GEnx发动机在材料应用上的创新

为了满足波音787飞机的目标要求，通用电气公司深入挖掘其技术储备来生产GEnx发动机。虽然发动机的结构及其大尺寸复合材料结构的细节早在2004年就已披露，但只是到目前通用电气公司才开始公开其材料方面的创新。
GEnx是由美国通用电气航空发动机公司开发的新一代低噪声、低污染、低成本的涡轮风扇发动机，它是基于成功驱动波音777的GE90发动机的经验开发的，是GE90的衍生型，在此基础上首创在风扇机匣以及风扇叶片上应用复合材 料的先河，并在发动机涡轮材料应用上开展了多项创新。GEnx可代替CF-6的发动机，涵道比9.5:1，推力333.6~358.1kN。GEnx为高 低压对转发动机，有10级高压压气机，4级低压压气机，两级高压涡轮和7级低压涡轮。目前有两种型号，GEnx-2B67，被波音公司选作747-8飞机 的唯一动力装置；GEnx-1B70被波音公司选作787的候选发动机之一，是罗罗公司的遄达1000的对手。
　　从选材来看，GEnx有许多创新值得关注，几年前认为不可行的选材方案目前已变成现实，一些新型材料也在发动机上进行了长时间的试车，以便深入挖掘这些新材料的潜力。
复合材料的广泛应用
　　通用电气公司复合材料技术的第一个成果是，在波音777系列用的GE90发动机风扇叶片上采用有机复合材料，目前则在它的新一代衍 生型发动机上将复合材料的应用推向新的阶段。该公司正在以波音公司在787机翼及机身上广泛使用复合材料的同一理由，用复合材料来代替铝合金。
　　GEnx中的18块长2819mm的风扇叶片比CF-6的铝风扇叶片的重量轻而且噪声小，与GE90相比，GEnx的风扇叶片数从22减到18，又进一步减轻了噪声。GE公司的复合材料风扇叶片技术是从20世纪90年代GE90计划的三维气动模拟发展起来的，随发动机尺寸而变化其大小。图1所示为GE90-94B（波音777-200ER）、GE90-115B（777-300ER）及GEnx（787/A350）风扇叶片的对比。
　　GEnx风扇叶片的开发采用的是GE90-115B的设计方 法，由400层预浸料带制成，从叶根到叶尖铺层逐渐减薄。由于尖锐边缘的复合材料有磨损的趋向，叶片的前缘、叶尖及后缘增包（上）可以更换的钛包覆层。这 种叶片边缘也可以将外物打伤能量分散到风扇复合材料中去。经过10年和650万发动机飞行小时后，GE90只有3次因鸟撞或外物打伤而更换了三块复合材料 叶片。
　　风扇叶片是由GE/斯奈克玛的合资企业CFAN公司制造的。在叶片的燕尾平板上用有特氟隆耐磨垫，它不像金属那样会产生微动磨损，所以不需要更换。
　　波音787用的GEnx-1B的风扇占发动机总重的33%，由于风扇叶片的减重，公司也要求风扇机匣减轻重量。起初想制造强度不太高的单一缠绕式复合材料机匣，目前用的复合材料纤维织物以人字形的模式编织而成，形式类似于鞋带的交叉排列，并在交叉处铺上第3种织物来提高强度。
　　机匣采用7.62毫米厚的三维织物以±60°方式编织，并在边角及弯曲处与二维织物混编在一起。编织采用自动化工艺，织物绕一风扇机匣工具编织成平面状。在中部编织厚层作为风扇叶片的包容层，从而取消了铝合金机匣上用的凯芙拉垫。织物一经铺成，便从机匣外引入树脂。
　　GEnx风扇机匣应用了该公司在波音音速巡航者即787的前身开发时的经验。试验表明复合材料风扇机匣抗外物打伤能力优于铝机匣，并可减重160kg。
　　GEnx的前风扇机匣内有一整体式的降噪衬套，是在Nomex蜂窝芯子上包有玻璃环氧复合材料。GEnx的后风扇机匣仍用铝，不过将来有可能变成用复合材料制造。
　　除了风扇叶片及前风扇机匣外，在增压级出口处的可调放气阀门管道也采用了复合材料，用的是专业化的复合材料编织件及树脂转移模塑技术，每一发动机有一套复合材料管道，重量小于3.63kg.
　　这种由编织与RTM组成的工艺可使纤维应用自动化。编织是一自动化的环形编织过程，将纤维编成复杂形状，不留下导致应力集中的缝。只要有3层连续的编织物即可承受高的内压释放出的热空气。
　　放气活门管道采用RTM模塑工艺，将高温双马树脂注射入编织物、固化，然后取出工件，只需切边及钻孔，然后进行超声C扫描检验。
　　目前，GE公司已选定ATK公司为通用电气公司生产GEnx的风扇机匣，ATK将为波音747-8的GEnx-2B67生产风扇机匣，而787用的GEnx-1B70的风扇机匣将由GKN航空航天公司生产。这两种发动机风扇尺寸不相同，其中GEnx-2B67的直径2.64m，GEnx-1B70为2.82m，后者的风扇可减重160kg。
　　目前正在由GE公司研究中心开发准备以后应用的部位还有风扇叶片缘板、混杂静子叶片以及结构整流罩。
先进新型材料的引入
　　虽然复合材料的广泛应用成为GEnx的突出特点，但更引人注目的突破是钛铝化合物在低压涡轮工作叶片上的应用。虽然γTiAl的应用已在全球探索多年，特别是在美国综合高性能发动机技术（IHPTET）的CAESAR（结构件以及发动机结构评估研究）计划已验证多年，但其应用大多限于军用发动机的防护涂层以及一些离散的零部件。如今TiAl化合物经过在CF6上1500多个循环验证后，现正用于GEnx的第6级及第7级低压涡轮。材料成分为48Al-2Cr-2Nb合金。
　　GE公司正在与奥里贡的精密铸件（PCC）公司及其他材料转包商合作建立供应链。PCC公司已并购了特殊金属公司。
　　目前存在的问题是要建立完整的设计性能数据库，适合于TiAl特性的设计方法以及成本合算的供应链，制定成分及生产规范。目前GE公司已建立了48Al-2Cr-2Nb的数据库，正在被设计师应用。
　　GEnx还将应用的其他金属间化合物有硅化铌（NbSi），它有适中的断裂韧性、优异的疲劳强度，铸造性能好。其密度低，大约为6.6g/cm3。合金成分Nb-25Ti-16Si-8Hf-2Cr-1.9Al（原子）。
　　它在强度等于或大于现有的镍基高性能合 金（如R80）的情况下，可使发动机减重45~135kg。该材料除了可明显减重外，还可减少冷却气流的需要。目前公司已有了第一代NbSi材料，并正在 发动机上进行鉴定。预计到2012年，可能出现NbSi材料制的低压涡轮叶片，2015年将出现更复杂的NbSi高压涡轮叶片。看来，GE公司已把 NbSi看作是镍基高温合金之后的新一代涡轮材料。该公司将把现有的制造基地用作NbSi的铸造以及进行涂层涂覆的场所。
　　目前NbSi存在的问题是在中温及高温下的抗氧化性低及室温塑性差。
　　在GEnx转子中应用的其他先进合金还有镍基高温粉末合金R104，它有高的蠕变强度，特别是轮缘处，在轮缘处的疲劳寿命也比以前的材料可望提高 50%。这种材料也已用在GE公司与NASA及普惠公司合作开发的GP7200发动机中，合金性能的改进主要是采用了速度很慢的等温锻，得到了正确的显微 组织。R104算得上最新、最有实力的一代粉末盘合金，工作温度比上一代高出38℃，即大于704℃。合金的成分为 Co14~23；Cr11~15；Mo2.7~5；W0.5~3；Nb0.25~3；Al2.5；Ti3.6；Ta0.5~4； C0.015~0.1。目前也在研究双性能R104合金盘。
　　GEnx发动机一个设计上的进展是引入了双环预漩器（TAPS）技术，其目的在于降低燃烧室温度从而减少NOx的排放。这里双环是指燃油空气混合器而不是燃烧室，它只有一个燃烧室，由两个环形燃油空气漩流器供应，该漩流器是由钴基合金制成的。GEnx因TAPS的应用而减少30%NOx的排放。
验证试验
　　起初，与GEnx发动机引入风扇机匣、TiAl以及TAPS时，许多用户为此甚表关切，但经过2年半的技术验证成熟性计划后，用户已表现出更大的信心，感到满意。
　　为确保复合材料风扇机匣设计更有效，不致太重，计划用更薄的铺层。正在研究在确保安全条件下，能减薄到何种程度。
　　通用电气公司的另外一个研究重点是陶瓷基复合材料的应用，它已在F136上用了一种陶瓷基复合材料静子叶片，公司认为已到了在民用发动机上应用的时 机。GE能源及古德里奇公司已被认定为该种材料供应商，并计划在2006~2008年在包括燃烧室衬套、高压涡轮叶片及尾喷管部件等广泛的热端零部件中进 行重要的发动机试车。不过具体在GEnx上何时引入，受要求的限制。陶瓷基复合材料燃烧室可用于1200℃，而重量只是传统合金的一半，由于燃烧室温度较 低，NOx可减少一半，冷却空气可减少一半。陶瓷基复合材料的叶片同样可用于1200℃，减少冷却气流的需要，而重量较金属轻70%。
　　不过，目前实际上只有CFM56发动机的燃烧室衬里进入试验阶段，用的是起初根据NASAEPM计划开发的GE HyperComp料浆铸造SiC/SiC系统， 涡轮静子叶片和工作叶片的试验困难较大，还未实施。特别是工作叶片及叶盘采用陶瓷基复合材料的可能性不大，因为即使用SiC/SiC陶瓷基复合材料，由于 通过基体裂纹的环境侵蚀作用也会产生破坏。除了技术性能外，性能验证成本也很高。因此，近期陶瓷基复合材料的商业化可能性并不很大。