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航空發動機的這些部位都應用了樹脂基復合材料！

2016-03-30 09:39:11 作者：本網整理來源：

　　大型客機的發展是新一代商用航空發動機技術不斷發展的動力，在性能、涵道比、耗油率、制造與維護成本、噪聲、長壽命等方面都對新一代航空發動機提出了更高的要求。這也導致國際民用航空發動機市場競爭日趨激烈，航空發動機領域技術發展也愈加迅速。世界航空發動機OEM巨頭GE、RR、PW為保持各自市場份額，維持其霸主地位，分別加快推進新一代民用航空發動機研制步伐。以GEnx、PW1000G、Leap-X、Trent1000等為代表的新型大涵道比民用渦扇航空發動機為應對市場發展的挑戰，均采用了多項新技術、新材料，以保證其產品的高性能、良好經濟性、高可靠性和環保性，這在客觀上也為未來大涵道比民用渦扇航空發動機的技術發展確立了新的標準和發展方向，也可以說是為民用渦扇航空發動機設立了新的更高的準入門檻。

　　在不改變目前渦扇航空發動機結構布局的前提下，新材料的應用和新的結構方案是實現航空發動機先進性的重要技術手段。樹脂基復合材料以其具有高比強度、比模量、抗疲勞、耐腐蝕、具有可設計性、材料/設計/制造一體性、低成本等一系列優點，已經成為航空發動機設計與制造商所青睞的高性能冷端部件的重要候選材料，并逐漸開始在航空發動機冷端部件、短艙和反推部件上得到應用。

　　什么是樹脂基復合材料樹脂基復合材料是以樹脂材料為基體、高性能連續纖維為增強材料，通過復合工藝制備而成，具有明顯優于原組分性能的一類新材料。目前廣泛應用的樹脂主要包括環氧樹脂、雙馬樹脂和聚酰亞胺樹脂，增強纖維主要包括碳纖維、玻璃纖維，工程上更習慣將碳纖維增強復合材料稱為先進樹脂基復合材料。

　　發展歷程

　　樹脂基復合材料在航空渦扇發動機上的應用研究始于20世紀50年代，經過60余年的發展，GE、PW、RR以及MTU、SNECMA等公司投入了大量精力進行樹脂基復合材料研發，取得了很大進展，已經將其工程化應用到現役航空渦扇發動機，并且還有進一步擴大應用量的趨勢。

　　樹脂基復合材料在航空發動機上的應用部位

　　樹脂基復合材料的服役溫度一般不超過350℃。因此，樹脂基復合材料主要應用于航空發動機的冷端。樹脂基復合材料在國外先進航空發動機上的主要應用部位如圖1所示。

圖1樹脂基復合材料在國外先進航空發動機冷端上的主要應用部位

　　風扇葉片

　　發動機風扇葉片是渦扇發動機最具代表性的重要零件，渦扇發動機的性能與它的發展密切相關。據統計，風扇段質量約占發動機總質量的30%～35%，降低風扇段質量是降低發動機質量和提高發動機效率的關鍵手段，采用更大、更輕的風扇葉片已成為發動機的發展趨勢。風扇葉片每減重1kg，風扇機匣和傳動系統也相應減少1kg，同時發動機結構和飛機的機翼/機身結構也分別減重0.5kg，這種由于風扇結構減重帶來的疊代效應對飛機的減重非常重要。與鈦合金風扇葉片相比，樹脂基復合材料風扇葉片具有非常明顯的減重優勢。除具有明顯的減重優勢之外，樹脂基復合材料風扇葉片受撞擊后對風扇機匣的沖擊較小，有利于提升風扇機匣包容性。

　　目前，國外已進行商業化應用的復合材料風扇葉片的主要代表有為B777配套的GE90系列發動機，為B787配套的GEnx發動機，還有為中國商飛C919配套的LEAP-X發動機。1995年，裝配樹脂基復合材料風扇葉片的GE90-94B發動機正式投入商業運營，標志著樹脂基復合材料在現代高性能航空發動機上正式實現工程化應用。在綜合考慮空氣動力學、高低周疲勞循環等因素的基礎上，GE公司又為后續的GE90-115B發動機研制了新的復合材料風扇葉片。經過11年累計890萬小時的飛行，GE90-115B發動機僅有3片復合材料葉片被更換下來，證明復合材料葉片適用于嚴格的商業飛行要求。上述發動機的復合材料風扇葉片均為鋪層結構，即采用碳纖維/環氧樹脂預浸料作為原材料，經放樣、下料、鋪層等工序后模壓而成。在材料和模壓成型工藝不變的情況下，GE公司又對GE90-115B發動機風扇葉片進行優化，葉片數量由 GE90-115B的22片減為18片，進一步降低了發動機重量。

　　進入21世紀，航空發動機對高損傷容限復合材料的強烈需求牽引著復合材料技術進一步發展，而通過不斷提高碳纖維/環氧樹脂預浸料韌性的方法已經很難滿足高損傷容限的要求。在此背景下，3D編織結構復合材料風扇葉片應運而生。Snecma公司采用3D編織/RTM技術來制造LEAP發動機的風扇葉片，即首先用碳纖維編織成具有葉片形狀的預制體，然后放入模具中采用RTM成型工藝灌注樹脂，相比采用預浸料/模壓工藝的鋪層復合材料風扇葉片，采用這種工藝成型的復合材料葉片具有非常優異的層間性能，其損傷容限與抗外物損傷性能大大提升。

　　值得注意的是，這兩種結構的樹脂基復合材料風扇葉片均采用鈦合金加強邊對葉片前緣、葉尖、葉根等關鍵部位進行增強。

　　風扇機匣

　　風扇機匣是航空發動機最大的靜止部件，它的減重將會直接影響航空發動機的推重比與效率。因此，國外先進航空發動機OEM也一直致力于風扇機匣的減重與結構優化工作。圖2為所示為國外先進航空發動機風扇機匣發展趨勢。

　　風扇機匣的主要功能是在葉片由于疲勞破壞或鳥撞造成脫落時，能起到防止高能碎片造成災難性后果的作用。最初的風扇機匣多采用不銹鋼或鋁合金，這就導致風扇機匣的重量較大。隨著復合材料技術的發展，國外OEM率先將芳綸干纖維織物應用于風扇機匣，這種結構的風扇機匣的內壁為鋁制的環形殼體，環形殼體外纏繞多層用Kevlar材料織成的條帶，最外層用環氧樹脂包覆，這種結構的風扇機匣又稱為風扇包容環。對于這種結構的風扇機匣，當風扇葉片碎片撞擊到風扇機匣后，會穿透薄壁金屬機匣卻被芳綸織物層捕獲，而且整體結構不被破壞。但由于采用了多層芳綸纖維織物，導致這種風扇機匣非常厚，盡管重量比金屬機匣有所降低，但對整體設計和裝配有較大影響。

　　相對于金屬葉片，復合材料葉片在脫落沖擊風扇機匣時會分裂成更小的碎片，有利于機匣的包容。伴隨著樹脂基復合材料風扇葉片在航空發動機上的應用，全樹脂基復合材料風扇機匣開始在航空發動機上推廣應用。GEnx發動機即同時采用了復合材料風扇葉片和全復合材料風扇機匣，使樹脂基復合材料的減重優勢得以充分發揮。這種風扇包容機匣首先采用二維三軸編織技術制造編織預成型體，當復合材料風扇葉片碎片撞擊到包容機匣后，可以被有效包容，包容效率提高大約30%。

圖2風扇機匣發展趨勢

　　風扇帽罩

　　因為是非主承力構件，風扇帽罩是航空發動機上最先使用的復合材料制造的部件之一，使用復合材料制造的風扇帽罩可以提供更輕的重量、簡化的防冰結構、更好的耐蝕性以及更優異的抗疲勞性能。目前，復合材料替代合金作為風扇進氣帽罩的材料已經成為了一種趨勢。

　　目前，在R.R公司RB211發動機、PW公司PW1000G、PW4000已經采用樹脂基復合材料制備風扇帽罩。

　　出口導流葉片作為靜止部件，出口導流葉片(OGV)已經在國外先進航空發動機冷端部件上得到廣泛應用，PW4084、PW4168發動機采用PR500環氧樹脂制造風扇OGV。 PW1000G發動機采用AS7纖維/VRM37環氧樹脂RTM成型工藝制備風扇OGV，并已形成成熟的復合材料靜子葉片工藝和技術體系。短艙

　　相比航空發動機主機，樹脂基復合材料在航空發動機短艙具有更廣闊的應用空間，如圖3所示。根據資料，國外廠商已經在短艙進氣道、整流罩、反推裝置、降噪聲襯部位大規模使用樹脂基復合材料。