背景:
波音计划研制777X客机,需要配推力100,000lbf(45.4吨)发动机,罗罗给出了Trent8115发动机,GE给出了GE9X,之后,GE直径向波音注资5亿美元用于777X研制,换取了发动机供应商的独家权。目前GE 已生产了八架777X所需的GE9X发动机和两台备用发动机。
2. 使用CMC(ceramic matrix composites)陶瓷基复合材料
人类已经使用陶瓷生活了25,000年。我们一直在将它们用于杯子,烟斗,陶器和许多其他方便的日常用品。但是,众所周知陶瓷材料有一个致命的缺陷,所以陶瓷被限制在橱柜内。GE公司从1990年开始,探索将陶瓷和有韧性的金属结合在一起,也就是下边的CMC。
CMC由碳化硅陶瓷纤维和陶瓷树脂制成,通过高度复杂的工艺制造,并通过专有涂层进一步增强。CMC组件重量超轻,只有金属密度的三分之一,因此减轻了重量,提高了燃油效率。
下图是GE团队做的试验,用一个钢球以150m/h的速度撞击CMC板。
一级高压涡轮罩环,一级和二级高压涡轮机喷嘴以及火焰筒内外衬层均由CMC制成,其工作温度比镍合金高500°F(260°C),并且具有一定的冷却能力,使得冷却空气减小20%,从而提高了整体发动机效率。是世界上第一次不用镍基合金而用非金属CMC制成火焰筒的发动机。毫无疑问,GE9X是世界上使用CMC零件最多的发动机。
静子部件采用陶瓷复合材料只是开始,前不久,GE工程师首次成功地测试了由CMC制成的涡轮旋转部件,并取得了重要的突破。
3. 高压压气机前6级采用整体叶盘并焊接在一起,以起到减轻重要,提高稳定性的作用,是目前为止整体叶盘级数最多的压气机。
轮盘和叶片结合为单个零件,这样省去了将叶片固定在盘上的需要螺钉,螺栓等,从而减少了压气机机中的零件数量,同时减少了阻力并提高了发动机中的空气压缩效率。由于没有传统燕尾榫头榫槽结构,避免了由于榫槽榫头长期摩擦产生疲劳裂纹的可能,一定程度上提高了发动机的可靠性和寿命。
4. 11级高压压气机压比高达27,是涡扇发动机中增压比最高的,压气机出口温度也提高不少,因此高压压气机后几级盘采用第四代粉末冶金材料R104,高压涡轮盘用的也是这种材料。
5.采用第4代碳纤维风扇叶片
自从GE为GEnx发动机设计了新的复合材料风扇叶片以来,已经有十年了。碳纤维复合材料在这十年中已经取得了进步,这些进步使GE工程师能够设计出更薄的GE9X叶片,与我们目前的复合风扇叶片一样坚固。更少,更薄的叶片将增强气流并减轻重量。效率更高的风扇,这将有助于GE9X发动机的整体性能和燃油消耗。
新材料采用了更高硬度的碳纤维和新的环氧树脂。前缘材料也将从钛改为钢合金,以进一步增强叶片的强度。
GE9X风扇叶片数量减少至16片,这使发动机更轻,并使低压(LP)风扇和增压机旋转得更快,从而使其转速与低压涡轮更好地匹配。风扇叶片具有钢制前缘和玻璃纤维后缘,与碳纤维相比,具有更大的柔韧性,可以更好地吸收鸟的撞击。
6.使用第三代双环形预旋流(TAPS)燃烧器代替以前的双环形燃烧器
GE9X TAPS III燃烧器是独特的第三代燃烧系统,与传统燃烧系统相比,燃烧前可以将空气和燃料进行预混合,燃烧更轻松,排放更少。
为了设计世界一流的低排放燃烧室,GE工程师成功地使燃烧系统与GE9X的27:1压力比相匹配,这是所有GE发动机中最高的压力比。GE9X团队利用了新技术和新材料,这些新技术和新材料需要更少的冷却空气,同时允许更多的空气进入混合器。混合器中的额外空气通过产生更稀薄的燃烧帮助减少排放,这将使GE9X的CAx / 8 NOx标准具有30%的余量。
制造过程
1.装配:
3.GE9X首次飞行试验。
对于GE9X的挑战:
一方面,GE将需要降低生产成本,因为新发动机最初通常是亏本生产。此外,新冠病毒使航空旅行需求受到抑制,几乎所有航空公司都大幅削减了飞机购买量。由于对长途航线的需求疲软,像777X这样的大型宽体喷气式飞机尤其不受欢迎。
来源: 工业燃气轮机技术
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