推力58噸！全球最大雙發寬體機波音777“御用”發動機簡介

陳光/文

20世紀90年代中，新發展的大型客機僅有兩型，即A330與777，A330釆用的發動機為PW4168（即風扇直徑為2.54米的PW4000）、CF6-80E1與遄達700,推力範圍為280-320kN；777採用的發動機為PW4084（即風扇直徑為2387毫米的PW4000）、GE90（圖8）與遄達800，推力範圍為331-435kN。

圖8、GE90

在這一代發動機中，涵道比提高到6:1-8:1，總壓比增加較大達到34:1-40:1，因此耗油率比上一代有明顯降低。表3列出了20世紀90年代的幾種代表機型的主要參數。

表3、20世紀90年代主要發動機的參數

在這一代發動機中，一型發動機只用於一型飛機，而一型飛機能選用三家航空發動機公司的發動機。在這6型發動機中，用於A330的三型發動機其結構與性能基本同於80年代的發動機水平，而777用的發動機則有較大的提高。

777是美國波音公司於1990年初提出、計劃於1995年中投入運營的大型雙通道、雙發動機客機，是波音公司在20世紀推出的最後一個機型，是第1種無圖紙的飛機，也是一個冒極大技術風險的產品，它在大型旅客機的發展中登上了一個新的、具有歷史意義的臺階。

圖9、兩種空心寬弦風扇葉片

777的研製目的是要在投入運營之初，就具有雙發客機開通只能由3發與4發客機飛行的任意航線的能力（截至上世紀90年代初，還沒有任何一種雙發客機在使用初期具有這種能力）。它有兩個型號：-200型，航程為7700千米，載客量為364座，起飛總重233.6噸；-300型，航程為12230千米，載客量為298座起飛總重267.6噸。

777的研發對發動機提出了兩個極大的挑戰，即要求發展推力極大與可靠性極高的發動機。

圖10、常規與彎曲靜葉比較

據統計，現有雙發客機中，發動機總推力與起飛總重之比約為1.4～1.7kN／t，如按最小比值計，兩型777客機的發動機至少應分別提供327kN與375kN推力，而當時(1990年）已投入使用的發動機中，最大的推力約為270kN。另外，根據統計分析，一種客機投入運營後，起飛總重將不斷增加，運營10年後，飛機的起飛總重往往會加大25％左右，屆時，飛機所用的發動機推力也應增加20％～30％。由此可以看出，777需要的是一種推力至少為327kN並可增大到400kN或更大的特大型發動機。因此，研製出推力特大的發動機，是777對發動機行業提出的第一個苛刻挑戰。

圖11、鑽斜孔的鑄造火焰筒

777要在投入運營之初就能像3，4發客機一樣具有能開通世界上任意航線的能力，這就要求在飛機投入運營之時，就取得適航當局的180分鐘雙發客機延程飛行即180ETOPS（Extended-range Twin Engine Operations）的批准，這又是對發動機行業提出的另一個極為苛刻的挑戰。因為要取得180ETOPS的批准是比較難的，適航當局從保證飛機飛行安全出發，作了許多嚴格的規定，其中對發動機的規定是：120ETOPS：發動機累計工作時間超過25萬小時，空中停車率低於每千小時0.05次。

180ETOPS：獲准120，ETOPS後已工作1年，空中停車率低於每千小時0.02次。例如裝PW4152的A300於1987年6月投入運營，歷時四年三個月後，在1991年9月才獲得 180ETOPS批准。而777要在投入運營之初即獲得180，ETOPS批准，即要越過以往需費力越過的兩個大臺階一蹴而成，即要求所研製的發動機有極高的可靠性，可以想象到它的難度有多大。

圖12 複合傾斜的高壓渦輪導向葉片

三大發動機公司迎難而上，為777研製了三型發動機，即普惠的PW4084、羅羅的遄達800與GE的GE90，前兩型是在原有性能較好的發後動機基礎上，改進衍生髮展的。採用衍生髮展新發動機雖能減少技術風險，縮短研製週期，但繼續增加推力的潛力受到限制，例如用於777的PW4084是在用於A330的PW4164基礎上衍生髮展的，其初始推力為373.6kN，其最後型號的推力為435.9kN, 其推力只增加了16%。GE90則採用了全新設計的方法來研製的。全新設計的發展途徑是根據既滿足飛機目前所要求的推力，同時又考慮到今後發展需要增大推力兩方面的要求，不受原有發動機的約束，從循環參數的選擇到部件結構設計以及總體結構佈局均以滿足設計目標而走的一種較優化的研製途徑，但研製中困難較大，週期也稍長。因此GE90性能及發展潛力均較好（它最後的型號-115B推力為初始型號的1.5倍），尺寸也最大，它的風扇葉尖直徑為3.124米，比用於747的發動機大0.7mim左右。

圖13正交的低壓渦輪工作葉片

為了獲得極高的可靠性，用於777的發動機除了採用各種新技術精心設計外，還做了大量超出適航條例規定的試驗，包括：1. 裝有全套外部管路與附件的全臺發動機在大型振動臺上進行振動試驗。2. 航線耐久性循環試驗，包括兩部分：⑴ 99次耐久循環試驗，每循環30分鐘，其中最大連續狀態持續15分鐘，目的是在室內加重外場使用條件，考驗燃燒室、高壓渦輪葉片的抗氧化能力；⑵一次107諧振循環試都驗（8h），將地面慢車到起飛狀態分成若干個轉速段，由低速到高速及由高速到低速，在每個轉速段停留107循環，以考核零件的抗振性能。3. ETOPS 3000次循環試驗。4.1000次循環的ETOPS飛行試驗。

通過波音公司與三大發動機公司的共同努力，經過5年的奮戰，777按計劃於1995年6月交付航空公司，而且實現了能飛任何航線的能力，這也為在21世紀發展的雙發客機，樹立了榜樣，全都努力做到了首飛時獲得180ETOPS的批准。

777三型發動機釆取的新技術，能代表20世紀90年發動機的水平，它們有以下特點：

⑴風扇葉片釆用了不同的方法做成不帶凸肩的寬弦風扇葉片，羅羅發展了它的第二代空心葉片，即用超塑性成形/擴散連接（SPF/DB）的方法做成帶桁架心的夾層空心葉片（圖9中上圖）；普惠採用在葉盆與葉背中心處開縱槽然後焊成一體制成開縱槽的空心葉片（圖9中下圖）。GE公司採用了複合材料來作葉片。在葉身的壓力面上，塗有聚氨脂防腐蝕塗層，葉背上塗有一般的聚氨酯塗層，並將鈦合金薄片用3M＠F191膠粘在葉片前、後緣與葉尖處。在此之後，新研製的大涵道比風扇發動機中的風扇葉片均做成寬弦的。

圖16、 帶掠形的風扇葉片

⑵高壓壓氣機中，GE90採用了高的級增壓比（1.36:1）；後幾級中採用整環的外環，以提高效率；靜子葉片做成沿徑向不是直線形而是彎曲的, 如圖10所示，這種稱之為NSATAR的彎曲設計，能減小上下端壁處的分離區，因此，可減小氣動損失；靜葉不對稱安裝，以降低振動應力等。

⑶燃燒室中採用浮壁式火焰筒與鑽斜孔的鑄造火焰筒等。

⑷渦輪中 高壓渦輪導向葉片做成複合傾斜式的（圖12），低壓渦輪工作葉片做成與氣流成正交，即葉片不是直的（圖13），有的發動機在增壓壓氣機或中壓壓氣機的葉片中也做成這種正交葉片。

另外，刷式封嚴也在發動機中得到應用，不僅用於油封處，也用於氣體封嚴處。