碳纤维增强树脂基复合材料在航空发动机领域应用

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来源：www.gshaoshi.com 发布时间：2019/6/13 17:27:43

碳纤维增强树脂基复合材料在航空发动机领域应用

碳纤维树脂基复合材料轻质、高强，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、韧性的提升，在飞机发动机上的应用也得到越来越大的关注。在军用涡扇发动机领域，GE公司在六代机的AETD核心机的静子部件中通过采用树脂基复合材料，减轻发动机重量，进一步提高燃油效率和推重比。

在商用发动机领域，借助于在机匣、风扇叶片、涵道管等部位引入轻质的碳纤维树脂基复合材料，LAEP发动机涵道比上升到10∶1；宽体客机和窄体客机的平均燃油效率分别降低为1980年的27%和35%；在2050年，有望达到欧洲航空研究委员会的呼吁目标，与2000年相比，每乘客千米二氧化碳减少75%，氮氧化物（NOx）排放减少90%，噪声减少65%相比。

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。为了增大飞机发动机的涵道比和效率，必须采用更大尺寸的风扇，这使得风扇段的质量占发动机总质量的比例增加。风扇质量一般至少要占发动机总质量的30%左右，下一代单通道飞机用的发动机需要更高的涵道比以及更大的风扇尺寸。更高的涵道比意味着更好的燃油效率，但也需要增加了涡扇的大小和重量。因此，轻质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。

在气动设计、结构设计和复合材料技术发展的基础上，大涵道比商用发动机应用复合材料风扇叶片，可以进一步提高商用飞机的推重比和燃油效率，降低噪声和有害气体排放，增加舒适性和经济性。叶片每减少1kg，风扇、机匣和传动系统都将减少1kg，同时，发动机结构和飞机的机翼/机身结构分别减少0.5kg，因此，这种由风扇结构减重引起的叠加效应对飞机减重非常重要。

与金属钛合金叶片相比较，复合材料叶片具有以下一些明显优势：复合材料叶片数量比钛合金叶片数量减少50%，减轻质量66%；高效率、低噪声；较低燃油消耗率；在抗振特别是抗颤振方面，优于钛合金叶片；抗鸟撞能力得到了适航当局的认可。而且，采用复合材料可以减轻风扇及发动机质量，提高比刚度、疲劳性能、损伤和缺陷容限等，航空发动机采用先进复合材料是同时实现更高涵道比和减重的唯一途径，这也为扩大复合材料在发动机上的使用提供了最大的机遇。

表1 用于发动机冷端件的复合材料与金属性能对比

罗罗公司是最早开始树脂基复合材料在发动机风扇上应用研究的公司。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/环氧复合材料；在20世纪70年代，RB211-22B发动机的风扇叶片中使用了名为“Hyfil”的碳纤维增强的环氧复合材料。不幸的是，Hyfil叶片缺乏足够的鸟击强度和制造可重复性，迫使该公司在发动机进入服役之前换回钛合金。

GE航空公司为波音777提供动力的GE90，是首个使用碳纤维增强复合材料风扇叶片并进入实际服役的涡扇发动机。叶片长1.2米，每个叶片使用超过1700个手工铺层的碳纤维预浸料制造，通过热压罐固化和精加工，每个叶片需要340个小时。GE90于1995年开始服役，也在风扇定子机匣、风扇平台、声学平台中应用复合材料，均由GE公司位于贝茨维尔的美国工厂生产。为波音787和747-8飞机提供动力的GEnx涡扇发动机也使用了碳纤维增强复合材料风扇叶片，由于复合材料性能的改进，叶片数量由GE90的22个，降为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。相比GE90在2007年3000片/年的产量，GEnx在2009年的产量接近1800叶片/年。

为波音737MAX、空客320neo和中国商飞C919提供动力的LEAP发动机的风扇叶片也是应用了碳纤维增强复合材料，产量达28000片/年。LEAP是CFM国际公司在CFM56的基础上研制的新一代大涵道比涡扇发动机，用于新一代150-200座级单通道客机，这一发动机是针对下一代飞机进行改造的产品，具有更好的燃油经济性和更低的二氧化碳排放量。

LEAP发动机高生产速率是由于两方面的技术突破：一是奥尔巴尼工程复合材料公司的3D编织预成型件；二是可以迅速注入环氧树脂的树脂传递模塑（RTM）工艺。复合材料的3D编制预成型件是通过机器编织，制造一个单独的、精密预成型的零件，实现强度和刚度的裁剪。LEAP发动机风扇机匣也应用了同样的技术，采用了30米长，净形3D编织预成型体，和铝相比减重30%，能够满足叶片飞出测试要求，不需要制造和组装单独的密封环。叶片和叶根间隔器之间的平台几何形状复杂，也使用了3D预成型件和RTM工艺。

LEAP采用了宽弦后掠三维成型复合材料叶片，边缘用钛合金加强，数量只有18个，叶片总重量只有70公斤左右，而且结构牢固，抗鸟撞能力强，制造成本却相对较低。由于叶片数量减少，加上采用了后掠设计，可以降低了叶片通道之中激动的强度，从而提高发动机的进气流量，增加推力，降低油耗。我国C919客机上采用了LEAP-X1C发动机，这也是中国C919选用的唯一国外启动动力装置。

与LEAP发动机类似，罗罗公司下一代的遄达发动机，以及在2020年投入使用的Advance发动机将采用奥地利FACC开发的碳纤维增强复合材料环填料。这些部件与金属件相比，减重40%，每台发动机需18～22个填料，减少了金属风扇叶盘的负载，可以使用更轻的风扇叶盘。Advance发动机采用碳纤维增强复合材料叶片、机匣，与早期的湍达发动机相比，将节省高达680千克重量，改善20%的燃油效率，减少20%的碳排放。在2025年服役的后续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湍达发动机均提高25%，比遄达XWB分别提高6%和10%。遄达XWB是目前空客A350XWB的选项之一，没有使用碳纤维增强复合材料的风扇叶片，但在风扇后机匣、风扇拨道杆，分岔衬，反流板等部件中采用了FACC制造的碳纤维增强复合材料。此外，FACC还为罗罗建造了轻量级、具备吸声能力的碳纤维增强复合材料外涵道管。自2001年以来，FACC已经为罗罗的BR700系列区域喷气发动机生产了超过1000个零件。

通用电器GEnx(General Electric Next-generation)发动机是一款先进的双转子轴流式大涵道涡轮风扇发动机，应用于波音787、747-8。此外，GEnx也是作为CF6的替代产品，GEnx运用了一些在GE90涡轮风扇发动机中的技术，包括复合材料制造的风扇叶片以及更小的体积的核心组件。GEnx发动机风扇叶片采用三维气动技术设计，是一种高流量后掠型叶片，这种第三代复合材料叶片（带钛前缘）重量轻、耐久性好、效率高、噪声低。叶片数由GE90的22片减为18片，重量明显降低，巡航耗油率比CF6-80E1A4发动机降低了15.4%。

“CJ-1000A”是我国首款商用航空发动机，是装配国产大飞机的唯一国产引擎，中航商发目前正在抓紧时间对“CJ-1000AX”验证机进行各方面的相关研制和验证工作。在高端叶片制造技术上，我国与国外着名的航空发动机制造公司还有着较大的差距，产品技术已成为制约我国航空发动机产品发展的瓶颈，只有在技术水平及制造工艺上不断创新，才能在日趋激烈的竞争中占有一席之地。由于航空发动机叶片制造技术的敏感性和保密性，中国在自己的大型飞机航空发动机的研发上要想通过合作的方式获得最先进的飞机发动机制造技术几乎是不可能的。