一文领略GE9X 发动机的核心技术与发展

以下文章来源于工业燃气轮机技术 ,作者燃机狂魔

根据GE航空,GE9X是世界上最大、最强大的商用飞机发动机,它融合了GE在过去十年中开发的最先进的技术,使其成为同类产品中最省油的发动机,同时还提强大的性能。GE9X是波音777X系列唯一配备的发动机。本期,3D科学谷就与谷友们共同领略这一“史上最强”商用飞机发动机的技术与发展。

Video Cover_GE9XGE9X 发动机©GE Aviation

六项核心新技术

block 设计参数

  • 布置形式: 双转子,1-3-11-2-6
  • 涵道比: 9.9:1
  • 总压比: 60
  • 推重比: 5.2
  • 风扇直径3.4m,与波音737的机身大致相同,16个风扇叶片全部采用第四代碳纤维复合材料。

ge9x-1©GE Aviation

2019年7月,吉尼斯世界纪录宣布GE航空的GE9X发动机为世界上推力最强大的喷气发动机,推力最大能达到60.8吨。

boeing_GE9Xblock GE9X 零部件制造商

  • 法国赛峰股份公司-风扇机匣,低压压气机
  • 日本IHI公司-低压涡轮和风扇轴
  • 德国MTU-涡轮中框架

GE9X_2来源:工业燃气轮机技术

block 采用了哪些新技术?

l 3D打印零部件

GE最早采用增材制造技术的零件是从GE90发动机开始,3D打印多年来一直在发动机的发展中发挥关键作用。3D打印使工程师能够制造具有传统制造方法无法实现的几何形状的零件。

Whitepaper_Aerospace Engine_323D打印与航空发动机白皮书2.0》© 3D科学谷

GE9X配备了304个3D打印零件,总共涵盖了七大类型,其中包括能精确地让燃料和空气的混合物进入燃烧室的燃油喷嘴、低压涡轮叶片和热交换器。另一个是导流器,它能让发动机排出吸入的灰尘、沙子和其他碎片,延长发动机的使用寿命。

l CMC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。

GE-TEST 来源:工业燃气轮机技术

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。

GE9X_3

来源:工业燃气轮机技术

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。

GE9X_4来源:工业燃气轮机技术

l 整体叶盘

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

GE9X_5来源:工业燃气轮机技术

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。

GE9X_6来源:工业燃气轮机技术

l  11级高压压气机

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。

GE9X_7来源:工业燃气轮机技术

l  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。

GE9X_8 GE9X_9来源:工业燃气轮机技术

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)风扇和增压级旋转得更快,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。

l  第三代双环形预旋流(TAPS)燃烧器 

GE9X 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。

GE9X_10来源:工业燃气轮机技术

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。

航空发动机零部件增材制造应用发展的更多信息,敬请前往3D打印助力动力装备发展报告3D打印与航空发动机白皮书2.0里程碑!拥有300多个3D打印零件的GE9X 发动机获得FAA认证两年6万个叶片!看GE扩充到35台3D打印设备的运转逻辑

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