제너럴 일렉트릭 GE90

1. 개요

GE90은 제너럴 일렉트릭(GE)이 개발한 보잉 777 광동체 장거리 쌍발 제트 여객기용 대형 터보팬 엔진이다. 1990년에 출시되었으며, 스넥마, IHI, 아비오와 협력하여 개발되었다. GE90은 탄소 섬유 복합재 팬 블레이드를 사용하여 무게를 줄이고 효율성을 높였으며, 2000년대 후반 보잉 777의 장거리 모델에 독점적으로 공급되었다. GE90은 127,900 lbf의 최고 추력으로 기네스 세계 기록을 보유하고 있으며, GEnx, GP7000, GE9X와 같은 파생 엔진의 기반이 되었다.

2. 개발 배경

1980년대 초, 제너럴 일렉트릭(GE)은 1979년 석유 파동 이후 연료 효율을 높이기 위해 언덕티드 팬(UDF) 엔진 개발을 시작했다. 미국 항공우주국(NASA)의 지원으로 GE36 엔진이 개발되었으며, 탄소 섬유 복합재 팬 블레이드 등 혁신적인 기술이 적용되었다.

하지만 UDF 엔진은 당시 터보팬보다 신뢰성이 낮았고, 연료비 절감 효과도 개발 비용을 상쇄할 만큼 크지 않았다. 또한, GE는 GE36 엔진이 스넥마와 공동 개발한 CFM56 엔진의 판매를 잠식할 것을 우려했다.

3. 개발

제너럴 일렉트릭 (GE)은 보잉 777 광동체 장거리 쌍발 제트 여객기용 대형 터보팬 엔진인 GE90을 1990년에 출시했다. GE 에비에이션은 스넥마(프랑스, 24%), IHI(일본), 아비오(이탈리아)와 협력하여 개발했다. GE90은 PW4000, 트렌트 800과 경쟁했다.

GE90의 주요 혁신은 22개의 탄소 섬유 복합재 팬 블레이드를 사용한 것이다. 이 블레이드는 기존 티타늄 팬 블레이드보다 가볍고 강했다. 팬 블레이드 수 감소는 엔진 무게 감소 및 공기역학적 효율 향상에 기여했다.

초기 777 모델 경쟁에서 GE는 에어버스 A330에도 GE90 엔진을 제안했으나, 에어버스는 장거리 시장을 위해 4발 엔진 A340을 선택했다.

1990년대 후반, 보잉은 2세대 777 장거리 모델(777-200LR, 777-300ER, 777F)을 개발하면서 100,000 lbf급 추력을 가진 더 강력한 엔진이 필요했다. 제너럴 일렉트릭은 GE90-115B 엔진 개발을 제안했고, 롤스로이스는 트렌트 8104 엔진 개발을 제안했다. 1999년, 보잉은 제너럴 일렉트릭과 계약을 체결하고, 새로운 777 기종에 GE90 엔진을 독점 공급하기로 합의했다. GE90-115B는 2001년 11월 오하이오주 피블스에 있는 GE 시설에서 처음 가동되었다.

4. 디자인

GE90의 10단 고압 압축기는 당시 업계 기록인 23:1의 압력비를 달성했으며, 2단 공랭식 고압 터빈에 의해 구동된다. 팬 바로 뒤에 위치한 3단 저압 압축기는 코어를 과급하며, 팬/LPC는 6단 저압 터빈에 의해 구동된다.

고추력 모델인 GE90-110B1 및 -115B는 이전 모델과 다른 구조를 가지고 있다. 복합 재료로 만들어진 더 큰 직경의 첨단 팬을 통합하여 저속 추력을 향상시켰다. 고속 순항 추력 향상을 위해 코어 출력을 높였으며, HP 압축기 뒤쪽에서 한 단을 제거하고 LP 압축기에 추가 단을 추가하여 코어 용량을 늘렸다. 이는 HP 압축기 압력비 감소를 충분히 보상하여 코어 질량 흐름의 순 증가를 가져왔다. 고추력 GE90 모델은 스윕 로터 블레이드를 특징으로 하는 최초의 생산 엔진이다. 나셀의 최대 직경은 422cm이다. GE90-115B의 팬 블레이드는 각각 길이 122cm, 무게 23kg 미만이다.

5. 운용 역사

GE90은 기존 엔진의 개조형이 아닌 완전히 새로운 설계로, 개발에 20억 달러가 투입되었다. 1995년 11월 12일, 영국항공에 최초의 GE90 엔진을 장착한 보잉 777기가 인도되었고, 5일 후 운항을 시작했다. 초기 운항 중 기어박스 베어링 마모 문제로 인해 영국항공은 1997년에 777 기종의 대서양 횡단 비행을 일시 중단하기도 했으나, 그해 말에 완전 운항을 재개했다.

GE90 개발 및 테스트 과정 문제로 연방 항공국 인증이 지연되었고, 영국항공은 GE90 엔진을 롤스로이스 트렌트 800으로 교체하기도 했다. 초기 777 모델(777-200 및 777-200ER)에서는 롤스로이스 엔진이 가장 인기 있었고, GE90은 가장 무거운 엔진으로 인기가 적었다.

보잉의 2세대 777 장거리 버전(777-200LR, 777-300ER 및 777F)에서는 더 큰 추력이 필요했고, GE는 독점 엔진 공급 업체가 되었다. 개선된 버전은 2004년 5월 에어 프랑스에서 운항을 시작했다.

고추력 GE90-110B1 및 -115B 엔진은 2세대 777 기종과 결합하여 777의 판매량을 경쟁 기종인 A330/340 시리즈보다 크게 증가시키는 주요 원인이 되었다. 777-300ER은 A340-600보다 약 8~9%의 운용 비용 이점을 제공하며, 연료 가격 상승 속에서 747-400의 대체 기종으로 여겨지기도 했다.

GE90 시리즈는 파생 기종인 GE9X에 의해 추월되기 전까지 항공 역사상 가장 큰 엔진이었다. GE90 엔진은 대형 화물 항공기를 통해서만 항공 운송이 가능하여, 비상 착륙 시 운송 옵션이 제한된다. -200ER용 -94B는 FAA가 최초로 승인한 일부 3D 프린팅 부품으로 개조되었다.

2011년, 엔진 정가는 미화 1100만 달러였고, 2015년 11월까지 20년 동안 8백만 사이클 이상, 5천만 비행 시간을 축적했다. 2020년 7월, 2,800대의 엔진으로 구성된 이 엔진의 총 비행 시간은 1억 시간을 넘어섰고, 70개 항공사에서 1,200대 이상의 항공기에 동력을 공급했으며, 발송 신뢰도는 99.97%였다. 완전한 정비에는 1,200만 달러 이상이 소요된다.

5.1. 기록

GE90-115B는 '세계에서 가장 큰 추력을 가지고 있는 항공기 엔진'으로 기네스북에 등재되어 있으며, 127,900 lbf (568.9 kN)의 최고 추력 기록을 보유하고 있다. 이는 오하이오주 피블스 인근 GE의 야외 테스트 단지에서 1시간 동안 진행된 3중 적색선 엔진 스트레스 테스트의 일환으로 달성되었다. 운용 중인 엔진의 최대 추력은 정격 추력 115,300 lbf (512.9 kN)이다. GE90-115B는 다른 세 개의 엔진을 아이들 상태로 두고 GE의 보잉 747-100 비행 시험기인 N747GE를 비행할 수 있을 만큼 충분한 추력을 제공했다. 2017년 11월 10일, 후속 모델인 GE9X는 피블스에서 134,300 lbf의 더 높은 추력 기록을 달성했다.

초기 GE90 팬 샤프트 설계 하중은 작동 토크 및 팬 블레이드 이탈 조건에 따라 크게 증가했다. 팬 샤프트의 비틀림 및 굽힘 응력 증가를 수용하기 위해 GE1014 강철 합금이 필요했다.

2005년 11월 10일, GE90-110B1은 보잉 777-200LR에 장착되어 21,601km를 22시간 42분 동안 운항하여 상업용 항공기의 세계 최장 비행 기록을 세웠다. 항로는 홍콩에서 런던으로, 태평양, 미국 대륙, 대서양을 거쳐 운항하는 경로였다. 2003년 10월, 보잉 777-300ER은 엔진 하나를 끈 상태에서 5시간 반(330분)을 비행하여 ETOPS 기록을 깼다.

6. 사고

2004년 8월 11일, 영국항공 2024편의 보잉 777-200ER에 장착된 GE90-85B 엔진이 휴스턴 조지 부시 인터컨티넨탈 공항에서 이륙 중 엔진 고장을 겪었다. 조종사들은 이륙 시 소음과 진동을 감지했지만 회전을 계속했다. 고도 1500피트에서 조종석에 연기와 안개가 자욱한 것을 발견했고 객실 승무원은 객실에 연기가 가득하다고 알렸다. 그들은 즉시 비상 착륙하기 위해 공항으로 되돌아갔다. 조사 결과, 2단 터빈 블레이드가 섕크에서 분리되어 후행 블레이드를 손상시켜 진동을 일으킨 것으로 밝혀졌다. 잔해는 엔진 케이싱 내에 갇혀 있었다.

2012년 5월 28일, 토론토에서 도쿄로 향하던 에어 캐나다 777-300ER이 1500m 지점에서 GE90-115B 엔진 고장을 겪고 안전하게 회항했다. 엔진 잔해가 지상에서 발견되었다.

2015년 9월 8일, 영국항공 2276편의 보잉 777-236ER에 장착된 GE90-85B 엔진이 라스베가스 매캐런 국제공항에서 이륙 활주 중 파손되어 화재가 발생했다. NTSB와 FAA 조사가 시작되어 원인을 규명했으며, 2015년 9월에 초기 결과가 보고되었다.

2016년 6월 27일, 싱가포르 항공 368편의 보잉 777-300ER에 장착된 GE90-115B 엔진이 비행 중 엔진 오일 경고를 받고 싱가포르 창이 공항으로 회항했다. 착륙 시 고장난 우측 엔진에 화재가 발생하여 엔진과 날개에 손상을 입혔다.

6.1. 변속기 고장

미국 연방 항공청(FAA)은 2013년 5월 16일, 제너럴 일렉트릭 GE90-110B1 및 GE90-115B 터보팬 엔진의 소유주와 운영자에게 감항성 개선 지시(AD)를 발령했다. 이 긴급 AD는 비행 중 차동 기어 박스 어셈블리(TGB)의 두 번의 고장 보고에 의해 촉발되었으며, 이로 인해 비행 중 엔진 정지(IFSD)가 발생했다. 조사 결과, 고장은 TGB 레이디얼 기어의 균열 및 분리에 의해 발생한 것으로 밝혀졌으며, 이는 제조 공정 및 작동 스트레스의 복합적인 영향 때문이었다. 추가 검사에서 균열이 있는 레이디얼 기어 2개가 추가로 발견되었다. 이러한 엔진 결함은 하나 이상의 엔진의 추가적인 IFSD, 추력 제어 손실, 그리고 항공기 손상으로 이어질 수 있다. 감항성 개선 지시는 AD를 수령한 지 5일 이내에 시정 조치를 취함으로써 준수하도록 요구한다. 영향을 받는 모든 모듈은 교체되었다.

7. 제원

GE90 엔진은 크게 -76B/-77B/-85B/-90B/-94B 계열과 -110B1/-113B/-115B 계열로 나뉜다. 두 계열 모두 이중 로터, 축류, 고 바이패스 터보팬 형식을 채택하고 있다.

GE90-76B/-77B/-85B/-90B/-94B 계열은 팬 직경 3,124mm, 중량 7,550kg, 터빈은 2단 고압, 6단 저압으로 구성되어 있다. 이륙 추력은 416.8kN이다. 전체 압력비는 40:1, 추력 대 중량비는 약 5.6:1이다.

GE90-110B1/-113B/-115B 계열은 팬 직경 3,251mm, 중량 8,283kg, 터빈은 2단 고압, 6단 저압으로 구성되어 있다. 이륙 추력은 512.9kN이며, 해발 252m에서 568.9kN으로 세계 기록을 수립한 바 있다. 전체 압력비는 42:1, 추력 대 중량비는 약 6.3:1이다.

8. 파생 엔진

보잉 787, 보잉 747-8용 후속 엔진 GEnx는 GE90을 기반으로 개발되었다. GE 에비에이션과 프랫 & 휘트니의 합작 회사인 엔진 얼라이언스는 GE90의 파생형으로 에어버스 A380용 GP7200을 개발했다.

GEnx 엔진은 보잉 787 드림라이너와 747-8을 위해 개발되었으며, GE90의 소형 코어 변형에서 파생되었다. 스윕 로터 블레이드를 갖춘 팬을 특징으로 한다.

GE 에비에이션은 프랫 & 휘트니와 협력하여 엔진 얼라이언스를 설립했으며, 이 회사는 에어버스 A380용 엔진인 GP7000을 개발했다.이 엔진은 GE90-110B/115B 코어를 0.72 스케일로 축소하여 제작되었다.

2012년 2월, GE는 새로운 보잉 777X 항공기에 동력을 공급하기 위해 10% 더 효율적인 파생 엔진인 GE9X에 대한 연구를 발표했다. 777-8X/9X에 장착될 이 엔진은 보잉 777-8X/9X 용으로, GE90-115B와 동일한 직경 325cm의 팬을 갖추고 추력은 777-9X용으로 70kN 낮춘 443kN, 777-8X용으로 390kN으로 설정되었다. 바이패스비 10:1, 압축비 60:1의 신형 엔진으로 연비는 10% 향상될 것으로 예상되었다. 신규 개발된 11단 고압 압축기로 압축비 27:1을 실현할 계획이었다.

2014년, GE는 GE9X의 사양을 개정하여 추력을 470kN으로 높였다. 팬 직경도 339cm로 확대되어, GE9X는 지금까지 GE가 제조한 엔진 중 가장 큰 팬을 갖게 되었다.

GE9X는 GE를 중심으로 미국, 일본, 유럽 5개국에서 국제 공동 개발이 진행되고 있다. GE90보다 연비가 10% 향상되었고, 추력 10만 파운드에 팬 직경은 340cm로 민간 항공기용 엔진 중 최대이다. 제4세대 복합재를 사용한 팬 블레이드와 팬 케이스가 채용되었다. 2017년 5월에 인증 시험이 시작되었다.

LM9000은 두 가지 옵션으로 제공되는 항공 파생형 가스 터빈이다. 물 보강이 없는 LM9000은 열병합 발전 전에 42.4% 효율로 66MW의 출력을 내며, 물 보강이 있는 LM9000은 열병합 발전 전에 42.7% 효율로 75MW의 출력을 낸다. 이 엔진은 4단 저압 압축기와 9단 고압 압축기로 구성되어 33:1의 압력비를 가지며, 2단 고압 터빈과 1단 저압 터빈으로 구동되고, 4단 자유 터빈에 동력을 공급한다.

8.1. GEnx

GEnx 엔진은 보잉 787 드림라이너와 747-8을 위해 개발되었으며, GE90의 소형 코어 변형에서 파생되었다. 스윕 로터 블레이드를 갖춘 팬을 특징으로 한다.

8.2. GP7000

GE 에비에이션은 프랫 & 휘트니와 협력하여 엔진 얼라이언스를 설립했으며, 이 회사는 에어버스 A380용 엔진인 GP7000을 개발했다.이 엔진은 GE90-110B/115B 코어를 0.72 스케일로 축소하여 제작되었다.

8.3. GE9X

2012년 2월, GE는 새로운 보잉 777X 항공기에 동력을 공급하기 위해 10% 더 효율적인 파생 엔진인 GE9X에 대한 연구를 발표했다. 777-8X/9X에 장착될 이 엔진은 보잉 777-8X/9X 용으로, GE90-115B와 동일한 직경 325cm의 팬을 갖추고 추력은 777-9X용으로 70kN 낮춘 443kN, 777-8X용으로 390kN으로 설정되었다. 바이패스비 10:1, 압축비 60:1의 신형 엔진으로 연비는 10% 향상될 것으로 예상되었다. 신규 개발된 11단 고압 압축기로 압축비 27:1을 실현할 계획이었다.

2014년, GE는 GE9X의 사양을 개정하여 추력을 470kN으로 높였다. 팬 직경도 339cm로 확대되어, GE9X는 지금까지 GE가 제조한 엔진 중 가장 큰 팬을 갖게 되었다.

GE9X는 GE를 중심으로 미국, 일본, 유럽 5개국에서 국제 공동 개발이 진행되고 있다. GE90보다 연비가 10% 향상되었고, 추력 10만 파운드에 팬 직경은 340cm로 민간 항공기용 엔진 중 최대이다. 제4세대 복합재를 사용한 팬 블레이드와 팬 케이스가 채용되었다. 2017년 5월에 인증 시험이 시작되었다.

8.4. LM9000

LM9000은 두 가지 옵션으로 제공되는 항공 파생형 가스 터빈이다. 물 보강이 없는 LM9000은 열병합 발전 전에 42.4% 효율로 66MW의 출력을 내며, 물 보강이 있는 LM9000은 열병합 발전 전에 42.7% 효율로 75MW의 출력을 낸다. 이 엔진은 4단 저압 압축기와 9단 고압 압축기로 구성되어 33:1의 압력비를 가지며, 2단 고압 터빈과 1단 저압 터빈으로 구동되고, 4단 자유 터빈에 동력을 공급한다.

9. 유지보수 비용

GE90 엔진은 크기가 커서, 엔진 문제로 스페어 부품이 없는 공항에 비상 착륙했을 경우 운반 및 교체가 매우 어렵다. 팬을 코어에서 분리한 상태라면 보잉 747 수송기로 운반할 수 있지만, 이러한 상황은 일반적인 유지보수 비용 상승을 초래한다.

2005년 12월 17일, 에어 프랑스 소속 보잉 777기가 엔진 문제로 이르쿠츠크에 비상 착륙했을 때 An-124로 엔진을 수송하여 교체했다.

10. 시리즈와 탑재기

GE90 엔진 시리즈는 크게 GE90-75B부터 -94B 계열과 GE90-110B1부터 -115B 계열로 나뉜다. GE90-75B부터 -94B 계열은 보잉 777-200, -200ER, -300 기종에 탑재되며, 추력은 75,430 lbf (335.5 kN)에서 94,000 lbf (418 kN) 사이이다. 에어 프랑스의 보잉 777-200ER에는 GE90-94B 엔진이 탑재되었다.

GE90-110B1부터 -115B 계열은 보잉 777-200LR, -300ER, 777 화물기에 탑재되며, 추력은 110,760 lbf (492.7 kN)에서 115,540 lbf (513.9 kN) 사이이다. GE90-115B 엔진은 보잉 747 시험 비행기에 탑재되어 시험 비행을 하기도 했다.

GE90의 경쟁 엔진으로는 프랫 & 휘트니 PW4000과 롤스로이스 트렌트 800이 있다.

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📌 열 고정 해제

엔진	GE90-75B부터 -94B 계열							GE90-110B1부터 -115B 계열			경쟁 엔진
	GE90-75B	GE90-76B	GE90-77B	GE90-85B	GE90-90B	GE90-92B	GE90-94B	GE90-110B1	GE90-113B	GE90-115B
해면 고도에서의 추력		75,430 lbf (335.5 kN)	77,430 lbf (335.3 kN)	81,230 lbf (361.3 kN)	90,580 lbf (402.9 kN)	92,000 lbf (409.2 kN) approx.	90,580 lbf (402.9 kN)	110,760 lbf (492.7 kN)	113,530 lbf (505.0 kN)	115,540 lbf (513.9 kN)
777-200
777-200ER
777-300
777-200LR
777-300ER
777 화물기