FACC將為羅羅Advance發(fā)動(dòng)機(jī)制造碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料封嚴(yán)片。

碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料重量輕、強(qiáng)度高，可替代傳統(tǒng)鋁合金應(yīng)用在機(jī)翼、機(jī)身等部位。隨著碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性的提升，在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用也越來(lái)越多。在軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，GE公司在“自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)”（AETD）項(xiàng)目中將樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)用于核心機(jī)的靜子部件，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)重量，進(jìn)一步提高了燃油效率和推重比。在商用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，借助于在機(jī)匣、風(fēng)扇葉片、涵道等部位引入輕質(zhì)的碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料，CFM公司的LAEP發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比上升到10。

風(fēng)扇上的應(yīng)用已成熟

商用發(fā)動(dòng)機(jī)提高涵道比的需求是復(fù)合材料應(yīng)用到風(fēng)扇上的主要?jiǎng)恿?。更高的涵道比意味著更高的燃油效率，但也?huì)增加渦扇的尺寸和重量。因此，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料被應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片和機(jī)匣。羅羅公司是最早開(kāi)始研究樹(shù)脂基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇上應(yīng)用的公司。早在20世紀(jì)50年代，羅羅公司設(shè)計(jì)的RB108發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片和機(jī)匣中就開(kāi)始應(yīng)用玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。20世紀(jì)70年代，RB211-22B發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片中使用了名為“Hyfil”的碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。不幸的是，Hyfil葉片缺乏足夠的強(qiáng)度和制造可重復(fù)性，迫使該公司在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入服役之前將其換回鈦合金。

FACC已經(jīng)為羅羅BR700系列發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)了超過(guò)1000個(gè)碳纖維復(fù)合材料的涵道。

波音777飛機(jī)配備的GE90是首款使用碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的實(shí)用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。GE90的風(fēng)扇葉片長(zhǎng)1.2m，每個(gè)葉片使用手工鋪設(shè)的碳纖維預(yù)浸料多達(dá)1700層，再用熱壓罐固化和精加工，每個(gè)葉片的制造需要340h。

為波音787和波音747-8飛機(jī)提供動(dòng)力的GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片也使用了碳纖維復(fù)合材料。由于復(fù)合材料性能的改進(jìn)，葉片數(shù)量由GE90的22個(gè)減少為18個(gè)，并首次將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用擴(kuò)展到風(fēng)扇前機(jī)匣。GEnx采用日本東麗公司的T700標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維，由A&P技術(shù)公司編織成雙向和三向織物。GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片在2007年的產(chǎn)量是3000片，而到2009年的年產(chǎn)量接近18000片。

為波音737 MAX、空客A320neo和中國(guó)商飛C919提供動(dòng)力的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片也使用了碳纖維復(fù)合材料，年產(chǎn)量達(dá)28000片。這么高的產(chǎn)量主要得益于奧爾巴尼工程復(fù)合材料公司發(fā)明了3D編織預(yù)成形件技術(shù)，以及快速注入環(huán)氧樹(shù)脂的樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)工藝的成熟。復(fù)合材料的3D編制預(yù)成形件是通過(guò)機(jī)器編織一個(gè)單獨(dú)的、精密預(yù)成形的零件。LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣應(yīng)用了同樣的技術(shù)，采用了長(zhǎng)30m的凈近成形三維編織預(yù)成形體，和鋁相比減重30%，能夠滿足葉片包容性測(cè)試要求，不需要制造和組裝單獨(dú)的密封環(huán)。

與LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)類似，羅羅公司下一代遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)以及將在2020年投入使用的Advance發(fā)動(dòng)機(jī)將采用奧地利FACC公司開(kāi)發(fā)的碳纖維復(fù)合材料環(huán)封嚴(yán)片。這些部件與金屬件相比，減重40%，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)需18～22個(gè)封嚴(yán)片，減少了金屬風(fēng)扇葉盤(pán)的負(fù)載，可以使用更輕的風(fēng)扇葉盤(pán)。Advance發(fā)動(dòng)機(jī)采用碳纖維復(fù)合材料葉片、機(jī)匣，與早期的遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，將減輕680kg，改善20%的燃油效率，減少20%的碳排放。預(yù)計(jì)將在2025年后服役的“超扇”（UltraFan）發(fā)動(dòng)機(jī)，也將繼續(xù)使用復(fù)合材料，預(yù)計(jì)燃油效率和減排效率比早期遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)均提高25%，比遄達(dá)XWB分別提高6%和10%。遄達(dá)XWB是目前空客A350寬體客機(jī)配備的發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇葉片沒(méi)有使用碳纖維復(fù)合材料，但在風(fēng)扇后機(jī)匣和擾流板等部件中采用了FACC制造的碳纖維復(fù)合材料。此外，F(xiàn)ACC還為羅羅建造了輕量級(jí)、具備吸聲能力的碳纖維復(fù)合材料外涵道。自2001年以來(lái)，F(xiàn)ACC已經(jīng)為羅羅的BR700系列發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)了1000多個(gè)復(fù)合材料零件。

混合復(fù)材和高溫復(fù)材部件成熱點(diǎn)

為波音777X飛機(jī)提供動(dòng)力的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)，將在2020年投入服役，其風(fēng)扇葉片將首次同時(shí)使用碳纖維和玻璃纖維作為混合增強(qiáng)材料，其中玻璃纖維含量為5%～10%。由于玻璃纖維被破壞時(shí)應(yīng)變較大，在斷裂前能夠彎曲，可以提高葉片的抗撞擊強(qiáng)度。這種采用兩種以上不同纖維或其他增強(qiáng)材料的復(fù)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(jīng)通過(guò)了鳥(niǎo)擊測(cè)試。GE9X采用新的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，葉片可以做得更薄，數(shù)量還可以比GEnx和GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)減少2～6片。更少的風(fēng)扇葉片數(shù)和新的葉片設(shè)計(jì)使風(fēng)扇葉尖速度更快，提高了低壓渦輪效率。GE9X的風(fēng)扇前機(jī)匣和后風(fēng)扇框架也將采用復(fù)合材料，由賽峰設(shè)計(jì)制造，并同樣采用三維編制預(yù)成形技術(shù)。GE9X的風(fēng)扇直徑有3.4m，機(jī)匣也采用碳纖維復(fù)合材料，相比金屬材料減重近160kg。

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

高溫復(fù)合材料在風(fēng)扇以外的高溫部件中也開(kāi)始應(yīng)用，如GEnx的變量溢流閥(VBV)導(dǎo)管。這種導(dǎo)管結(jié)構(gòu)位于風(fēng)扇組件的出口位置，共有10個(gè)，由美國(guó)EDO纖維創(chuàng)新公司采用碳纖維增強(qiáng)雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)制造，在高溫下能夠承受內(nèi)部壓力和抗氧化，而每套導(dǎo)管重量只有3.6kg。俄羅斯的SaM146發(fā)動(dòng)機(jī)上的混流噴嘴(MFN)也采用了碳纖維增強(qiáng)的BMI零件，由賽峰集團(tuán)子公司赫拉克勒斯設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，比金屬輕30%(相當(dāng)于20kg)，其復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)襯可以吸收將聲波限制在160000個(gè)小孔內(nèi)，起到吸聲的作用。

復(fù)合材料集成推進(jìn)系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)就是要想方設(shè)法地提高燃油效率，而發(fā)動(dòng)機(jī)的短艙優(yōu)化成為關(guān)注的重點(diǎn)。CFM公司LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)最顯著的特征之一就是采用了新一代的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙設(shè)計(jì)。該發(fā)動(dòng)機(jī)短艙由奈賽公司制造，被稱為第一款真正的“集成推進(jìn)系統(tǒng)”（IPS）。除了發(fā)動(dòng)機(jī)本身，IPS系統(tǒng)中復(fù)合材料重量占80%，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙中應(yīng)用的復(fù)合材料重量占70%。IPS的設(shè)計(jì)理念是在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)考慮短艙結(jié)構(gòu)與吊掛結(jié)構(gòu)，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和吊掛單獨(dú)設(shè)計(jì)時(shí)過(guò)度保守的情況，加上使用輕質(zhì)復(fù)合材料，IPS將LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率又提升了2%。

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的IPS采用整體式復(fù)合材料O形管取代傳統(tǒng)反推裝置的兩件套D形門，使氣流更平滑地繞過(guò)，提高了燃油效率和反推裝置效率。IPS的另一個(gè)關(guān)鍵特征是低阻力前緣，其用整體式復(fù)合材料結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的多片鋁合金前緣、前艙壁和外筒集成件，消除了結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，使層流延伸到短艙尾部，改善了空氣動(dòng)力學(xué)特性。內(nèi)壁也是一個(gè)整體復(fù)合材料構(gòu)件，可降低噪聲。未來(lái)，短艙-發(fā)動(dòng)機(jī)一體化是飛機(jī)研制過(guò)程中的重要目標(biāo)，將要求采用超薄的層流短艙、自適應(yīng)風(fēng)扇葉片、具有扭曲容限的風(fēng)扇和多自由度聲學(xué)襯墊，而復(fù)合材料可以幫助這些所有這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。  （胡燕萍）