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航空发动机树脂基复合材料的应用

   日期:2023-11-07     来源:复材邦    浏览:149    评论:0    
核心提示:树脂基复合材料因其比强度比刚度高,可设计性好,阻尼减振性能优异,易于整体化成型等优点已成为新型航空发动机重要的结构材料。

树脂基复合材料因其比强度比刚度高,可设计性好,阻尼减振性能优异,易于整体化成型等优点已成为新型航空发动机重要的结构材料。本文选取风扇叶片,包容机匣,声衬和衬套等典型航空发动机部件,介绍了树脂基复合材料在国外民用航空发动机的应用状况。之后论述了树脂基复合材料在航空发动机结构优化,经济性,环保性等方面的优势。基于微纳材料混杂技术,3D打印技术和超材料技术分析了航空发动机树脂基复合材料发展的新趋势。最后从"设计-材料-工艺-评价"角度就未来树脂基复合材料在我国民用航空发动机应用发展提出了一些思考。

近些年美国通用电气公司(USA, general electric company, GE或通用电气)、美国普拉特·惠特尼公司(USA, pratt & whitney group, P&W或普·惠)、英国罗尔斯·罗伊斯公司(UK, rolls-royce group, R·R或罗·罗)等在树脂基复合材料发动机部件应用方面取得了较大进展。以普·惠公司为例,1970年首先在JT9D发动机上使用玻璃纤维/环氧树脂复合材料制备了风扇整流锥。为了进一步减重,1981年采用芳纶纤维/环氧树脂复合材料制备了JT9D-TR4发动机整流锥。

之后树脂基复合材料被大量应用于普·惠发动机上,如PW4084发动机树脂传递模塑工艺(resin transfer moulding, RTM)制备的碳纤维/环氧树脂风扇叶片垫块、PW4168发动机双马树脂复合材料整流罩和碳纤维/环氧树脂复合材料反推力装置等短舱部件。图1中列出了目前国外民用涡扇发动机树脂基复合材料应用部位、材料体系及制备工艺。图中1~12依次为涡扇发动机电控单元匣、进气道消声衬板、风扇叶片、进气整流锥、进气整流罩、发动机检视门、反推力装置、压气机整流罩、外涵道、出口导流叶片、风扇机匣、发动机短舱等部件。以下将对国外民用航空发动机典型树脂基复合材料部件应用发展状况进行详细分析。

01风扇叶片

20世纪七十年代,罗·罗公司最早尝试将碳纤维树脂基复合材料应用于RB211发动机风扇叶片。但由于所使用复合材料基体韧性较低,最终未能通过风扇叶片鸟撞测试,导致该型发动机沿用了传统钛合金风扇叶片。

随着低质量、高进气效率、大涵道比航空发动机的研发及树脂基复合材料性能的提高,上世纪90年代通用电气公司选取美国赫氏公司(USA, Hexcel Corporation) HexPly 8551-7韧性环氧树脂为基体,IM7碳纤维为增强纤维,采用单向预浸料模压工艺制备GE90发动机进气风扇叶片。叶片表面涂覆聚氨酯防腐涂层提高叶片抗腐蚀性能。叶片前缘使用美国3M公司(USA, 3M Company) AF191胶黏剂粘接钛合金薄片增强叶片抗冲击性能。叶片根部具有自润滑特氟龙耐磨层(图2(a))。此后通用电气公司GEnx和GE9X型发动机均采用树脂基复合材料风扇叶片。

在适用于单通道客机的中小推力发动机方面,传统CFM56系列发动机采用钛合金风扇叶片及合金钢金属机匣。为进一步减轻发动机重量,降低燃油消耗,美国通用电气和法国赛风集团(France, Safran Group)旗下斯奈克玛公司(SNECMA)合资成立的CFM国际公司(USA & France, CFM international company, CFMI)开发了LEAP系列发动机。LEAP系列发动机风扇叶片采用3D整体编织技术制备了具有三维交织结构且近似零尺寸误差的纤维预成型体(图2(b))。通过树脂传递模塑工艺灌注树脂实现纤维浸润和树脂固化(图3)。其中纤维三维编织结构可有效提高叶片抗冲击性能。

2020年1月上旬,罗·罗公司在英国布里斯托开始了名为“超级风扇”(UltraFan®)的发动机原型机制造。该发动机采用全树脂基复合材料风扇叶片和机匣。风扇叶片由碳纤维/韧性树脂预浸料铺贴固化而成。叶片前缘采用与GE90风扇叶片相似的钛合金包边起抗腐蚀和异物冲击作用。罗·罗公司预计该型发动机装机服役后,可实现飞机整体减重700 kg,相比第一代遄达系列发动机更为省油,降低至少25%的二氧化碳排放。

 

图1 树脂基复合材料在民用涡扇发动机的应用

 

图2 GE90(a)及 LEAP系列航空发动机复合材料风扇叶片(b)

 

图3 LEAP系列发动机树脂基复合材料风扇叶片制造过程

(a) 三维纤维预成型体制备;

(b) 纤维预成型体装模;

(c) 树脂灌注固化;

(d) 叶片成品件

02风扇机匣

发动机运转过程中叶片因遭受撞击或疲劳断裂时,风扇机匣对脱落叶片起包容作用,避免其对飞机其他部分造成损害。因而风扇机匣是维系飞机服役安全可靠的重要部件。

早期涡扇发动机风扇叶片多为钛合金材质,一旦脱落对风扇机匣的冲击能量较大。风扇机匣多采用铝合金、钛合金或高强度合金钢制造,以增加结构厚度提高包容效果,称为硬包容。之后研发出以环形金属机匣壳体为内衬,外部依次缠绕若干圈芳纶纤维编织条带为保护层的复合结构机匣,依靠芳纶纤维层易于发生大变形吸能的特点捕获碎片,故而称为软包容。

由于发动机风扇涵道比日趋增大,风扇部分在发动机总重中占比变大,高性能轻量化的要求越发迫切。伴随着GE90系列发动机复合材料风扇叶片的成熟使用,在后续GEnx型发动机上GE公司研发了全复合材料风扇机匣。该机匣采用自动化二维三轴编织技术将日本东丽公司(Japan, Toray Industries, Inc) TORAYC T700碳纤维按0°及±60°三个方向编织成厚度为7.62 mm纤维预成型体。利用树脂传递模塑工艺灌注CYCOM PR520环氧树脂(比利时索尔维集团(Belgium, Solvay Group)旗下氰特公司(Cytec Industries )产品)固化成型。法国赛风集团旗下斯奈克玛公司也采用了增强纤维3D编织技术及树脂传递模塑工艺制备了LEAP系列发动机复合材料风扇机匣,如图4所示。

 

图4 民用涡扇发动机风扇机匣结构变化

03声衬

进气风扇噪声已成为现代大涵道比航空发动机噪声的主要来源。在进气道内铺设声衬是航空发动机消声降噪的重要方式之一。声衬所具有的穿孔板蜂窝结构可视为数个并联的亥姆霍兹共振结构。当其共振频率与噪声频率匹配时起到消声效果。传统单自由度声衬噪声吸收频带较窄,多自由度声衬虽能拓宽吸声频带,但也存在加工工艺复杂、尺寸较大、结构增重较多的问题。

基于以上问题,赫氏公司开发了商品名为Acousti-Cap的隔帽内嵌式蜂窝,如图5所示。由表面穿孔柔性材料(如聚醚醚酮,PEEK)折叠成隔帽形状嵌入蜂窝腔中胶粘定位,从而起到双自由度声衬中声学隔膜的作用。蜂窝声阻抗特性可以由以下3个因素调节:(a)蜂窝腔中隔帽数量;(b)蜂窝腔中隔帽位置;(c)不同种类声阻抗特性隔帽。相比传统多自由度声衬,采用该种蜂窝制备声衬厚度较薄所需安装空间小,声衬整体结构强度较高。目前此蜂窝已用于通用电气、罗·罗、CFM国际等公司生产的多型航空发动机,不仅减轻了质量而且实现了多达30%的噪声衰减。

传统进气道消声板为拼接分片式设计,拼接造成进气道壁面声阻抗不连续削弱了消声效果。受益于复合材料进气道无拼接声衬设计,欧洲空中客车公司(Airbus)早期A320飞机发动机进气道声衬拼缝为3片15 cm,之后A340-600飞机发动机为2片7.5 cm宽。采用树脂基复合材料整体成型工艺后,A380飞机发动机为环形无拼接声衬(图6)。

 

图5 隔帽内嵌式蜂窝制造示意图

(a)及等深(b)、非等深(c)隔帽式蜂窝实物图

 

图6 民用航空发动机进气道拼接式与无拼接式消声板

04衬套

传统树脂基复合材料基体耐温性能较低,通常应用于航空发动机冷端结构及外部覆盖件。以聚酰亚胺树脂为代表的耐高温树脂基体研发使树脂基复合材料用于航空发动机近热端部件成为可能。聚酰亚胺衬套是树脂基复合材料在压气机等耐温要求较高部位的典型应用之一。衬套用聚酰亚胺复合材料不仅满足长期工作温度280 ℃左右,短时经受400 ℃以上的耐温要求,同时具有良好的热尺寸稳定性、自润滑性、低摩擦系数、优异的耐磨损性能和力学性能。

美国杜邦公司(USA, DuPont Company)开发了Vespel系列聚酰亚胺复合材料,其中包括石墨填充聚酰亚胺复合材料(如Vespel SP-21、SP-22等)及碳纤维织物增强聚酰亚胺复合材料(如:Vespel CP-8000、CP-0664等)。该系列聚酰亚胺复合材料已应用于罗·罗公司BR710型、普·惠公司PW6000系列等多型航空发动机压气机可调静子叶片衬套,如图7所示。

 

图7 航空发动机聚酰亚胺复合材料衬套

05反推力装置

材料和结构同时成型是树脂基复合材料区别于金属材料的特点之一。这为航空发动机大型复杂部件的整体化设计、一体化制造提供了可能。美国奈赛公司(USA, Nexcelle)摒弃了传统的分离式子系统设计理念,在中国商飞公司(China, commercial aircraft corporation of china, Ltd., COMAC) C919大型客机装备的LEAP-1C发动机上开发了集成式推进系统(integrated propulsion system, IPS)。其中包括一体式复合材料进气整流罩和整体复合材料“O型”滑动反推装置,如图8所示。

 

图8 LEAP-1C发动机一体式整流罩和“O型”滑动反推装置

06展望

经过数十年的发展,树脂基复合材料在民用涡扇发动机上得到了广泛的应用。树脂基复合材料不仅降低了航空发动机结构质量,在发动机可靠性、经济性和环保性方面也起到了积极的推动作用。其用量已成为衡量航空发动机先进性的重要标志。

国外在航空发动机复合材料应用方面已经积累了大量试验数据和服役经验,在多型航空发动机上已获得较为成熟的应用。相比而言,我国在民用航空发动机树脂基复合材料部件研发应用方面还存在一定差距。需要从结构设计、原材料、制造工艺、验证评价等诸多方面进行赶超。相信随着国内树脂基复合材料技术的日益进步,我国树脂基复合材料在民用涡扇发动机的应用必将迎来突破性发展。

 
 
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