碳纖維樹脂基復合材料輕質、高強，可替代傳統(tǒng)鋁合金，應用在機翼、機身等部位。隨著碳纖維復合材料強度、韌性的提升，在飛機發(fā)動機上的應用也得到越來越大的關注。在軍用渦扇發(fā)動機領域，GE公司在六代機的AETD核心機的靜子部件中通過采用樹脂基復合材料，減輕發(fā)動機重量，進一步提高燃油效率和推重比。在商用發(fā)動機領域，借助于在機匣、風扇葉片、涵道管等部位引入輕質的碳纖維樹脂基復合材料，LAEP發(fā)動機涵道比上升到10：1；寬體客機和窄體客機的平均燃油效率分別降低為1980年的27%和35%；在2050年，有望達到歐洲航空研究委員會的呼吁目標，與2000年相比，每乘客公里二氧化碳減少75%，氮氧化物（NOx）排放減少90%，噪音減少65%相比。

    一、碳纖維復合材料混雜葉片和高溫BMI部件成為研究熱點

    為波音777 X提供動力的GE9X發(fā)動機，在2020年投入服務，其風扇葉片將首次在同一的樹脂內(nèi)加入碳和玻璃混合增強纖維，玻璃纖維含量為5%-10%。由于玻璃纖維的破壞應變高，在斷裂前能夠彎曲，提高葉片的抗撞擊強度，已在GE公司最長最寬的弦葉片上通過了鳥擊測試。GE9X采用新的三維氣動設計，有更多的排風量，葉片可以做的更薄，數(shù)量還可以比GEnx和GE90-115B發(fā)動機分別少2和6片。更少的風扇葉片數(shù)和新刀片設計使風扇葉尖速度更快，提高了低壓渦輪效率。GE9X的風扇前機匣和后風扇框架也將采用復合材料，由賽峰設計制造，使用已在LEAP上應用的3D編制預成型技術。GE9X是目前最大的風扇，直徑有3.4米，機匣也采用碳纖維增強復合材料，減重近160千克。混雜葉片打開了通向其他組合形式的大門，包括將不同形式的碳纖維如條帶，編條和織物組合進同一葉片的不同部位。混雜材料的應用不限于風扇部件，還可用于流跡表面荷載較小的部位，未來甚至在某些領域取代高溫金屬，如發(fā)動機壓氣機中200 ℃- 425℃的部件。

    高溫復合材料在風扇以外的高溫部件中也開始應用，如GEnx的變量溢流閥（VBV）導管。這些結構位于風扇組件的出口位置，共有10個，由美國EDO纖維創(chuàng)新公司采用碳纖維增強雙馬來酰亞胺（BMI）制造，在高溫下能夠承受內(nèi)部壓力和抗氧化，但每套重量只有3.6千克。另一個碳纖維增強的BMI零件是SaM146發(fā)動機上的混流噴嘴（MFN），由賽峰集團子公司赫拉克勒斯設計和生產(chǎn)，比金屬輕30%（20千克），其復合材料蜂窩結構內(nèi)襯可以吸收將聲波限制在16,0000個小孔內(nèi)，起到吸聲的作用。

    二、碳纖維復合材料在風扇上的應用已走上成熟

    商用發(fā)動機提高涵道比的需求是復合材料應用到風扇上的主要動力。更高的涵道比意味著更好的燃油效率，但也需要增加了渦扇的大小和重量。因此，輕質碳纖維增強樹脂基復合材料被應用到發(fā)動機的風扇葉片和機匣。羅羅公司是最早開始樹脂基復合材料在發(fā)動機風扇上應用研究的公司。早在1950年代，羅羅公司設計的RB108發(fā)動機的壓氣機葉片和機匣中就開始應用玻璃纖維/環(huán)氧復合材料；在1970年代，RB211-22B發(fā)動機的風扇葉片中使用了名為“Hyfil”的碳纖維增強的環(huán)氧復合材料。不幸的是，Hyfil葉片缺乏足夠的鳥擊強度和制造可重復性，迫使該公司在發(fā)動機進入服役之前換回鈦合金。

    GE航空公司為波音777提供動力的GE90，是首個使用碳纖維增強復合材料風扇葉片并進入實際服役的渦扇發(fā)動機。葉片長1.2米，每個葉片使用超過1700個手工鋪層的碳纖維預浸料制造，通過熱壓罐固化和精加工，每個葉片需要340個小時。GE90于1995年開始服役，也在風扇定子機匣、風扇平臺、聲學平臺中應用復合材料，均由GE公司位于貝茨維爾的美國工廠生產(chǎn)。為波音787和747-8飛機提供動力的GEnx渦扇發(fā)動機也使用了碳纖維增強復合材料風扇葉片，由于復合材料性能的改進，葉片數(shù)量由GE90的22個，降為18個，并首次將碳纖維復合材料應用擴展到風扇前機匣。GEnx采用日本東麗公司的T700標準模量碳纖維，由A&P技術公司編織成雙向和三向織物。相比GE90在2007年3000片/年的產(chǎn)量，GEnx在2009年的產(chǎn)量接近1800葉片/年。

    為波音737 MAX、空客320neo和中國商飛C919提供動力的LEAP發(fā)動機的風扇葉片也是應用了碳纖維增強復合材料，產(chǎn)量達28000片/年。這么高的生產(chǎn)速率是由于兩方面的技術突破：一是奧爾巴尼工程復合材料公司的3D編織預成型件；二是可以迅速注入環(huán)氧樹脂的樹脂傳遞模塑（RTM）工藝。復合材料的3D編制預成型件是通過機器編織，制造一個單獨的、精密預成型的零件，實現(xiàn)強度和剛度的裁剪。LEAP發(fā)動機風扇機匣也應用了同樣的技術，采用了30米長，凈形3D編織預成型體，和鋁相比減重30%，能夠滿足葉片飛出測試要求，不需要制造和組裝單獨的密封環(huán)。葉片和葉根間隔器之間的平臺幾何形狀復雜，也使用了3D預成型件和RTM工藝。

    圖1  FACC將為羅羅Advance發(fā)動機制造碳纖維增強樹脂基復合材料環(huán)填料

    與LEAP發(fā)動機類似，羅羅公司下一代的遄達發(fā)動機，以及在2020年投入使用的Advance發(fā)動機將采用奧地利FACC開發(fā)的碳纖維增強復合材料環(huán)填料（圖1）。這些部件與金屬件相比，減重40%，每臺發(fā)動機需18—22個填料，減少了金屬風扇葉盤的負載，可以使用更輕的風扇葉盤。Advance發(fā)動機采用碳纖維增強復合材料葉片、機匣，與早期的湍達發(fā)動機相比，將節(jié)省高達680千克重量，改善20%的燃油效率，減少20%的碳排放。在2025年服役的后續(xù)UltraFan發(fā)動機，也將繼續(xù)使用復合材料，預計燃油效率和減排效率比早期湍達發(fā)動機均提高25%，比遄達XWB分別提高6%和10%。遄達XWB是目前空客A350 XWB的選項之一，沒有使用碳纖維增強復合材料的風扇葉片，但在風扇后機匣、風扇撥道桿，分岔襯，反流板等部件中采用了FACC制造的碳纖維增強復合材料。此外，F(xiàn)ACC還為羅羅建造了輕量級、具備吸聲能力的碳纖維增強復合材料外涵道管（見圖2）。自2001年以來，F(xiàn)ACC已經(jīng)為羅羅的BR700系列區(qū)域噴氣發(fā)動機生產(chǎn)了超過1000個零件。

    圖2  FACC已經(jīng)為羅羅BR700系列發(fā)動機生產(chǎn)了超過1000個碳纖維增強復合材料的涵道管

    三、復合材料集成推進系統(tǒng)彰顯未來發(fā)展趨勢

    發(fā)動機設計師尋求每一個百分點燃油效率提高的可能，并把逐漸把關注點放在短艙優(yōu)化上。為中國商飛C919提供動力的LEAP 1-C發(fā)動機，特征之一就是新一代的發(fā)動機短艙設計。該發(fā)動機短艙由奈克賽爾制造，被其總裁稱為“第一款真正的集成推進系統(tǒng)（IPS）”。IPS的重量80%是復合材料，發(fā)動機短艙占70%。發(fā)動機結構設計時同時進行短艙結構與吊艙零件的設計，避免了發(fā)動機短艙和吊艙單獨設計時的過度保守，再與輕質復合材料集成。IPS的創(chuàng)新將LAEP 1-C 的燃油效率降低了額外的2%。

    IPS采用一片式復合材料O形管取代傳統(tǒng)推力反向器的兩件套“D”形門，使氣流更平滑繞過，將燃油效率和推力反向器效率提高10%。IPS的一個關鍵特征是O形管的單片碳纖維增強復合材料內(nèi)蒙皮（參見圖3），由賽峰集團子公司Aircelle公司法國勒阿弗爾設施采用一種創(chuàng)新的成型工藝制造。雖然沒有公布更多細節(jié)，Aircelle聲稱它已經(jīng)掌握了RTM和采用3D編制預成型件的3D RTM工藝。IPS的另一個關鍵特征是低阻力前緣，取代了傳統(tǒng)多片鋁合金前緣，艙壁、外桶與單一、無縫的復合結構組裝，消除結構不連續(xù)，使層流延伸到復合材料尾艙，改善空氣動力學。內(nèi)桶也是一個整體復合材料，可幫助實現(xiàn)降噪目標。這種新型的簡化結構增加了10%—20%表面積的氣流路徑，從而提升了氣動效率。IPS是未來研發(fā)的重要目標，將要求超薄的線性/層流機艙，適應風扇葉片，扭曲容限風扇和多自由度聲學襯墊。復合材料可以幫助這些所有這些技術的實現(xiàn)。

    圖3  Nexcelle公司集成推系統(tǒng)的復合材料O形管（左）和330°整體成形碳復合材料內(nèi)蒙皮（右）

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責任編輯：龐雪潔

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