世界上推力最大的发动机

　　GE90-115B是GE90发动机系列中最新的改型，该发动机在取证试验中推力达570千牛，创建了航空发动机推力的世界最高记录。目前，-115B已完成在空中试车台上的试飞计划，并装在B777-300ER试飞，预计很快就将取得FAA和JAA适航合格证，明年投入使用。GE公司计划进一步进行该发动机的成熟性试验，以便暴露和修正任何薄弱点

　　波音于1999年启动波音

　　777-300ER/-200LR远程型客机计划，GE、普惠和罗-罗公司都提出了发动机方案参加动力竞争。最后，GE公司以推力为512千牛的GE90-115B发动机获胜，成为波音777-300ER/-200LR的唯一动力装置。这件事在当时商用发动机市场引起了不小的风波，一些航空公司持反对态度，认为波音777-300ER/-200LR的动力装置没有选择余地，将会影响客户对飞机的兴趣，甚至怀疑未来市场前景。

　　迄今，GE90-115B在早期的地面试验期间推力达547千牛，后来又提高到570千牛，成为世界上公认的推力最大的航空发动机。

　　据GE公司称，该发动机已被列入吉尼斯世界记录，也是第一种被列入吉尼斯世界记录的航空发动机。

　　改进的结构和性能

　　改进GE90-115B的性能很大程度上与风扇设计有关，因为采用新风扇能为核心机提供较多的空气流量。它的主要特点是：风扇叶片后掠角增加，风扇直径由原来的3.12米增加到3.25米，使空气流量增大;风扇叶片的材料和制造工艺与早期GE90的一样，采用相同的纤维和树脂复合材料制成，以确保叶片具有良好的结构强度;风扇包容环由原来铝合金改为用钢制造，而其直径只增大3.4厘米。

　　由于风扇直径增大，低压涡轮转矩大大提高，在通常情况下应增大风扇中轴直径，但GE公司通过中轴采用具有特殊化学成分的新材料GE1014高强度合金钢解决了这一问题，而其中轴直径不变;为适用增加空气流量，发动机上增加了1级低压压气机，这也降低了出口燃气温度。高的空气流量也导致其他结构上的变化，包括重新布局高压压气机、减少低压涡轮导向器叶片。

　　先进的三维气动设计技术在GE90-94B上获得成功应用后，GE公司将这项技术也引入到-115B上。三维气动设计技术在压气机和涡轮上应用大大提高了效率，并且有助于降低燃油消耗和出口燃气温度，采用三维气动设计技术的高压压气机由原来的10级减少到9级，加宽了由高压压气机最末级限定的环形流路，从而使更多的空气通过核心机，以便有效地控制循环温度;高压涡轮第一级叶片采用三维气动设计，可最大限度地提高叶尖与叶身的效率和提高出口燃气温度裕度;运用三维气动技术设计的后掠风扇叶片使发动机的推力提高了约9千牛。

　　增大低压涡轮叶片间的间隙，使低压涡轮的效率提高和巡航状态的油耗降低，同时减轻重量约70千克。高压压气机采用整体叶盘结构。高低压涡轮在不改变原有的气流流路的情况下提高了气动效率。

　　据GE公司称，这些改进从发动机设计工作一开始就都是低风险的，因为这些技术都经过试验或使用验证，达到了成熟阶段。

　　超工况状态的地面试验

　　2000年年中，-115B的大部分关键部件的试验已完成。2001年11月16日，GE公司进行-115B的首次台架试验，三天后，也就是11月19日再次进行-115B台架试验时，其推力就达到547千牛，成为世界上推力最大的航空发动机。在早期的地面试验期间，为测量发动机推力、性能、侧风能力和风扇叶片应力，-115B进行了150小时试验。结果表明发动机达到了设计要求。

　　-115B的取证计划采用了8台试验发动,其中5台发动机用于进行耐久性试验和其他试验，如性能试验、风扇/压气机应力试验、侧风试验、结冰试验、冰雹和可操纵性试验。其他3台发动机用于进行运营准备工作、排放物测量、鸟撞试验、叶片脱开试验、吞水试验、声学试验和高压压气机与涡轮的应力校准。其中吞水试验包括30秒钟泵入4170升水到发动机中。

　　2003年2月，-115B在GE公司位于俄亥俄州的皮布尔斯附近的GE公司的外场综合试验基地的设备上进行最后的发动机取证试验中推力达570千牛，这是该发动机第二次创建的高推力记录。这一新的推力记录是在完成FAA要求的150小时试验时创建的。这一试验期间该发动机在红线状况(最大风扇与最大核心机转速和最大出口燃气温度)下运行了约60小时，以便在它的工作极限下评审发动机。设计这项试验是为了在发动机的最大工作状态下验证它的能力。

　　原计划-115B在2002年取得适航合格证，但该发动机在红线温度试验时第1级高压涡轮发现了热应力痕迹，因此，取证计划推迟。据GE公司称，在试验约35小时后孔探仪检查时就发现了这一故障。通过改善冷却，试验工作很快得到恢愎。GE90计划总经理说，实际上发动机不会在这种状况下工作。

　　严之又严的试飞计划

　　为获得高空状态的飞行数据，2002年9月18日，一台-115B装在波音747空中试车台左侧位置成功地完成首飞。

　　在2小时30分钟的首飞中，为测量发动机的飞行性能，而进行了几次油门杆调节和性能评审。这是30次试飞总计为150小时试飞计划的第一次试验。但实际上该发动机在空中试车台上的试飞进行了48次，达217小时，大大超过了原计划。

　　在747空中试车台上的试飞目的是验证-115B的全面的高空能力和排除任何未预计的故障或未探测的控制问题。试飞的主要内容有：在稳态和瞬态下对耗油率和出口燃气温度进行试验验证，包括从起飞、爬升到巡航的所有推力状态;发动机的可操纵性试验，这一试验中出现了外部损坏等故障，但发动机未出现喘振问题;对第三代FADEC软件、可调放气活门、导向器叶片和主动间隙控制系统进行了实时调节;对发动机的高空性能、空中起动、飞行瞬态状态进行了评估;测量了发动机的FADEC的性能、机动飞行期间的加速时间与性能。此外，在-115B的一次试飞中，在11900米高度上成功地进行了一次空中起动，这是GE公司自研制J79发动机以来首次进行这样的起动，在商用飞机发动机研制中也是首次进行这样的试验。据GE公司负责飞行工作的工程经理说：“这是一项最严格的试验计划，在波音777首飞前，我们获得了支持波音公司的飞机/发动机FAR25取证计划的有价值的数据。”

　　为满足高推力要求，GE公司对747试车台进行了结构改装，安装了一新的进气道和风扇整流罩以适应大的风扇直径，对波音提供的反推力装置也进行了改装。

　　2003年2月24日，2台-115B装在B777-300ER飞机上首飞成功。在3小时飞行中，飞行速度为M 0.5和飞行高度为5472米。首飞时进行了发动机空中点火试验，结果表明该发动机的推力性能与标准B777-300飞机的没有差别。由于新增了发动机的一些试验项目，因此，B777-300ER的首飞试验推迟。但波音公司说，按目前的进度完全可满足飞机今年第四季度的取证目标要求。

　　第二架B777-300ER试验飞机在4月初开始飞行试验。预计，总的飞行试验时数将达到1600小时，其中包括220小时的双发加程试飞。

　　排除薄弱点的成熟性试验

　　今年末美国FAA将出台进一步延长现有180分钟ETOPS(双发延程飞行)的新规定草案。人们普遍认为可能从现有180分钟ETOPS将延长到300分钟或更长。例如，如果延长到330分钟，则像波音777这样的双发客机可以飞现有3发或4发飞机飞行的任何航线。

　　关于180分钟ETOPS对现有发动机的要求是在1000小时飞行中的空中停车率不超过0.020，而使用中的GE90发动机的为0.006。在过去5年里，GE90的空中停车率保持在0～0.010，GE公司的目标是使GE90的空中停车率为零，这样可满足任何新的ETOPS要求。为减少无计划更换和验证-115B能否满足新的ETOPS要求，GE公司即将用-115B进行一系列广泛的旨在暴露和修正新发动机任何薄弱点的成熟性试验。这些试验将是十分严格的，而且将涉及一些以前从未试验的内容。

　　另外，GE公司还计划进行超范围检查，以便尽可能地识别可能存在的故障和耐久性问题，避免一旦新发动机投入使用后出现故障和无计划更换。GE公司还在为它的整个发动机系列考虑加长的ETOPS设计和试验准则，并将从-115B计划中取得的经验应用到所有计划中。

　　在-115B发动机的成熟性试验中将用3台研制用发动机和5台飞行试验发动机(包括一台飞行试验备用发动机)，预计这项试验将在2006年末结束。此外，5台飞行试验发动机中有2台将在试验后进行分解，以便对每个部件进行磨损鉴定。

　　用于进行成熟性试验的第一台地面试验发动机的编号为906-001，这台装有波音公司制造的安装装置(EBU)的发动机于今年6月开始在法国斯奈克玛公司进行若干试验，累计达13000多循环，相当于在典型航线上使用15～20年。为反应实际的航线环境，在该发动机的试验期间将采用标准的车间维修和有关设备。

　　为加大发动机的试验强度，3台研制用发动机将在高低压部分处于高度不平衡状态下试验，这样可使发动机承受大的振动负荷。GE公司将在不同范围内进行906-001发动机的5阶段试验，包括模拟发动机在使用中经历的典型循环增加和维修计划。第一阶段试验将使发动机在维修前通过3000循环试验，第二阶段进行2750循环试验，后三阶段是在计划维修前每阶段试验2500循环。这些循环反应了航空公司是如何使用发动机和如何按计划进行维修的。每次维修期间要检查的单元体也与航空公司实际按计划维修时要检查的内容相同。如在首次维修期间将对燃烧室和高压涡轮进行仔细检查，而在下次维修期间还将对燃烧室、高压涡轮和高压压气机给予足够的重视。第三次计划维修时将重点放在发动机的高低压涡轮、燃烧室和增压级部分。第四次维修的重点与第二次的相同。第五次和最后的维修将与首次维修重点相同。据称，由于燃烧室和高压涡轮是使发动机从飞机上拆换的主要部件，因此，在每次维修期间这两个部件都要重点检查。

　　用于成熟性试验的第二台地面试验发动机是906-003。该发动机将在今年夏天在GE公司的试验台上开始试验，并进行3000小时ETOPS试验，预计在今年第三季度末结束。

　　为进行评审，这台发动机装有EBU，并安装可使用的反推力装置。该发动机试验后的检查比-001要严格。-003发动机在完成3000循环试验和评审后，将安装部分EBU，并在2004年3月末或4月初恢复试验。在第二轮3000循环试验中，工程技术人员在增加热负荷情况下评审该发动机的外部部件。在这项试验中将保持内部不平衡状态，并有意提高发动机整流罩下的温度。这样导致的工作环境与取证时发动机外部部件温度极限相一致。在这一试验中要鉴定的系统包括安装发动机齿轮箱部件、燃油泵和高压涡轮主动间隙控制系统活门。

　　第三台用于成熟性计划的地面试验发动机是906-006。按计划将进行10500循环试验。它的结构将具有更大的不平衡性，并将采用部分EBU。试验的主要目的是考查和分析发动机热端部件。试验分三阶段进行，第一阶段将在今年9月初开始，总计试验3000循环，第二阶段试验3500循环，第三阶段试验4000循环。

　　波音777-200LR的客户将使用起飞推力为490千牛的GE90，而波音777-300ER的客户将使用起飞推力为512千牛的GE90-115B。两种不同推力级发动机的研究都将在-006发动机的循环试验中进行。-006发动机在何处试验现仍在讨论中，可能在GE公司也可能在GE90的另一合作伙伴日本石川岛播磨重工公司进行。

　　除了进行严格的试验外，GE和波音公司认为实时状态监控和故障诊断对减少发动机无计划更换也非常重要。如果航空公司能从飞机上获得实时数据和发现部件性能(如温度和振动水平)的变化，他们就能获得即将发生故障的信息，使公司及时进行维修，以避免无计划故障的出现。加长ETOPS试验和飞行期间能提供监控与诊断服务的结合是制订可靠性与耐久性标准的最好途径。

　　-115B在2003年1月31日完成FAA的FAR33取证试验，预计很快就会取得正式的适航合格证。按进度，装-115B的波音777-300ER将在2004年交付使用。