世界上推力最大的發(fā)動(dòng)機(jī)

　　GE90-115B是GE90發(fā)動(dòng)機(jī)系列中最新的改型，該發(fā)動(dòng)機(jī)在取證試驗(yàn)中推力達(dá)570千牛，創(chuàng)建了航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力的世界最高記錄。目前，-115B已完成在空中試車(chē)臺(tái)上的試飛計(jì)劃，并裝在B777-300ER試飛，預(yù)計(jì)很快就將取得FAA和JAA適航合格證，明年投入使用。GE公司計(jì)劃進(jìn)一步進(jìn)行該發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟性試驗(yàn)，以便暴露和修正任何薄弱點(diǎn)

　　波音于1999年啟動(dòng)波音

　　777-300ER/-200LR遠(yuǎn)程型客機(jī)計(jì)劃，GE、普惠和羅-羅公司都提出了發(fā)動(dòng)機(jī)方案參加動(dòng)力競(jìng)爭(zhēng)。最后，GE公司以推力為512千牛的GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)獲勝，成為波音777-300ER/-200LR的唯一動(dòng)力裝置。這件事在當(dāng)時(shí)商用發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)引起了不小的風(fēng)波，一些航空公司持反對(duì)態(tài)度，認(rèn)為波音777-300ER/-200LR的動(dòng)力裝置沒(méi)有選擇余地，將會(huì)影響客戶對(duì)飛機(jī)的興趣，甚至懷疑未來(lái)市場(chǎng)前景。

　　迄今，GE90-115B在早期的地面試驗(yàn)期間推力達(dá)547千牛，后來(lái)又提高到570千牛，成為世界上公認(rèn)的推力最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　據(jù)GE公司稱(chēng)，該發(fā)動(dòng)機(jī)已被列入吉尼斯世界記錄，也是第一種被列入吉尼斯世界記錄的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　改進(jìn)的結(jié)構(gòu)和性能

　　改進(jìn)GE90-115B的性能很大程度上與風(fēng)扇設(shè)計(jì)有關(guān)，因?yàn)椴捎眯嘛L(fēng)扇能為核心機(jī)提供較多的空氣流量。它的主要特點(diǎn)是：風(fēng)扇葉片后掠角增加，風(fēng)扇直徑由原來(lái)的3.12米增加到3.25米，使空氣流量增大;風(fēng)扇葉片的材料和制造工藝與早期GE90的一樣，采用相同的纖維和樹(shù)脂復(fù)合材料制成，以確保葉片具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;風(fēng)扇包容環(huán)由原來(lái)鋁合金改為用鋼制造，而其直徑只增大3.4厘米。

　　由于風(fēng)扇直徑增大，低壓渦輪轉(zhuǎn)矩大大提高，在通常情況下應(yīng)增大風(fēng)扇中軸直徑，但GE公司通過(guò)中軸采用具有特殊化學(xué)成分的新材料GE1014高強(qiáng)度合金鋼解決了這一問(wèn)題，而其中軸直徑不變;為適用增加空氣流量，發(fā)動(dòng)機(jī)上增加了1級(jí)低壓壓氣機(jī)，這也降低了出口燃?xì)鉁囟?。高的空氣流量也?dǎo)致其他結(jié)構(gòu)上的變化，包括重新布局高壓壓氣機(jī)、減少低壓渦輪導(dǎo)向器葉片。

　　先進(jìn)的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)在GE90-94B上獲得成功應(yīng)用后，GE公司將這項(xiàng)技術(shù)也引入到-115B上。三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)在壓氣機(jī)和渦輪上應(yīng)用大大提高了效率，并且有助于降低燃油消耗和出口燃?xì)鉁囟?，采用三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的高壓壓氣機(jī)由原來(lái)的10級(jí)減少到9級(jí)，加寬了由高壓壓氣機(jī)最末級(jí)限定的環(huán)形流路，從而使更多的空氣通過(guò)核心機(jī)，以便有效地控制循環(huán)溫度;高壓渦輪第一級(jí)葉片采用三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，可最大限度地提高葉尖與葉身的效率和提高出口燃?xì)鉁囟仍６?運(yùn)用三維氣動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)的后掠風(fēng)扇葉片使發(fā)動(dòng)機(jī)的推力提高了約9千牛。

　　增大低壓渦輪葉片間的間隙，使低壓渦輪的效率提高和巡航狀態(tài)的油耗降低，同時(shí)減輕重量約70千克。高壓壓氣機(jī)采用整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)。高低壓渦輪在不改變?cè)械臍饬髁髀返那闆r下提高了氣動(dòng)效率。

　　據(jù)GE公司稱(chēng)，這些改進(jìn)從發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作一開(kāi)始就都是低風(fēng)險(xiǎn)的，因?yàn)檫@些技術(shù)都經(jīng)過(guò)試驗(yàn)或使用驗(yàn)證，達(dá)到了成熟階段。

　　超工況狀態(tài)的地面試驗(yàn)

　　2000年年中，-115B的大部分關(guān)鍵部件的試驗(yàn)已完成。2001年11月16日，GE公司進(jìn)行-115B的首次臺(tái)架試驗(yàn)，三天后，也就是11月19日再次進(jìn)行-115B臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，其推力就達(dá)到547千牛，成為世界上推力最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。在早期的地面試驗(yàn)期間，為測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)推力、性能、側(cè)風(fēng)能力和風(fēng)扇葉片應(yīng)力，-115B進(jìn)行了150小時(shí)試驗(yàn)。結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

　　-115B的取證計(jì)劃采用了8臺(tái)試驗(yàn)發(fā)動(dòng),其中5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)用于進(jìn)行耐久性試驗(yàn)和其他試驗(yàn)，如性能試驗(yàn)、風(fēng)扇/壓氣機(jī)應(yīng)力試驗(yàn)、側(cè)風(fēng)試驗(yàn)、結(jié)冰試驗(yàn)、冰雹和可操縱性試驗(yàn)。其他3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)用于進(jìn)行運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)備工作、排放物測(cè)量、鳥(niǎo)撞試驗(yàn)、葉片脫開(kāi)試驗(yàn)、吞水試驗(yàn)、聲學(xué)試驗(yàn)和高壓壓氣機(jī)與渦輪的應(yīng)力校準(zhǔn)。其中吞水試驗(yàn)包括30秒鐘泵入4170升水到發(fā)動(dòng)機(jī)中。

　　2003年2月，-115B在GE公司位于俄亥俄州的皮布爾斯附近的GE公司的外場(chǎng)綜合試驗(yàn)基地的設(shè)備上進(jìn)行最后的發(fā)動(dòng)機(jī)取證試驗(yàn)中推力達(dá)570千牛，這是該發(fā)動(dòng)機(jī)第二次創(chuàng)建的高推力記錄。這一新的推力記錄是在完成FAA要求的150小時(shí)試驗(yàn)時(shí)創(chuàng)建的。這一試驗(yàn)期間該發(fā)動(dòng)機(jī)在紅線狀況(最大風(fēng)扇與最大核心機(jī)轉(zhuǎn)速和最大出口燃?xì)鉁囟?下運(yùn)行了約60小時(shí)，以便在它的工作極限下評(píng)審發(fā)動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)這項(xiàng)試驗(yàn)是為了在發(fā)動(dòng)機(jī)的最大工作狀態(tài)下驗(yàn)證它的能力。

　　原計(jì)劃-115B在2002年取得適航合格證，但該發(fā)動(dòng)機(jī)在紅線溫度試驗(yàn)時(shí)第1級(jí)高壓渦輪發(fā)現(xiàn)了熱應(yīng)力痕跡，因此，取證計(jì)劃推遲。據(jù)GE公司稱(chēng)，在試驗(yàn)約35小時(shí)后孔探儀檢查時(shí)就發(fā)現(xiàn)了這一故障。通過(guò)改善冷卻，試驗(yàn)工作很快得到恢愎。GE90計(jì)劃總經(jīng)理說(shuō)，實(shí)際上發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)在這種狀況下工作。

　　嚴(yán)之又嚴(yán)的試飛計(jì)劃

　　為獲得高空狀態(tài)的飛行數(shù)據(jù)，2002年9月18日，一臺(tái)-115B裝在波音747空中試車(chē)臺(tái)左側(cè)位置成功地完成首飛。

　　在2小時(shí)30分鐘的首飛中，為測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行性能，而進(jìn)行了幾次油門(mén)桿調(diào)節(jié)和性能評(píng)審。這是30次試飛總計(jì)為150小時(shí)試飛計(jì)劃的第一次試驗(yàn)。但實(shí)際上該發(fā)動(dòng)機(jī)在空中試車(chē)臺(tái)上的試飛進(jìn)行了48次，達(dá)217小時(shí)，大大超過(guò)了原計(jì)劃。

　　在747空中試車(chē)臺(tái)上的試飛目的是驗(yàn)證-115B的全面的高空能力和排除任何未預(yù)計(jì)的故障或未探測(cè)的控制問(wèn)題。試飛的主要內(nèi)容有：在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)下對(duì)耗油率和出口燃?xì)鉁囟冗M(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，包括從起飛、爬升到巡航的所有推力狀態(tài);發(fā)動(dòng)機(jī)的可操縱性試驗(yàn)，這一試驗(yàn)中出現(xiàn)了外部損壞等故障，但發(fā)動(dòng)機(jī)未出現(xiàn)喘振問(wèn)題;對(duì)第三代FADEC軟件、可調(diào)放氣活門(mén)、導(dǎo)向器葉片和主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)調(diào)節(jié);對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的高空性能、空中起動(dòng)、飛行瞬態(tài)狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估;測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)的FADEC的性能、機(jī)動(dòng)飛行期間的加速時(shí)間與性能。此外，在-115B的一次試飛中，在11900米高度上成功地進(jìn)行了一次空中起動(dòng)，這是GE公司自研制J79發(fā)動(dòng)機(jī)以來(lái)首次進(jìn)行這樣的起動(dòng)，在商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研制中也是首次進(jìn)行這樣的試驗(yàn)。據(jù)GE公司負(fù)責(zé)飛行工作的工程經(jīng)理說(shuō)：“這是一項(xiàng)最嚴(yán)格的試驗(yàn)計(jì)劃，在波音777首飛前，我們獲得了支持波音公司的飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)FAR25取證計(jì)劃的有價(jià)值的數(shù)據(jù)。”

　　為滿足高推力要求，GE公司對(duì)747試車(chē)臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改裝，安裝了一新的進(jìn)氣道和風(fēng)扇整流罩以適應(yīng)大的風(fēng)扇直徑，對(duì)波音提供的反推力裝置也進(jìn)行了改裝。

　　2003年2月24日，2臺(tái)-115B裝在B777-300ER飛機(jī)上首飛成功。在3小時(shí)飛行中，飛行速度為M 0.5和飛行高度為5472米。首飛時(shí)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)空中點(diǎn)火試驗(yàn)，結(jié)果表明該發(fā)動(dòng)機(jī)的推力性能與標(biāo)準(zhǔn)B777-300飛機(jī)的沒(méi)有差別。由于新增了發(fā)動(dòng)機(jī)的一些試驗(yàn)項(xiàng)目，因此，B777-300ER的首飛試驗(yàn)推遲。但波音公司說(shuō)，按目前的進(jìn)度完全可滿足飛機(jī)今年第四季度的取證目標(biāo)要求。

　　第二架B777-300ER試驗(yàn)飛機(jī)在4月初開(kāi)始飛行試驗(yàn)。預(yù)計(jì)，總的飛行試驗(yàn)時(shí)數(shù)將達(dá)到1600小時(shí)，其中包括220小時(shí)的雙發(fā)加程試飛。

　　排除薄弱點(diǎn)的成熟性試驗(yàn)

　　今年末美國(guó)FAA將出臺(tái)進(jìn)一步延長(zhǎng)現(xiàn)有180分鐘ETOPS(雙發(fā)延程飛行)的新規(guī)定草案。人們普遍認(rèn)為可能從現(xiàn)有180分鐘ETOPS將延長(zhǎng)到300分鐘或更長(zhǎng)。例如，如果延長(zhǎng)到330分鐘，則像波音777這樣的雙發(fā)客機(jī)可以飛現(xiàn)有3發(fā)或4發(fā)飛機(jī)飛行的任何航線。

　　關(guān)于180分鐘ETOPS對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的要求是在1000小時(shí)飛行中的空中停車(chē)率不超過(guò)0.020，而使用中的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)的為0.006。在過(guò)去5年里，GE90的空中停車(chē)率保持在0～0.010，GE公司的目標(biāo)是使GE90的空中停車(chē)率為零，這樣可滿足任何新的ETOPS要求。為減少無(wú)計(jì)劃更換和驗(yàn)證-115B能否滿足新的ETOPS要求，GE公司即將用-115B進(jìn)行一系列廣泛的旨在暴露和修正新發(fā)動(dòng)機(jī)任何薄弱點(diǎn)的成熟性試驗(yàn)。這些試驗(yàn)將是十分嚴(yán)格的，而且將涉及一些以前從未試驗(yàn)的內(nèi)容。

　　另外，GE公司還計(jì)劃進(jìn)行超范圍檢查，以便盡可能地識(shí)別可能存在的故障和耐久性問(wèn)題，避免一旦新發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用后出現(xiàn)故障和無(wú)計(jì)劃更換。GE公司還在為它的整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系列考慮加長(zhǎng)的ETOPS設(shè)計(jì)和試驗(yàn)準(zhǔn)則，并將從-115B計(jì)劃中取得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到所有計(jì)劃中。

　　在-115B發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟性試驗(yàn)中將用3臺(tái)研制用發(fā)動(dòng)機(jī)和5臺(tái)飛行試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)(包括一臺(tái)飛行試驗(yàn)備用發(fā)動(dòng)機(jī))，預(yù)計(jì)這項(xiàng)試驗(yàn)將在2006年末結(jié)束。此外，5臺(tái)飛行試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)中有2臺(tái)將在試驗(yàn)后進(jìn)行分解，以便對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行磨損鑒定。

　　用于進(jìn)行成熟性試驗(yàn)的第一臺(tái)地面試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的編號(hào)為906-001，這臺(tái)裝有波音公司制造的安裝裝置(EBU)的發(fā)動(dòng)機(jī)于今年6月開(kāi)始在法國(guó)斯奈克瑪公司進(jìn)行若干試驗(yàn)，累計(jì)達(dá)13000多循環(huán)，相當(dāng)于在典型航線上使用15～20年。為反應(yīng)實(shí)際的航線環(huán)境，在該發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)期間將采用標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)間維修和有關(guān)設(shè)備。

　　為加大發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)強(qiáng)度，3臺(tái)研制用發(fā)動(dòng)機(jī)將在高低壓部分處于高度不平衡狀態(tài)下試驗(yàn)，這樣可使發(fā)動(dòng)機(jī)承受大的振動(dòng)負(fù)荷。GE公司將在不同范圍內(nèi)進(jìn)行906-001發(fā)動(dòng)機(jī)的5階段試驗(yàn)，包括模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在使用中經(jīng)歷的典型循環(huán)增加和維修計(jì)劃。第一階段試驗(yàn)將使發(fā)動(dòng)機(jī)在維修前通過(guò)3000循環(huán)試驗(yàn)，第二階段進(jìn)行2750循環(huán)試驗(yàn)，后三階段是在計(jì)劃維修前每階段試驗(yàn)2500循環(huán)。這些循環(huán)反應(yīng)了航空公司是如何使用發(fā)動(dòng)機(jī)和如何按計(jì)劃進(jìn)行維修的。每次維修期間要檢查的單元體也與航空公司實(shí)際按計(jì)劃維修時(shí)要檢查的內(nèi)容相同。如在首次維修期間將對(duì)燃燒室和高壓渦輪進(jìn)行仔細(xì)檢查，而在下次維修期間還將對(duì)燃燒室、高壓渦輪和高壓壓氣機(jī)給予足夠的重視。第三次計(jì)劃維修時(shí)將重點(diǎn)放在發(fā)動(dòng)機(jī)的高低壓渦輪、燃燒室和增壓級(jí)部分。第四次維修的重點(diǎn)與第二次的相同。第五次和最后的維修將與首次維修重點(diǎn)相同。據(jù)稱(chēng)，由于燃燒室和高壓渦輪是使發(fā)動(dòng)機(jī)從飛機(jī)上拆換的主要部件，因此，在每次維修期間這兩個(gè)部件都要重點(diǎn)檢查。

　　用于成熟性試驗(yàn)的第二臺(tái)地面試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是906-003。該發(fā)動(dòng)機(jī)將在今年夏天在GE公司的試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)始試驗(yàn)，并進(jìn)行3000小時(shí)ETOPS試驗(yàn)，預(yù)計(jì)在今年第三季度末結(jié)束。

　　為進(jìn)行評(píng)審，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝有EBU，并安裝可使用的反推力裝置。該發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后的檢查比-001要嚴(yán)格。-003發(fā)動(dòng)機(jī)在完成3000循環(huán)試驗(yàn)和評(píng)審后，將安裝部分EBU，并在2004年3月末或4月初恢復(fù)試驗(yàn)。在第二輪3000循環(huán)試驗(yàn)中，工程技術(shù)人員在增加熱負(fù)荷情況下評(píng)審該發(fā)動(dòng)機(jī)的外部部件。在這項(xiàng)試驗(yàn)中將保持內(nèi)部不平衡狀態(tài)，并有意提高發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩下的溫度。這樣導(dǎo)致的工作環(huán)境與取證時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)外部部件溫度極限相一致。在這一試驗(yàn)中要鑒定的系統(tǒng)包括安裝發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱部件、燃油泵和高壓渦輪主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)活門(mén)。

　　第三臺(tái)用于成熟性計(jì)劃的地面試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是906-006。按計(jì)劃將進(jìn)行10500循環(huán)試驗(yàn)。它的結(jié)構(gòu)將具有更大的不平衡性，并將采用部分EBU。試驗(yàn)的主要目的是考查和分析發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件。試驗(yàn)分三階段進(jìn)行，第一階段將在今年9月初開(kāi)始，總計(jì)試驗(yàn)3000循環(huán)，第二階段試驗(yàn)3500循環(huán)，第三階段試驗(yàn)4000循環(huán)。

　　波音777-200LR的客戶將使用起飛推力為490千牛的GE90，而波音777-300ER的客戶將使用起飛推力為512千牛的GE90-115B。兩種不同推力級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究都將在-006發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)試驗(yàn)中進(jìn)行。-006發(fā)動(dòng)機(jī)在何處試驗(yàn)現(xiàn)仍在討論中，可能在GE公司也可能在GE90的另一合作伙伴日本石川島播磨重工公司進(jìn)行。

　　除了進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)外，GE和波音公司認(rèn)為實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷對(duì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)計(jì)劃更換也非常重要。如果航空公司能從飛機(jī)上獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)部件性能(如溫度和振動(dòng)水平)的變化，他們就能獲得即將發(fā)生故障的信息，使公司及時(shí)進(jìn)行維修，以避免無(wú)計(jì)劃故障的出現(xiàn)。加長(zhǎng)ETOPS試驗(yàn)和飛行期間能提供監(jiān)控與診斷服務(wù)的結(jié)合是制訂可靠性與耐久性標(biāo)準(zhǔn)的最好途徑。

　　-115B在2003年1月31日完成FAA的FAR33取證試驗(yàn)，預(yù)計(jì)很快就會(huì)取得正式的適航合格證。按進(jìn)度，裝-115B的波音777-300ER將在2004年交付使用。