FACC將為羅羅Advance發(fā)動機制造碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料封嚴(yán)片。

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

風(fēng)扇上的應(yīng)用已成熟

商用發(fā)動機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(fù)合材料被應(yīng)用到發(fā)動機的風(fēng)扇葉片和機匣。羅羅公司是最早開始研究樹脂基復(fù)合材料在發(fā)動機風(fēng)扇上應(yīng)用的公司。早在20世紀(jì)50年代，羅羅公司設(shè)計的RB108發(fā)動機的壓氣機葉片和機匣中就開始應(yīng)用玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。20世紀(jì)70年代，RB211-22B發(fā)動機的風(fēng)扇葉片中使用了名為“Hyfil”的碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。不幸的是，Hyfil葉片缺乏足夠的強度和制造可重復(fù)性，迫使該公司在發(fā)動機進(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)動機生產(chǎn)了超過1000個碳纖維復(fù)合材料的涵道。

波音777飛機配備的GE90是首款使用碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的實用渦扇發(fā)動機。GE90的風(fēng)扇葉片長1.2m，每個葉片使用手工鋪設(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(fā)動機的風(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個減少為18個，并首次將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用擴展到風(fēng)扇前機匣。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)動機風(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和中國商飛C919提供動力的LEAP發(fā)動機的風(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)氧樹脂的樹脂傳遞模塑(RTM)工藝的成熟。復(fù)合材料的3D編制預(yù)成形件是通過機器編織一個單獨的、精密預(yù)成形的零件。LEAP發(fā)動機風(fēng)扇機匣應(yīng)用了同樣的技術(shù)，采用了長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試要求，不需要制造和組裝單獨的密封環(huán)。

與LEAP發(fā)動機類似，羅羅公司下一代遄達(dá)發(fā)動機以及將在2020年投入使用的Advance發(fā)動機將采用奧地利FACC公司開發(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%，每臺發(fā)動機需18～22個封嚴(yán)片，減少了金屬風(fēng)扇葉盤的負(fù)載，可以使用更輕的風(fēng)扇葉盤。Advance發(fā)動機采用碳纖維復(fù)合材料葉片、機匣，與早期的遄達(dá)發(fā)動機相比，將減輕680kg，改善20%的燃油效率，減少20%的碳排放。預(yù)計將在2025年后服役的“超扇”（UltraFan）發(fā)動機，也將繼續(xù)使用復(fù)合材料，預(yù)計燃油效率和減排效率比早期遄達(dá)發(fā)動機均提高25%，比遄達(dá)XWB分別提高6%和10%。遄達(dá)XWB是目前空客A350寬體客機配備的發(fā)動機，風(fēng)扇葉片沒有使用碳纖維復(fù)合材料，但在風(fēng)扇后機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、具備吸聲能力的碳纖維復(fù)合材料外涵道。自2001年以來，F(xiàn)ACC已經(jīng)為羅羅的BR700系列發(fā)動機生產(chǎn)了1000多個復(fù)合材料零件。

混合復(fù)材和高溫復(fù)材部件成熱點

為波音777X飛機提供動力的GE9X發(fā)動機，將在2020年投入服役，其風(fēng)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(yīng)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(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)通過了鳥擊測試。GE9X采用新的三維氣動設(shè)計，葉片可以做得更薄，數(shù)量還可以比GEnx和GE90-115B發(fā)動機減少2～6片。更少的風(fēng)扇葉片數(shù)和新的葉片設(shè)計使風(fēng)扇葉尖速度更快，提高了低壓渦輪效率。GE9X的風(fēng)扇前機匣和后風(fēng)扇框架也將采用復(fù)合材料，由賽峰設(shè)計制造，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，由美國EDO纖維創(chuàng)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(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(tuán)子公司赫拉克勒斯設(shè)計和生產(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)動機的設(shè)計就是要想方設(shè)法地提高燃油效率，而發(fā)動機的短艙優(yōu)化成為關(guān)注的重點。CFM公司LEAP發(fā)動機最顯著的特征之一就是采用了新一代的發(fā)動機短艙設(shè)計。該發(fā)動機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)動機本身，IPS系統(tǒng)中復(fù)合材料重量占80%，發(fā)動機短艙中應(yīng)用的復(fù)合材料重量占70%。IPS的設(shè)計理念是在進(jìn)行發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，同時考慮短艙結(jié)構(gòu)與吊掛結(jié)構(gòu)，避免了發(fā)動機短艙和吊掛單獨設(shè)計時過度保守的情況，加上使用輕質(zhì)復(fù)合材料，IPS將LEAP發(fā)動機的燃油效率又提升了2%。

LEAP發(fā)動機的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，提高了燃油效率和反推裝置效率。IPS的另一個關(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，改善了空氣動力學(xué)特性。內(nèi)壁也是一個整體復(fù)合材料構(gòu)件，可降低噪聲。未來，短艙-發(fā)動機一體化是飛機研制過程中的重要目標(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)的實現(xiàn)。  （胡燕萍）