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  • 甘肅郝氏炭纖維是一家專門從事碳布,硬質復合炭氈,炭纖維布,炭纖維復合氈的民營高新技術企業。
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    碳纖維增強樹脂基復合材料在航空發動機領域應用
    來源:www.thaliasoap.com 發布時間:2019/6/13 17:27:43
    碳纖維增強樹脂基復合材料在航空發動機領域應用

    碳纖維樹脂基復合材料輕質、高強,可替代傳統鋁合金,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,在飛機發動機上的應用也得到越來越大的關注。在軍用渦扇發動機領域,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,減輕發動機重量,進一步提高燃油效率和推重比。

    在商用發動機領域,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,每乘客千米二氧化碳減少75%,氮氧化物(NOx)排放減少90%,噪聲減少65%相比。

    商用發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。為了增大飛機發動機的涵道比和效率,必須采用更大尺寸的風扇,這使得風扇段的質量占發動機總質量的比例增加。風扇質量一般至少要占發動機總質量的30%左右,下一代單通道飛機用的發動機需要更高的涵道比以及更大的風扇尺寸。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動機的風扇葉片和機匣。

    在氣動設計、結構設計和復合材料技術發展的基礎上,大涵道比商用發動機應用復合材料風扇葉片,可以進一步提高商用飛機的推重比和燃油效率,降低噪聲和有害氣體排放,增加舒適性和經濟性。葉片每減少1kg,風扇、機匣和傳動系統都將減少1kg,同時,發動機結構和飛機的機翼/機身結構分別減少0.5kg,因此,這種由風扇結構減重引起的疊加效應對飛機減重非常重要。

    與金屬鈦合金葉片相比較,復合材料葉片具有以下一些明顯優勢:復合材料葉片數量比鈦合金葉片數量減少50%,減輕質量66%;高效率、低噪聲;較低燃油消耗率;在抗振特別是抗顫振方面,優于鈦合金葉片;抗鳥撞能力得到了適航當局的認可。而且,采用復合材料可以減輕風扇及發動機質量,提高比剛度、疲勞性能、損傷和缺陷容限等,航空發動機采用先進復合材料是同時實現更高涵道比和減重的唯一途徑,這也為擴大復合材料在發動機上的使用提供了最大的機遇。

    表1 用于發動機冷端件的復合材料與金屬性能對比

    羅羅公司是最早開始樹脂基復合材料在發動機風扇上應用研究的公司。早在20世紀50年代,羅羅公司設計的RB108發動機的壓氣機葉片和機匣中就開始應用玻璃纖維/環氧復合材料;在20世紀70年代,RB211-22B發動機的風扇葉片中使用了名為“Hyfil”的碳纖維增強的環氧復合材料。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。為波音787和747-8飛機提供動力的GEnx渦扇發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/年的產量,GEnx在2009年的產量接近1800葉片/年。

    為波音737MAX、空客320neo和中國商飛C919提供動力的LEAP發動機的風扇葉片也是應用了碳纖維增強復合材料,產量達28000片/年。LEAP是CFM國際公司在CFM56的基礎上研制的新一代大涵道比渦扇發動機,用于新一代150-200座級單通道客機,這一發動機是針對下一代飛機進行改造的產品,具有更好的燃油經濟性和更低的二氧化碳排放量。


    LEAP發動機高生產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,實現強度和剛度的裁剪。LEAP發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。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。

    LEAP采用了寬弦后掠三維成型復合材料葉片,邊緣用鈦合金加強,數量只有18個,葉片總重量只有70公斤左右,而且結構牢固,抗鳥撞能力強,制造成本卻相對較低。由于葉片數量減少,加上采用了后掠設計,可以降低了葉片通道之中激動的強度,從而提高發動機的進氣流量,增加推力,降低油耗。我國C919客機上采用了LEAP-X1C發動機,這也是中國C919選用的唯一國外啟動動力裝置。

    與LEAP發動機類似,羅羅公司下一代的遄達發動機,以及在2020年投入使用的Advance發動機將采用奧地利FACC開發的碳纖維增強復合材料環填料。這些部件與金屬件相比,減重40%,每臺發動機需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發動機采用碳纖維增強復合材料葉片、機匣,與早期的湍達發動機相比,將節省高達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UltraFan發動機,也將繼續使用復合材料,預計燃油效率和減排效率比早期湍達發動機均提高25%,比遄達XWB分別提高6%和10%。遄達XWB是目前空客A350XWB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,FACC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。自2001年以來,FACC已經為羅羅的BR700系列區域噴氣發動機生產了超過1000個零件。

    通用電器GEnx(General Electric Next-generation)發動機是一款先進的雙轉子軸流式大涵道渦輪風扇發動機,應用于波音787、747-8。此外,GEnx也是作為CF6的替代產品,GEnx運用了一些在GE90渦輪風扇發動機中的技術,包括復合材料制造的風扇葉片以及更小的體積的核心組件。GEnx發動機風扇葉片采用三維氣動技術設計,是一種高流量后掠型葉片,這種第三代復合材料葉片(帶鈦前緣)重量輕、耐久性好、效率高、噪聲低。葉片數由GE90的22片減為18片,重量明顯降低,巡航耗油率比CF6-80E1A4發動機降低了15.4%。


    “CJ-1000A”是我國首款商用航空發動機,是裝配國產大飛機的唯一國產引擎,中航商發目前正在抓緊時間對“CJ-1000AX”驗證機進行各方面的相關研制和驗證工作。在高端葉片制造技術上,我國與國外著名的航空發動機制造公司還有著較大的差距,產品技術已成為制約我國航空發動機產品發展的瓶頸,只有在技術水平及制造工藝上不斷創新,才能在日趨激烈的競爭中占有一席之地。由于航空發動機葉片制造技術的敏感性和保密性,中國在自己的大型飛機航空發動機的研發上要想通過合作的方式獲得最先進的飛機發動機制造技術幾乎是不可能的。

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