『关注』碳纤维复合材料发动机罩轻量化设计研究
摘要FACC公司将为罗罗公司的Advance发动机制造碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）封严片，该材料的应用将显著减轻发动机重量，提高燃油效率并减少碳排放。CFRP因其轻质和高强度特性，在飞机发动机领域的应用日益广泛，已替代传统铝合金材料用于机翼、机身等部件。目前，CFRP已应用于多款发动机的风扇叶片，并通过新技术和工艺提升生产效率。同时，高温复合材料也开始应用于高温部件，提升发动机性能。展望未来，CFRP将在飞机设计中扮演更加重要的角色，实现轻量化并提升整体性能。正文导读：FACC将为罗罗Advance发动机制造碳纤维增强树脂基复合材料封严片。Advance发动机采用碳纤维复合材料叶片、机匣，与早期的遄达发动机相比，将减轻680kg，改善20%的燃油效率，减少20%的碳排放。碳纤维树脂基复合材料重量轻、强度高，可替代传统铝合金应用在机翼、机身等部位。随着碳纤维复合材料强度和韧性的提升，在飞机发动机上的应用也越来越多。在军用涡扇发动机领域，GE公司在“自适应发动机技术开发”（AETD）项目中将树脂基复合材料应用于核心机的静子部件，减轻了发动机重量，进一步提高了燃油效率和推重比。在商用发动机领域，借助于在机匣、风扇叶片、涵道等部位引入轻质的碳纤维树脂基复合材料，CFM公司的LAEP发动机涵道比上升到10。风扇上的应用已成熟商用发动机提高涵道比的需求是复合材料应用到风扇上的主要动力。更高的涵道比意味着更高的燃油效率，但也会增加涡扇的尺寸和重量。因此，碳纤维增强树脂基复合材料被应用到发动机的风扇叶片和机匣。罗罗公司是最早开始研究树脂基复合材料在发动机风扇上应用的公司。早在20世纪50年代，罗罗公司设计的RB108发动机的压气机叶片和机匣中就开始应用玻璃纤维环氧树脂复合材料。20世纪70年代，RB211-22B发动机的风扇叶片中使用了名为“Hyfil”的碳纤维环氧树脂复合材料。不幸的是，Hyfil叶片缺乏足够的强度和制造可重复性，迫使该公司在发动机进入服役之前将其换回钛合金。FACC已经为罗罗BR700系列发动机生产了超过1000个碳纤维复合材料的涵道。波音777飞机配备的GE90是首款使用碳纤维复合材料风扇叶片的实用涡扇发动机。GE90的风扇叶片长1.2m，每个叶片使用手工铺设的碳纤维预浸料多达1700层，再用热压罐固化和精加工，每个叶片的制造需要340h。为波音787和波音747-8飞机提供动力的GEnx发动机的风扇叶片也使用了碳纤维复合材料。由于复合材料性能的改进，叶片数量由GE90的22个减少为18个，并首次将碳纤维复合材料应用扩展到风扇前机匣。GEnx采用日本东丽公司的T700标准模量碳纤维，由A&P技术公司编织成双向和三向织物。GEnx发动机风扇叶片在2007年的产量是3000片，而到2009年的年产量接近18000片。为波音737 MAX、空客A320neo和中国商飞C919提供动力的LEAP发动机的风扇叶片也使用了碳纤维复合材料，年产量达28000片。这么高的产量主要得益于奥尔巴尼工程复合材料公司发明了3D编织预成形件技术，以及快速注入环氧树脂的树脂传递模塑(RTM)工艺的成熟。复合材料的3D编制预成形件是通过机器编织一个单独的、精密预成形的零件。LEAP发动机风扇机匣应用了同样的技术，采用了长30m的净近成形三维编织预成形体，和铝相比减重30%，能够满足叶片包容性测试要求，不需要制造和组装单独的密封环。与LEAP发动机类似，罗罗公司下一代遄达发动机以及将在2020年投入使用的Advance发动机将采用奥地利FACC公司开发的碳纤维复合材料环封严片。这些部件与金属件相比，减重40%，每台发动机需18～22个封严片，减少了金属风扇叶盘的负载，可以使用更轻的风扇叶盘。Advance发动机采用碳纤维复合材料叶片、机匣，与早期的遄达发动机相比，将减轻680kg，改善20%的燃油效率，减少20%的碳排放。预计将在2025年后服役的“超扇”（UltraFan）发动机，也将继续使用复合材料，预计燃油效率和减排效率比早期遄达发动机均提高25%，比遄达XWB分别提高6%和10%。遄达XWB是目前空客A350宽体客机配备的发动机，风扇叶片没有使用碳纤维复合材料，但在风扇后机匣和扰流板等部件中采用了FACC制造的碳纤维复合材料。此外，FACC还为罗罗建造了轻量级、具备吸声能力的碳纤维复合材料外涵道。自2001年以来，FACC已经为罗罗的BR700系列发动机生产了1000多个复合材料零件。混合复材和高温复材部件成热点为波音777X飞机提供动力的GE9X发动机，将在2020年投入服役，其风扇叶片将首次同时使用碳纤维和玻璃纤维作为混合增强材料，其中玻璃纤维含量为5%～10%。由于玻璃纤维被破坏时应变较大，在断裂前能够弯曲，可以提高叶片的抗撞击强度。这种采用两种以上不同纤维或其他增强材料的复材叶片被称为混合材料叶片。其中，GE9X叶片就是混合材料叶片，已经通过了鸟击测试。GE9X采用新的三维气动设计，叶片可以做得更薄，数量还可以比GEnx和GE90-115B发动机减少2～6片。更少的风扇叶片数和新的叶片设计使风扇叶尖速度更快，提高了低压涡轮效率。GE9X的风扇前机匣和后风扇框架也将采用复合材料，由赛峰设计制造，并同样采用三维编制预成形技术。GE9X的风扇直径有3.4m，机匣也采用碳纤维复合材料，相比金属材料减重近160kg。Nexcelle公司集成推系统的复合材料O形管（左）和330°整体成形碳复合材料内蒙皮。高温复合材料在风扇以外的高温部件中也开始应用，如GEnx的变量溢流阀(VBV)导管。这种导管结构位于风扇组件的出口位置，共有10个，由美国EDO纤维创新公司采用碳纤维增强双马来酰亚胺(BMI)制造，在高温下能够承受内部压力和抗氧化，而每套导管重量只有3.6kg。俄罗斯的SaM146发动机上的混流喷嘴(MFN)也采用了碳纤维增强的BMI零件，由赛峰集团子公司赫拉克勒斯设计和生产，比金属轻30%(相当于20kg)，其复合材料蜂窝结构内衬可以吸收将声波限制在160000个小孔内，起到吸声的作用。复合材料集成推进系统发动机的设计就是要想方设法地提高燃油效率，而发动机的短舱优化成为关注的重点。CFM公司LEAP发动机最显著的特征之一就是采用了新一代的发动机短舱设计。该发动机短舱由奈赛公司制造，被称为第一款真正的“集成推进系统”（IPS）。除了发动机本身，IPS系统中复合材料重量占80%，发动机短舱中应用的复合材料重量占70%。IPS的设计理念是在进行发动机结构设计时，同时考虑短舱结构与吊挂结构，避免了发动机短舱和吊挂单独设计时过度保守的情况，加上使用轻质复合材料，IPS将LEAP发动机的燃油效率又提升了2%。LEAP发动机的IPS采用整体式复合材料O形管取代传统反推装置的两件套D形门，使气流更平滑地绕过，提高了燃油效率和反推装置效率。IPS的另一个关键特征是低阻力前缘，其用整体式复合材料结构取代了传统的多片铝合金前缘、前舱壁和外筒集成件，消除了结构的不连续性，使层流延伸到短舱尾部，改善了空气动力学特性。内壁也是一个整体复合材料构件，可降低噪声。未来，短舱-发动机一体化是飞机研制过程中的重要目标，将要求采用超薄的层流短舱、自适应风扇叶片、具有扭曲容限的风扇和多自由度声学衬垫，而复合材料可以帮助这些所有这些技术的实现。（胡艳萍，中航工业发展研究中心）来源：《国际航空》2016年第5期来源：碳纤维生产技术
