚，在大涵道比涡扇发动机方面，中国现在还没有自己的发动机型号。目前仍然还只处于仿制伊尔76运输机用D30发动机阶段，而这一发动机推力指标只在120-130千牛级，与GENX发动机的推力差距很大。而且随技术的飞跃发展，国内市场需求的逐步的提升(特别是大型运输机计划的提出)和国际市场之间的竞争的日趋激烈对中国发动机行业提出了严峻的挑战。