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碳纖維復合材料——無可比擬的航空發動機減重材料

分類:實時資訊 發布日期:2022-06-14 發布人:溈徠

碳纖維復合材料——無可比擬的航空發動機減重材料(圖1)


FACC將為羅羅Advance發動機制造碳纖維增強樹脂基復合材料封嚴片。


碳纖維樹脂基復合材料重量輕、強度高,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和韌性的提升,在飛機發動機上的應用也越來越多。在軍用渦扇發動機領域,GE公司在“自適應發動機技術開發”(AETD)項目中將樹脂基復合材料應用于核心機的靜子部件,減輕了發動機重量,進一步提高了燃油效率和推重比。在商用發動機領域,借助于在機匣、風扇葉片、涵道等部位引入輕質的碳纖維樹脂基復合材料,CFM公司的LAEP發動機涵道比上升到10。


風扇上的應用已成熟


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。更高的涵道比意味著更高的燃油效率,但也會增加渦扇的尺寸和重量。因此,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。羅羅公司是最早開始研究樹脂基復合材料在發動機風扇上應用的公司。

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樹脂復合材料。20世紀70年代,RB211-22B發動機的風扇葉片中使用了名為“Hyfil”的碳纖維環氧樹脂復合材料。不幸的是,Hyfil葉片缺乏足夠的強度和制造可重復性,迫使該公司在發動機進入服役之前將其換回鈦合金。

碳纖維復合材料——無可比擬的航空發動機減重材料(圖2)


FACC已經為羅羅BR700系列發動機生產了超過1000個碳纖維復合材料的涵道。


波音777飛機配備的GE90是首款使用碳纖維復合材料風扇葉片的實用渦扇發動機。GE90的風扇葉片長1.2m,每個葉片使用手工鋪設的碳纖維預浸料多達1700層,再用熱壓罐固化和精加工,每個葉片的制造需要340h。


為波音787和波音747-8飛機提供動力的GEnx發動機的風扇葉片也使用了碳纖維復合材料。由于復合材料性能的改進,葉片數量由GE90的22個減少為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。GEnx發動機風扇葉片在2007年的產量是3000片,而到2009年的年產量接近18000片。


為波音737 MAX、空客A320neo和中國商飛C919提供動力的LEAP發動機的風扇葉片也使用了碳纖維復合材料,年產量達28000片。這么高的產量主要得益于奧爾巴尼工程復合材料公司發明了3D編織預成形件技術,以及快速注入環氧樹脂的樹脂傳遞模塑(RTM)工藝的成熟。復合材料的3D編制預成形件是通過機器編織一個單獨的、精密預成形的零件。LEAP發動機風扇機匣應用了同樣的技術,采用了長30m的凈近成形三維編織預成形體,和鋁相比減重30%,能夠滿足葉片包容性測試要求,不需要制造和組裝單獨的密封環。

與LEAP發動機類似,羅羅公司下一代遄達發動機以及將在2020年投入使用的Advance發動機將采用奧地利FACC公司開發的碳纖維復合材料環封嚴片。這些部件與金屬件相比,減重40%,每臺發動機需18~22個封嚴片,減少了金屬風扇葉盤的負載,可以使用更輕的風扇葉盤。Advance發動機采用碳纖維復合材料葉片、機匣,與早期的遄達發動機相比,將減輕680kg,改善20%的燃油效率,減少20%的碳排放。

預計將在2025年后服役的“超扇”(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遄達發動機均提高25%,比遄達XWB分別提高6%和10%。遄達XWB是目前空客A350寬體客機配備的發動機,風扇葉片沒有使用碳纖維復合材料,但在風扇后機匣和擾流板等部件中采用了FACC制造的碳纖維復合材料。此外,FACC還為羅羅建造了輕量級、具備吸聲能力的碳纖維復合材料外涵道。自2001年以來,FACC已經為羅羅的BR700系列發動機生產了1000多個復合材料零件。

混合復材和高溫復材部件成熱點


為波音777X飛機提供動力的GE9X發動機,將在2020年投入服役,其風扇葉片將首次同時使用碳纖維和玻璃纖維作為混合增強材料,其中玻璃纖維含量為5%~10%。由于玻璃纖維被破壞時應變較大,在斷裂前能夠彎曲,可以提高葉片的抗撞擊強度。這種采用兩種以上不同纖維或其他增強材料的復材葉片被稱為混合材料葉片。


其中,GE9X葉片就是混合材料葉片,已經通過了鳥擊測試。GE9X采用新的三維氣動設計,葉片可以做得更薄,數量還可以比GEnx和GE90-115B發動機減少2~6片。更少的風扇葉片數和新的葉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,并同樣采用三維編制預成形技術。GE9X的風扇直徑有3.4m,機匣也采用碳纖維復合材料,相比金屬材料減重近160kg。


碳纖維復合材料——無可比擬的航空發動機減重材料(圖3)


Nexcelle公司集成推系統的復合材料O形管(左)和330°整體成形碳復合材料內蒙皮。


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。這種導管結構位于風扇組件的出口位置,共有10個,由美國EDO纖維創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部壓力和抗氧化,而每套導管重量只有3.6kg。


俄羅斯的SaM146發動機上的混流噴嘴(MFN)也采用了碳纖維增強的BMI零件,由賽峰集團子公司赫拉克勒斯設計和生產,比金屬輕30%(相當于20kg),其復合材料蜂窩結構內襯可以吸收將聲波限制在160000個小孔內,起到吸聲的作用。


復合材料集成推進系統


發動機的設計就是要想方設法地提高燃油效率,而發動機的短艙優化成為關注的重點。CFM公司LEAP發動機最顯著的特征之一就是采用了新一代的發動機短艙設計。該發動機短艙由奈賽公司制造,被稱為第一款真正的“集成推進系統”(IPS)。


除了發動機本身,IPS系統中復合材料重量占80%,發動機短艙中應用的復合材料重量占70%。IPS的設計理念是在進行發動機結構設計時,同時考慮短艙結構與吊掛結構,避免了發動機短艙和吊掛單獨設計時過度保守的情況,加上使用輕質復合材料,IPS將LEAP發動機的燃油效率又提升了2%。


LEAP發動機的IPS采用整體式復合材料O形管取代傳統反推裝置的兩件套D形門,使氣流更平滑地繞過,提高了燃油效率和反推裝置效率。IPS的另一個關鍵特征是低阻力前緣,其用整體式復合材料結構取代了傳統的多片鋁合金前緣、前艙壁和外筒集成件,消除了結構的不連續性,使層流延伸到短艙尾部,改善了空氣動力學特性。


內壁也是一個整體復合材料構件,可降低噪聲。未來,短艙-發動機一體化是飛機研制過程中的重要目標,將要求采用超薄的層流短艙、自適應風扇葉片、具有扭曲容限的風扇和多自由度聲學襯墊,而復合材料可以幫助這些所有這些技術的實現。


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