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GEnx發動機在材料應用上的創新

作者：同溫層於 2011-1-29 10:39 發表於最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

作者分類:航空|通用分類:其它日誌

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GEnx發動機在材料應用上的創新

為了滿足波音787飛機的目標要求，通用電氣公司深入挖掘其技術儲備來生產GEnx發動機。雖然發動機的結構及其大尺寸複合材料結構的細節早在2004年就已披露，但只是到目前通用電氣公司才開始公開其材料方面的創新。
GEnx是由美國通用電氣航空發動機公司開發的新一代低雜訊、低污染、低成本的渦輪風扇發動機，它是基於成功驅動波音777的GE90發動機的經驗開發的，是GE90的衍生型，在此基礎上首創在風扇機匣以及風扇葉片上應用複合材料的先河，並在發動機渦輪材料應用上開展了多項創新。GEnx可代替CF-6的發動機，涵道比9.5:1，推力333.6~358.1kN。GEnx為高低壓對轉發動機，有10級高壓壓氣機，4級低壓壓氣機，兩級高壓渦輪和7級低壓渦輪。目前有兩種型號，GEnx-2B67，被波音公司選作747-8飛機的唯一動力裝置；GEnx-1B70被波音公司選作787的候選發動機之一，是羅羅公司的遄達1000的對手。
　　從選材來看，GEnx有許多創新值得關注，幾年前認為不可行的選材方案目前已變成現實，一些新型材料也在發動機上進行了長時間的試車，以便深入挖掘這些新材料的潛力。
複合材料的廣泛應用
　　通用電氣公司複合材料技術的第一個成果是，在波音777系列用的GE90發動機風扇葉片上採用有機複合材料，目前則在它的新一代衍生型發動機上將複合材料的應用推向新的階段。該公司正在以波音公司在787機翼及機身上廣泛使用複合材料的同一理由，用複合材料來代替鋁合金。
　　GEnx中的18塊長2819mm的風扇葉片比CF-6的鋁風扇葉片的重量輕而且雜訊小，與GE90相比，GEnx的風扇葉片數從22減到18，又進一步減輕了雜訊。GE公司的複合材料風扇葉片技術是從20世紀90年代GE90計劃的三維氣動模擬發展起來的，隨發動機尺寸而變化其大小。圖1所示為GE90-94B（波音777-200ER）、GE90-115B（777-300ER）及GEnx（787/A350）風扇葉片的對比。
　　GEnx風扇葉片的開發採用的是GE90-115B的設計方法，由400層預浸料帶製成，從葉根到葉尖鋪層逐漸減薄。由於尖銳邊緣的複合材料有磨損的趨向，葉片的前緣、葉尖及后緣增包（上）可以更換的鈦包覆層。這種葉片邊緣也可以將外物打傷能量分散到風扇複合材料中去。經過10年和650萬發動機飛行小時后，GE90隻有3次因鳥撞或外物打傷而更換了三塊複合材料葉片。
　　風扇葉片是由GE/斯奈克瑪的合資企業CFAN公司製造的。在葉片的燕尾平板上用有特氟隆耐磨墊，它不像金屬那樣會產生微動磨損，所以不需要更換。
　　波音787用的GEnx-1B的風扇占發動機總重的33%，由於風扇葉片的減重，公司也要求風扇機匣減輕重量。起初想製造強度不太高的單一纏繞式複合材料機匣，目前用的複合材料纖維織物以人字形的模式編織而成，形式類似於鞋帶的交叉排列，並在交叉處鋪上第3種織物來提高強度。
　　機匣採用7.62毫米厚的三維織物以±60°方式編織，並在邊角及彎曲處與二維織物混編在一起。編織採用自動化工藝，織物繞一風扇機匣工具編織成平面狀。在中部編織厚層作為風扇葉片的包容層，從而取消了鋁合金機匣上用的凱芙拉墊。織物一經鋪成，便從機匣外引入樹脂。
　　GEnx風扇機匣應用了該公司在波音音速巡航者即787的前身開發時的經驗。試驗表明複合材料風扇機匣抗外物打傷能力優於鋁機匣，並可減重160kg。
　　GEnx的前風扇機匣內有一整體式的降噪襯套，是在Nomex蜂窩芯子上包有玻璃環氧複合材料。GEnx的后風扇機匣仍用鋁，不過將來有可能變成用複合材料製造。
　　除了風扇葉片及前風扇機匣外，在增壓級出口處的可調放氣閥門管道也採用了複合材料，用的是專業化的複合材料編織件及樹脂轉移模塑技術，每一發動機有一套複合材料管道，重量小於3.63kg.
　　這種由編織與RTM組成的工藝可使纖維應用自動化。編織是一自動化的環形編織過程，將纖維編成複雜形狀，不留下導致應力集中的縫。只要有3層連續的編織物即可承受高的內壓釋放出的熱空氣。
　　放氣活門管道採用RTM模塑工藝，將高溫雙馬樹脂注射入編織物、固化，然後取出工件，只需切邊及鑽孔，然後進行超聲C掃描檢驗。
　　目前，GE公司已選定ATK公司為通用電氣公司生產GEnx的風扇機匣，ATK將為波音747-8的GEnx-2B67生產風扇機匣，而787用的GEnx-1B70的風扇機匣將由GKN航空航天公司生產。這兩種發動機風扇尺寸不相同，其中GEnx-2B67的直徑2.64m，GEnx-1B70為2.82m，後者的風扇可減重160kg。
　　目前正在由GE公司研究中心開發準備以後應用的部位還有風扇葉片緣板、混雜靜子葉片以及結構整流罩。
先進新型材料的引入
　　雖然複合材料的廣泛應用成為GEnx的突出特點，但更引人注目的突破是鈦鋁化合物在低壓渦輪工作葉片上的應用。雖然γTiAl的應用已在全球探索多年，特別是在美國綜合高性能發動機技術（IHPTET）的CAESAR（結構件以及發動機結構評估研究）計劃已驗證多年，但其應用大多限于軍用發動機的防護塗層以及一些離散的零部件。如今TiAl化合物經過在CF6上1500多個循環驗證后，現正用於GEnx的第6級及第7級低壓渦輪。材料成分為48Al-2Cr-2Nb合金。
　　GE公司正在與奧里貢的精密鑄件（PCC）公司及其他材料轉包商合作建立供應鏈。PCC公司已併購了特殊金屬公司。
　　目前存在的問題是要建立完整的設計性能資料庫，適合於TiAl特性的設計方法以及成本合算的供應鏈，制定成分及生產規範。目前GE公司已建立了48Al-2Cr-2Nb的資料庫，正在被設計師應用。
　　GEnx還將應用的其他金屬間化合物有硅化鈮（NbSi），它有適中的斷裂韌性、優異的疲勞強度，鑄造性能好。其密度低，大約為6.6g/cm3。合金成分Nb-25Ti-16Si-8Hf-2Cr-1.9Al（原子）。
　　它在強度等於或大於現有的鎳基高性能合金（如R80）的情況下，可使發動機減重45~135kg。該材料除了可明顯減重外，還可減少冷卻氣流的需要。目前公司已有了第一代NbSi材料，並正在發動機上進行鑒定。預計到2012年，可能出現NbSi材料制的低壓渦輪葉片，2015年將出現更複雜的NbSi高壓渦輪葉片。看來，GE公司已把 NbSi看作是鎳基高溫合金之後的新一代渦輪材料。該公司將把現有的製造基地用作NbSi的鑄造以及進行塗層塗覆的場所。
　　目前NbSi存在的問題是在中溫及高溫下的抗氧化性低及室溫塑性差。
　　在GEnx轉子中應用的其他先進合金還有鎳基高溫粉末合金R104，它有高的蠕變強度，特別是輪緣處，在輪緣處的疲勞壽命也比以前的材料可望提高 50%。這種材料也已用在GE公司與NASA及普惠公司合作開發的GP7200發動機中，合金性能的改進主要是採用了速度很慢的等溫鍛，得到了正確的顯微組織。R104算得上最新、最有實力的一代粉末盤合金，工作溫度比上一代高出38℃，即大於704℃。合金的成分為 Co14~23；Cr11~15；Mo2.7~5；W0.5~3；Nb0.25~3；Al2.5；Ti3.6；Ta0.5~4； C0.015~0.1。目前也在研究雙性能R104合金盤。
　　GEnx發動機一個設計上的進展是引入了雙環預漩器（TAPS）技術，其目的在於降低燃燒室溫度從而減少NOx的排放。這裡雙環是指燃油空氣混合器而不是燃燒室，它只有一個燃燒室，由兩個環形燃油空氣漩流器供應，該漩流器是由鈷基合金製成的。GEnx因TAPS的應用而減少30%NOx的排放。
驗證試驗
　　起初，與GEnx發動機引入風扇機匣、TiAl以及TAPS時，許多用戶為此甚表關切，但經過2年半的技術驗證成熟性計劃后，用戶已表現出更大的信心，感到滿意。
　　為確保複合材料風扇機匣設計更有效，不致太重，計劃用更薄的鋪層。正在研究在確保安全條件下，能減薄到何種程度。
　　通用電氣公司的另外一個研究重點是陶瓷基複合材料的應用，它已在F136上用了一種陶瓷基複合材料靜子葉片，公司認為已到了在民用發動機上應用的時機。GE能源及古德里奇公司已被認定為該種材料供應商，並計劃在2006~2008年在包括燃燒室襯套、高壓渦輪葉片及尾噴管部件等廣泛的熱端零部件中進行重要的發動機試車。不過具體在GEnx上何時引入，受要求的限制。陶瓷基複合材料燃燒室可用於1200℃，而重量只是傳統合金的一半，由於燃燒室溫度較低，NOx可減少一半，冷卻空氣可減少一半。陶瓷基複合材料的葉片同樣可用於1200℃，減少冷卻氣流的需要，而重量較金屬輕70%。
　　不過，目前實際上只有CFM56發動機的燃燒室襯裡進入試驗階段，用的是起初根據NASAEPM計劃開發的GE HyperComp料漿鑄造SiC/SiC系統，渦輪靜子葉片和工作葉片的試驗困難較大，還未實施。特別是工作葉片及葉盤採用陶瓷基複合材料的可能性不大，因為即使用SiC/SiC陶瓷基複合材料，由於通過基體裂紋的環境侵蝕作用也會產生破壞。除了技術性能外，性能驗證成本也很高。因此，近期陶瓷基複合材料的商業化可能性並不很大。