Das General Electric GE36 war ein experimentelles Flugzeugtriebwerk , eine Hybridkonstruktion aus Turbofan und Turboprop , bekannt als ungelenkter Fan (UDF) oder Propfan . Das GE36 wurde von General Electric Aircraft Engines entwickelt [ 3 ] , wobei der gleichberechtigte Partner Snecma von CFM International einen Entwicklungsanteil von 35 Prozent trug. [ 4 ] Die Entwicklung wurde 1989 eingestellt.

Entwicklung

General Electric (GE) begann 1981 mit Studien und Komponententests des Konzepts, aus dem später das UDF hervorging. Grundlage hierfür waren erste Ergebnisse früherer Propfan-Technologiestudien der NASA, die die Raumfahrtbehörde 1980 erstmals Triebwerksherstellern zur Verfügung gestellt hatte. [ 5 ] Ab 1982 führte GE dann umfassende Entwicklungs- und Testarbeiten am GE36 durch. [ 6 ] Im Februar 1984 erteilte die NASA GE einen Auftrag über 20,4 Millionen US-Dollar zur Untersuchung des Konzepts [ 7 ] , nachdem das Unternehmen der Behörde seine Arbeit im Dezember 1983 vorgestellt hatte. Die eigenen Propfan-Forschungsbemühungen der NASA verliefen nämlich langsamer und waren von zusätzlichen Fördermitteln des US-Kongresses abhängig .

Ein maßstabsgetreues Modell des NASA/GE-Manteltriebwerks auf der Farnborough Air Show 1984 .

Etwa zur gleichen Zeit verhandelte GE mit Boeing, die die UDF-Technologie für Kurzstreckenflugzeuge als nützlich erachtete, um ein Demonstrationstriebwerk auf einem Boeing 727- Testflugzeug zu erproben . [ 8 ] Im April wurde eine Vereinbarung über Flugtests des UDF getroffen, die Ende 1986 begannen, um einen 110 kN (25.000 Pfund Schubkraft) starken Demonstrator auf Basis eines General Electric F404- Kerns zu testen. Das Triebwerk sollte über zwei sechsstufige, gegenläufige Freilaufturbinen mit großem Durchmesser verfügen, die mit niedriger Drehzahl liefen und direkt mit zwei achtblättrigen, 3,7 m (12 Fuß) durchmessenden, unummantelten Fans verbunden waren. [ 9 ] Das effektive Nebenstromverhältnis (BPR) des UDF wurde auf etwa 30:1 geschätzt. Dies war deutlich höher als das damalige Nebenstromverhältnis von 6:1 moderner Turbofans , aber niedriger als das von Propeller- / Turboprop- Triebwerken mit etwa 50:1. Die optimale Mission bestünde aus Flügen über 1.000 Seemeilen (1.200 Meilen; 1.900 km) mit einer Reisegeschwindigkeit von Mach 0,75. [ 10 ] Im Mai 1984 begann Boeing mit der Erprobung eines gegenläufigen GE- Modellprüfstands in seinem 2,7 × 2,7 m großen Niedriggeschwindigkeits -Windkanal und seinem 2,4 × 3,7 m großen Transsonik -Windkanal. [ 11 ]

GE präsentierte im September auf der Farnborough Air Show ein maßstabsgetreues Modell des Triebwerks und versprach eine 30-prozentige Reduzierung des Treibstoffverbrauchs im Vergleich zu aktuellen Flugzeugtriebwerken, ohne die Reisegeschwindigkeit zu verringern. Ein Dutzend Fluggesellschaften hätten sich quasi selbst eingeladen, die UDF-Testanlagen von GE in der Nähe von Cincinnati, Ohio , zu besichtigen, so der Triebwerkshersteller. Dies sei jedoch nicht nur auf die höhere Treibstoffeffizienz des UDF zurückzuführen. Die Fluggesellschaften schätzten auch den Verzicht des UDF auf ein Getriebe , das die Kraft von der Turbine auf den Propeller überträgt und es beiden ermöglicht, mit ihren jeweiligen optimalen Drehzahlen zu laufen . Ein Getriebe sei jedoch schwierig zuverlässig für hohe Drehzahlen und Leistungen zu konstruieren. Zudem gefiel ihnen, dass der UDF über gegenläufige Lüfter verfügte, im Gegensatz zu den einfach rotierenden Lüftern, die die NASA hauptsächlich untersuchte. Die Doppellüfter hielten den Durchmesser für ein 140-sitziges Flugzeug deutlich kleiner als die von den Fluggesellschaften befürchteten 6,1 Meter (20 Fuß). [ 12 ] Der Demonstrator für ein unummanteltes Triebwerk (UDF) hatte einen Durchmesser von 3,56 m, eine Leistung von 15.000 kW und einen Schub von 110 kN. Der UDF-Demonstrator, dessen Leistung für ein 200-sitziges Verkehrsflugzeug ausreichen sollte, war bewusst größer dimensioniert als die von GE geplanten Serien-UDF-Triebwerke. Diese Serientriebwerke sollten einen Durchmesser von 3 m haben, 7.500 kW leisten und Flugzeuge mit 120 bis 160 Sitzen antreiben. [ 13 ] Auf der Pariser Luftfahrtschau Mitte 1985 gab Snecma bekannt, eine 35-prozentige Beteiligung am Triebwerksprogramm erworben zu haben. [ 4 ] Später im Jahrzehnt wurde das GE36 zum bevorzugten Triebwerk für geplante Flugzeuge wie den zweistrahligen Boeing 7J7 und die MD-91 und MD-92, Ableitungen des beliebten einstrahligen McDonnell Douglas MD-80 .

Der GE36 UDF-Demonstrator auf dem Bodenprüfstand im Jahr 1985.

Das Triebwerk wurde 2.500 Stunden lang im Modellmaßstab getestet, woraufhin ein Prototyp gebaut wurde. Dieser Prototyp wurde 162 Stunden lang am Boden getestet. [ 14 ] Der GE36-Prototyp absolvierte anschließend 25 Flüge [ 15 ] und sammelte dabei über 41 Stunden Flugzeit (von geplanten 75 Stunden) an Bord einer Boeing 727 vom 20. August 1986 [ 16 ] bis Mitte Februar 1987. Dabei erreichte er schließlich eine Fluggeschwindigkeit von Mach 0,84 und eine Flughöhe von 12.000 Metern (39.000 Fuß). [ 17 ] Im April 1987 wählte Boeing offiziell das GE36 als Triebwerk für die Boeing 7J7 aus , da das IAE SuperFan Ultra-High-Bypass (UHB) Getriebefan-Triebwerk als weniger treibstoffeffizient [ 18 ] und das Pratt & Whitney/Allison 578-DX Getriebepropanger-Triebwerk als unzureichend leistungsstark eingestuft wurde. [ 19 ] Auf der Pariser Luftfahrtschau im Juni 1987 gaben GE und Snecma bekannt, dass sie die Komponenten für ein Prototyp-Triebwerk fertigten, das 1989 an einer Boeing 727 getestet werden sollte. [ 20 ] Im August 1987 verschob Boeing jedoch den geplanten Einsatzbeginn der 7J7 von 1992 auf 1993 und im Dezember 1987 auf unbestimmte Zeit. [ 21 ]

Der Prototyp des GE-Triebwerks wurde am 5. April 1987 in eine McDonnell Douglas MD-80 eingebaut [ 22 ] und absolvierte seinen Erstflug auf dem MD-80-Testträger am 18. Mai 1987 [ 23 ] . Ursprünglich verfügte das Triebwerk über eine Konfiguration mit je acht Blättern im vorderen und hinteren Fan. Anschließend wurde es auf dem Testträger durch das zweite GE36-Demonstratortriebwerk ersetzt, das eine Konfiguration mit zehn Blättern im vorderen und acht Blättern im hinteren Fan aufwies [ 24 ] und ab dem 14. August 1987 33 Flugstunden absolvierte [ 25 ] . Obwohl das Triebwerk in dieser Konfiguration leiser war, wurde es aufgrund eines mechanischen Problems wieder auf die ursprüngliche 8x8-Konfiguration zurückgerüstet. GE bestätigte außerdem, dass das Serientriebwerk mehr Blätter als der Demonstrationsmotor haben und die Anzahl der Blätter im vorderen Fan von der im hinteren abweichen würde [ 26 ] .

Nach der Umrüstung des Testflugzeugs mit der 8x8-Triebwerkskonfiguration führte McDonnell Douglas 22 Kundendemonstrationsflüge vom Flughafen Long Beach aus durch . [ 27 ] Diese Demonstrationsflüge fanden zwischen dem 22. Januar und dem 26. Februar 1988 statt. An den Flügen, die in der Regel etwa eine Stunde dauerten und eine Reisegeschwindigkeit von Mach 0,76 erreichten, nahmen der finnische Ministerpräsident [ 28 ] , 110 Führungskräfte von 35 Fluggesellschaften und vier Leasinggesellschaften sowie 70 Vertreter der Medien, des US-Militärs, von Zulieferern und anderen Flugzeugherstellern teil. [ 29 ] Allgemein wurde der Flugkomfort als kaum anders als bei einem normalen Flug empfunden, abgesehen von leichten Vibrationen im Fond während Start und Steigflug. [ 30 ] Am 25. März 1988 erklärte McDonnell Douglas das Flugtestprogramm für abgeschlossen. [ 27 ] Der MD-80-Testträger hatte 93 Flüge und 165 Flugteststunden absolviert und dabei Geschwindigkeiten von bis zu Mach 0,865 und eine Flughöhe von 37.000 Fuß (11.000 Meter) erreicht. [ 31 ]

McDonnell Douglas installierte im Juli 1988 das GE36-Triebwerk erneut in den MD-80-Prüfstand für weitere Flugtests. [ 32 ] Das Testflugzeug überquerte anschließend den Atlantik und startete von seinem Heimatflugplatz, der Edwards Air Force Base in Kalifornien, mit Zwischenstopps in Minneapolis, Minnesota , Gander, Neufundland , Kanada, und Keflavik, Island, bevor es die 4.700 Seemeilen (5.400 Meilen; 8.700 km) lange Reise am 23. August auf dem Flughafen Farnborough in England beendete. Die Reise diente dazu, vom 4. bis 11. September 1988 auf der Farnborough Air Show täglich öffentliche Vorführungsflüge durchzuführen. [ 33 ] Vor der Flugschau sollten private Flugdemonstrationen für eingeladene Führungskräfte von Fluggesellschaften stattfinden, und McDonnell Douglas erwog, den Prüfstand vor der Rückkehr in die USA nach Westeuropa zu fliegen. [ 34 ] Auf der Flugschau nahmen McDonnell Douglas und GE Marketinggespräche mit sieben Fluggesellschaften in den USA und sechs in Westeuropa auf; Man hoffte, bis Mitte 1989 etwa 100 Fluggesellschaften für die Entwicklung der MD-91- und MD-92-Programme zu gewinnen. Die Indienststellung der MD-91 war für 1993 geplant, die der MD-92 ein halbes Jahr später. [ 35 ] Die GE36-Triebwerkstests der MD-80 wurden im selben Monat nach 137 Flügen und fast 240 Flugstunden abgeschlossen. [ 36 ] Insgesamt wurden 281 Flugstunden mit den beiden Flugzeugen absolviert. [ 14 ]

Nach Abschluss der Flugerprobung des Demonstrators verlagerte sich der Fokus auf die Entwicklung eines neuen Kerns (anstelle des serienmäßigen F404), um die Effizienz zu steigern. Verdichter , Brennkammer und Turbine waren bis Ende 1988 separat getestet worden [ 37 ] , und bis Mitte 1989 hatte der neue Kern etwa 50 Stunden Testlaufzeit absolviert. Zum Zeitpunkt der Projekteinstellung Ende 1989 arbeiteten GE und Snecma an der Konstruktion eines Vollgasgenerators und eines Produktantriebs. [ 38 ]

Der Niedergang dieses Triebwerks war damals auf die wirtschaftliche Lage (vor allem den starken Ölpreisverfall) nach dem OPEC- Ölembargo zurückzuführen. Obwohl diese Triebwerke nie über die Entwicklungs- und Prototypenphase hinauskamen, behielt GE die Kohlenstofffaser-Verbundwerkstofftechnologie für die leichten Lüfterschaufeln bei. Kohlenstofffaserschaufeln werden aktuell in Triebwerken ( General Electric GE90 und General Electric GEnx ) eingesetzt, die die Boeing 747 , Boeing 777 und Boeing 787 Dreamliner antreiben . [ 39 ] [ 40 ]

General Electric spendete 1991 über das Naval Air Systems Command einen der GE36-Triebwerke an das Smithsonian National Air and Space Museum [ 41 ]. [ 42 ]

Design

Der GE36 UDF-Demonstrator wurde 1986 auf dem Boeing 727-Teststand installiert.

Ein General Electric F404 Militär- Turbofan, der von der US-Regierung ausgeliehen wurde, diente als Basis für den GE36-Prototyp. [ 43 ] Der gemischte Abgasstrom des F404 strömte durch eine Turbine, die zwei gegenläufige Fanstufen antrieb. Obwohl die Demonstrationstriebwerke mit 8x8- und 10x8-Fanschaufelkonfigurationen getestet wurden, erwies sich eine 12x10-Schaufelkonfiguration als die effizienteste. [ 44 ] Die sichelförmige Form der Fanrotorschaufeln ermöglichte hohe Drehzahlen, die denen von Turbojet- oder Turbofan- Triebwerken entsprachen. Dadurch konnte das Triebwerk das geplante Verkehrsflugzeug Boeing 7J7 mit einer Reisegeschwindigkeit von Mach 0,83 antreiben . [ 45 ] Die Serienschaufeln für die MD-91/MD-92-Versionen des Triebwerks sollten für eine Reisegeschwindigkeit von Mach 0,78–0,80 ausgelegt sein. [ 46 ]

Die UDF-Lüfterschaufeln waren 100 cm lang, und die von Rohr Industries gefertigten, rotierenden Verkleidungen, die um die Schaufelbasis passten, hatten einen Durchmesser von 160 cm. [ 47 ] Die Schaufeln für die ersten Tests wurden direkt von General Electric hergestellt, die für die Flugtests jedoch vom lokalen Hersteller Hartzell Propeller aus Ohio . [ 48 ] Für die Serienmotoren sollten die Schaufeln vom britischen Verbundwerkstoff-Propellerspezialisten Dowty Rotol gefertigt werden . [ 49 ] Der maximale Lüfterdurchmesser für den UDF-Demonstrator betrug 356 cm, [ 50 ] während für die UDF-Serienmotoren ein maximaler Durchmesser von 325 cm geplant war. [ 44 ] Während der Prototypen-/Testphase wogen die Lüfterblätter am vorderen und hinteren Propeller jeweils 10,2 bzw. 9,8 kg (22,5 bzw. 21,5 lb), [ 51 ] es wurde jedoch erwartet, dass sie bis zum Produktionsbeginn des Triebwerks weniger als 9,1 kg (20 lb) wiegen würden. [ 52 ]

Während der GE36-Demonstrator einen Nennschub von 25.000 lbf (110 kN) aufwies, sollte die GE36-Triebwerksfamilie einen Schubbereich von 12.000 bis 30.000 lbf (53 bis 133 kN) abdecken. Das Triebwerk war ursprünglich für 14.000 lbf (62 kN) für die MD-91X und 20.000–22.000 lbf (89–98 kN) für die 7J7 und MD-92X ausgelegt [ 53 ] , die Schubvorgaben wurden jedoch später auf 22.000 lbf (98 kN) bzw. 25.000 lbf (110 kN) geändert [ 54 ] .

Die Leistungsturbine war eine sechsstufige Turbine mit Ein- und Auslassleitschaufeln. [ 55 ] : 46 Die zwölf Turbinenschaufelreihen rotierten abwechselnd in entgegengesetzter Richtung. Jede Stufe bestand aus zwei Rotoren ; es gab keine Statoren (statische Leitschaufeln), die üblicherweise nach dem einzelnen Rotorabschnitt zur Strömungsbegradigung eingesetzt werden. Der vordere Propeller und die vordere Hälfte jeder Stufe waren an einem rotierenden Außengehäuse befestigt, das die Turbinenrotorschaufeln umschloss, während der hintere Propeller und die hintere Hälfte jeder Stufe konventionell an einer zentralen Welle befestigt waren. Die gegenläufige Turbine konnte mit der halben Drehzahl einer herkömmlichen Turbine laufen, da die Gegenrotation die Relativgeschwindigkeit verdoppelte. Daher benötigte das Triebwerk kein Untersetzungsgetriebe zum Antrieb des Lüfters. [ 56 ] Das GE36 hatte ein Naben-zu-Schaufelspitzenradiusverhältnis von 0,425, [ 57 ] was bei einer getriebelosen Konstruktion einem um etwa 75 Prozent höheren Wert als bei Propfan-Konstruktionen mit Getriebe entsprach. [ 58 ] Diese Eigenschaft ergab sich daraus, dass die Nabe einen großen Turbinendurchmesser umschließen musste; aufgrund der geringen Drehzahl der gegenläufigen Propeller musste die Turbine breiter als üblich sein, um genügend Leistung zu erzeugen. [ 59 ] Die UDF von GE hatte ein Nebenstromverhältnis von 35, was etwa in der Mitte zwischen dem Nebenstromverhältnis der IAE SuperFan von 17 und dem der PW-Allison 578-DX von 56 lag. [ 15 ] Die gegenläufigen Propeller drehten sich mit einer maximalen Drehzahl von mindestens 1393 U/min . [ 60 ]

Das Triebwerk wies am Boden einen extrem niedrigen spezifischen Treibstoffverbrauch (SFC) von 0,232 lb/(lbf⋅h) (6,6 g/(kN⋅s)) auf [ 61 ] , was laut GE über 20 % effizienter war als bei allen derzeit verfügbaren Turbofans. [ 62 ] GE hatte für das Demonstrationstriebwerk einen SFC im Reiseflug von 0,49 prognostiziert; mit einem neuen Gasgeneratordesign namens „Supercore“ [ 63 ] würde der SFC im Reiseflug jedoch auf 0,40–0,41 sinken, verglichen mit 0,56 bei bestehenden Turbofans. [ 64 ] Der Zweiwellenkern des Gasgenerators hätte ein Druckverhältnis von etwa 36:21. [ 65 ] Snecma sollte den Hochdruckverdichter (HPC) und die Brennkammer konstruieren . [ 66 ] Die für die MD-91 und MD-92 gewählte Triebwerkskonfiguration wurde so ausgelegt, dass sie die Lärmschutzbestimmungen des Kapitels 4 des Ausschusses für Umweltschutz in der Luftfahrt (CAEP) der Internationalen Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO) erfüllte. Diese Bestimmungen traten 2006 in Kraft und bedeuteten eine Reduzierung des effektiven wahrgenommenen Lärmpegels ( EPNdB ) um zehn Dezibel gegenüber den bestehenden, 1977 festgelegten Standards des Kapitels 3. [ 67 ] Die Einhaltung der Vorschriften führte jedoch zu einer um fünf Prozent geringeren Treibstoffeffizienz im Vergleich zur effizientesten Fankonfiguration. [ 68 ]

Varianten

Die GE36 auf einem McDonnell Douglas MD-81 Demonstrationsflugzeug auf der Farnborough Air Show 1988 .
GE36-B14
Das Triebwerk mit einer Schubkraft von 14.000 lbf (62 kN) treibt die McDonnell Douglas MD-91X an. [ 69 ]
GE36-B22A
Das Triebwerk mit einer Schubkraft von 25.000 lbf (110 kN) treibt die Boeing 7J7 an . [ 69 ]
GE36-C22
Ein auf 22.000 lbf (98 kN) reduzierter Motor treibt die 114-sitzige McDonnell Douglas MD-91 an. [ 70 ] [ 71 ]
GE36-C25
Ein Triebwerk mit einer Schubkraft von 25.000 lbf (110 kN) treibt die McDonnell Douglas MD-92 mit 165 Sitzplätzen an. [ 70 ]

Anwendungen

Spezifikationen

Querschnittsdiagramm des GE36-Manteltriebwerks.

Daten aus dem GE-Motorentest , Seiten 12 , 17

Allgemeine Merkmale

Komponenten

  • Kompressor: 3-stufiger Niederdruck-Axialkompressor bei 13.270 U /min , 7-stufiger Hochdruck- Axialkompressor bei 16.810 U/min
  • Turbine : Einstufige Niederdruckturbine, einstufige Hochdruckturbine, sechsstufige gegenläufige Freilaufturbine

Leistung

Siehe auch

Verwandte Entwicklung

Vergleichbare Motoren

Verwandte Listen

Referenzen

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Bibliographie