XIAOZHONGMING

2017-3-14  来源：上海中航商用航空发动机制造有限责任公司  作者：廖焕文

      摘要：进入新世纪以来，多领域技术都得到了巨大的发展，特别是随着交通运输业的进步，大型民用飞机开始成为交通运输的主力军，因而各国开始更加重视大型飞机的研制，航空业也开始成为衡量一个国家综合国力的重要标准。而大型飞机研发的重点以及核心技术便是发动机技术。随着民用航空业的发展，民用航空飞机核心技术———发动机技术也发展飞速，其中复材叶片已经逐步在多种民机型号中得以应用。


      关键词：民用航空；复合材料；发动机；风扇叶片


      过去飞机发动机叶片主要采用金属以及合金，随着新材料出现，复合材料开始被应用于航空发动机叶片，与金属材料相比，其具有低重、低噪、高效的优势，并且复材叶片数量更少，能够有效抗震颤、损伤，并且在抗鸟撞性上也更加优越，满足了现代民航适航需要。因而复材叶片开始受到世界各大发动机厂商的关注，并逐步得以推广应用。


      1.复合材料叶片的应用


      复材叶片制造技术主要有预浸料/压模技术和3-DWOVEN/RTM技术。采用预浸料/模压技术的代表有GE90、GEnx、TRENT1000 及TRENTXWB发动机的复合材料风扇叶片，而LEAP-X发动机复合材料风扇叶片采用3D-WOVEN/RTM技术成型。


      1.1 预浸料/模压成型叶片


      采用该种复材叶片的代表主要有GE90发动机和GEnx 发动机（美国GE），此外罗·罗公司也在进行相关研发。


     （1）GE90发动机。该型号发动机为GE公司上世纪九十年代所研发的特大推力发动机，是国外应用于民航最早使用复材叶片的发动机之一。该发动机复材叶片使用了预浸料/模压成形技术，叶片从内至外逐渐减薄，叶尖厚度最薄。并且在叶身涂有防腐涂层（聚氨酯），叶背采用一般涂层，前缘包边采用钛合金材料，从而提高叶片鸟撞抗性。为防止复合材料在运行中分层，在叶片后缘以及叶尖处采用纤维缝合技术予以加固。叶根榫头为三角燕尾形，其表面涂有耐磨材料以降低榫头摩擦系数。


      GE90所采用的复材叶片为22片，相比较于钛合金空心叶片，复材叶片质量更轻，强度更高。经过十余年的运行，证明了复合材料风扇叶片适用于具有严格要求的商业飞行的需要。


     （2）GEnx发动机。该发动机所应用的复材叶片材料以及模压成型工艺，同GE90 相比变化不大，在此基础上GEnx 对GE90 的复材叶片的结构设计进行了优化。GEnx 主要采用了第3 代GE 复合材料，外形也类似GE90-115B发动机，但由于使用了新一代三元流设计，叶片数减为18 片，总质量进一步降低。叶片尖部以及前缘使用钛合金护套，并在叶片榫根部位，增加了耐磨衬垫，便于后期维护检修。


    （3）随着复合材料在民航发动机中的应用，英国罗·罗公司也开始将目光从钛合金叶片上转移到复材叶片。其同GKN集团正共同进行碳纤维增强复材叶片的研发，该叶片同钛合金叶片同样薄，并且在量产、成本以及鲁棒性上均符合民航发动机标准。目前这种碳纤维风扇叶片已经完成了包括叶片飞出、鸟撞试验在内的地面试验。


      1.2 3-DWOVEN/RTM成型复材叶片


      对于风扇叶片中等推力发动机提出的强度要求更高，因而Snecma 公司在CFM56系列发动机研发中，在LEAP-X中将会应用碳纤维对复合材料进行增强。相比较于GEnx以及GE90，所采用的碳纤维薄层铺设技术不同，Snecma 公司在LEAP发动机叶片的制造中所采用的RTM工艺，是将碳纤维进行预先编制，在树脂注入以及叶片高压成型之前，碳纤维便已经成为3-DWOVEN结构。Snecma 公司在复材叶片的制造上委托了AEC 公司，由于AEC 公司生产制造自动化程度相对较高，因而其制备三维编制预制体并完成整个叶片的制造仅需要24小时。


      同CFM56（CFM 公司）发动机相比，LEAP 发动机叶片成型采用了3-DWOVEN/RTM 技术，前者结构上采用了更多的技术，而后者采用复合材料，有效减轻了发动机重量，提高了燃油效率，降低了排放量和发动机噪声。目前，LEAP-X 发动机已经开始得到中国多种旅客机的关注，未来将会逐步在中国普及推广。


      2.复材叶片的发展趋势


      因复合材料的低密度、高比强度、高比刚度，能有效降低油耗、噪音，采用复合材料叶片已成为民用航空发动机的发展趋势。制约复合材料叶片大规模应用的关键因素是预制体制备、复材成型技术等。


      2.1 预制体制备


      复材叶片制造的难点之一是制备预制体。国外常用的预制体制备方法有两种：一种是选用IM7/8551-7 和IM7/M91作为预浸料并采用激光定位手工/自动化成型技术制备，适用于制备大推力、大叶盘直径涡扇发动机的风扇叶片预制体；另一种是对IM7碳纤维进行预浸渍处理，通过3D-WOVEN/RTM 自动化技术成型，主要用于制备小推力涡扇发动机风扇叶片的预制体。以往采用激光定位辅助+ 手工铺叠的技术进行预制体制造，而GKN公司开发了自动化丝束铺放设备（简称AFP）可实现预制体的自动化成型。罗·罗公司在研制TNENT 系列发动机复合材料风扇叶片时使用了GKN 公司的自动化纤维丝束铺放设备，实现了复材叶片预制体的自动化成型，并运用超声刀对预制体进行切割。Snecma 公司率先提出了无余量预制体成型技术、预制体预变形技术以及高度自动化的预制体制备技术。Snecma 公司的3DW/RTM成型风扇叶片预制体技术可降低传统二维风扇叶片的分层缺陷产生的可能性，让叶片顶部更薄、根部更厚；经纱连续的变截面成型技术提高预制体的承载能力；采用高压水射流对预制体进行无余量切割。


      2.2 成型技术


      RTM注射成型以及模压是目前国际上流行的复材叶片成型技术，虽然两者在技术上具有一定的差异性，但均可称为闭模成型技术。涡扇发动机的叶片扭转大且为双曲面，其结构形式相对复杂，常规的成型技术无法满足叶片加工精度，而闭模成型技术的成型精度高，能够很好的满足涡扇发动机对于叶片制造的需求，因而其逐步成为目前复材叶片成型的主流技术。随着技术的逐步发展，目前国外开始利用复合材料模具代替金属模具，以此保证生产加工中模具和零件能够保持一致的热膨胀系数，进而获得更高的零件尺寸精度。此外，复材叶片成型加工技术开始引入数字仿真模拟技术，从而在技术研究前期对成形工艺进行方向性指导，在研制过程中合理规避风险，缩短研制周期，降低研制成本。


      3.结束语


     复合材料以其优越的特性开始成为民航发动机叶片的主流材料，并且随着技术的发展，复材发动机叶片的制造效率更高，自动化程度也更先进。在未来高精度、可靠性、一致性会成为复材叶片生产研发的主要方向。我国自主研发的大型民用客机中也开始应用商用发动机，这为我国复材叶片的研发制造提供了一个契机，虽然目前复合材料在我国航空发动机制造中还处于初始应用阶段，复材叶片的制造业仅在起步阶段，但在我国技术人员的努力下，我国自主研发的应用复材叶片的涡扇发动机必然会在世界航空领域占据一席之地。