復(fù)材葉片在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用和發(fā)展

摘 要：進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，多領(lǐng)域技術(shù)都得到了巨大的發(fā)展，特別是隨著交通運(yùn)輸業(yè)的進(jìn)步，大型民用飛機(jī)開(kāi)始成為交通運(yùn)輸?shù)闹髁姡蚨鲊?guó)開(kāi)始更加重視大型飛機(jī)的研制，航空業(yè)也開(kāi)始成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。而大型飛機(jī)研發(fā)的重點(diǎn)以及核心技術(shù)便是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。隨著民用航空業(yè)的發(fā)展，民用航空飛機(jī)核心技術(shù)——發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也發(fā)展飛速，其中復(fù)材葉片已經(jīng)逐步在多種民機(jī)型號(hào)中得以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：民用航空；復(fù)合材料；發(fā)動(dòng)機(jī)；風(fēng)扇葉片

過(guò)去飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片主要采用金屬以及合金，隨著新材料出現(xiàn)，復(fù)合材料開(kāi)始被應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，與金屬材料相比，其具有低重、低噪、高效的優(yōu)勢(shì)，并且復(fù)材葉片數(shù)量更少，能夠有效抗震顫、損傷，并且在抗鳥(niǎo)撞性上也更加優(yōu)越，滿足了現(xiàn)代民航適航需要。因而復(fù)材葉片開(kāi)始受到世界各大發(fā)動(dòng)機(jī)廠商的關(guān)注，并逐步得以推廣應(yīng)用。

1 復(fù)合材料葉片的應(yīng)用

復(fù)材葉片制造技術(shù)主要有預(yù)浸料/壓模技術(shù)和3-DWOVEN/RTM技術(shù)。采用預(yù)浸料/模壓技術(shù)的代表有GE90、GEnx、TRENT1000及TRENTXWB發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，而LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片采用3D-WOVEN/RTM技術(shù)成型。

1.1 預(yù)浸料/模壓成型葉片

采用該種復(fù)材葉片的代表主要有GE90發(fā)動(dòng)機(jī)和GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)（美國(guó)GE），此外羅·羅公司也在進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。

（1）GE90發(fā)動(dòng)機(jī)。該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)為GE公司上世紀(jì)九十年代所研發(fā)的特大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，是國(guó)外應(yīng)用于民航最早使用復(fù)材葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)之一。該發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)材葉片使用了預(yù)浸料/模壓成形技術(shù)，葉片從內(nèi)至外逐漸減薄，葉尖厚度最薄。并且在葉身涂有防腐涂層（聚氨酯），葉背采用一般涂層，前緣包邊采用鈦合金材料，從而提高葉片鳥(niǎo)撞抗性。為防止復(fù)合材料在運(yùn)行中分層，在葉片后緣以及葉尖處采用纖維縫合技術(shù)予以加固。葉根榫頭為三角燕尾形，其表面涂有耐磨材料以降低榫頭摩擦系數(shù)。

GE90所采用的復(fù)材葉片為22片，相比較于鈦合金空心葉片，復(fù)材葉片質(zhì)量更輕，強(qiáng)度更高。經(jīng)過(guò)十余年的運(yùn)行，證明了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片適用于具有嚴(yán)格要求的商業(yè)飛行的需要。

（2）GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)所應(yīng)用的復(fù)材葉片材料以及模壓成型工藝，同GE90相比變化不大，在此基礎(chǔ)上GEnx對(duì)GE90的復(fù)材葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。GEnx主要采用了第3代GE復(fù)合材料，外形也類似GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)，但由于使用了新一代三元流設(shè)計(jì)，葉片數(shù)減為18片，總質(zhì)量進(jìn)一步降低。葉片尖部以及前緣使用鈦合金護(hù)套，并在葉片榫根部位，增加了耐磨襯墊，便于后期維護(hù)檢修。

（3）隨著復(fù)合材料在民航發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用，英國(guó)羅·羅公司也開(kāi)始將目光從鈦合金葉片上轉(zhuǎn)移到復(fù)材葉片。其同GKN集團(tuán)正共同進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)復(fù)材葉片的研發(fā)，該葉片同鈦合金葉片同樣薄，并且在量產(chǎn)、成本以及魯棒性上均符合民航發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。目前這種碳纖維風(fēng)扇葉片已經(jīng)完成了包括葉片飛出、鳥(niǎo)撞試驗(yàn)在內(nèi)的地面試驗(yàn)。

1.2 3-DWOVEN/RTM成型復(fù)材葉片

對(duì)于風(fēng)扇葉片中等推力發(fā)動(dòng)機(jī)提出的強(qiáng)度要求更高，因而Snecma公司在CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中，在LEAP-X中將會(huì)應(yīng)用碳纖維對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行增強(qiáng)。相比較于GEnx以及GE90，所采用的碳纖維薄層鋪設(shè)技術(shù)不同，Snecma公司在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制造中所采用的RTM工藝，是將碳纖維進(jìn)行預(yù)先編制，在樹(shù)脂注入以及葉片高壓成型之前，碳纖維便已經(jīng)成為3-DWOVEN結(jié)構(gòu)。

Snecma公司在復(fù)材葉片的制造上委托了AEC公司，由于AEC公司生產(chǎn)制造自動(dòng)化程度相對(duì)較高，因而其制備三維編制預(yù)制體并完成整個(gè)葉片的制造僅需要24小時(shí)。

同CFM56（CFM公司）發(fā)動(dòng)機(jī)相比，LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)葉片成型采用了3-DWOVEN/RTM技術(shù)，前者結(jié)構(gòu)上采用了更多的技術(shù)，而后者采用復(fù)合材料，有效減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提高了燃油效率，降低了排放量和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。目前，LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)開(kāi)始得到中國(guó)多種旅客機(jī)的關(guān)注，未來(lái)將會(huì)逐步在中國(guó)普及推廣。

2 復(fù)材葉片的發(fā)展趨勢(shì)

因復(fù)合材料的低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度，能有效降低油耗、噪音，采用復(fù)合材料葉片已成為民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。制約復(fù)合材料葉片大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素是預(yù)制體制備、復(fù)材成型技術(shù)等。

2.1 預(yù)制體制備

復(fù)材葉片制造的難點(diǎn)之一是制備預(yù)制體。國(guó)外常用的預(yù)制體制備方法有兩種：一種是選用IM7/8551-7和IM7/M91作為預(yù)浸料并采用激光定位手工/自動(dòng)化成型技術(shù)制備，適用于制備大推力、大葉盤直徑渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片預(yù)制體；另一種是對(duì)IM7碳纖維進(jìn)行預(yù)浸漬處理，通過(guò)3D-WOVEN/RTM自動(dòng)化技術(shù)成型，主要用于制備小推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的預(yù)制體。以往采用激光定位輔助+手工鋪疊的技術(shù)進(jìn)行預(yù)制體制造，而GKN公司開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化絲束鋪放設(shè)備（簡(jiǎn)稱AFP）可實(shí)現(xiàn)預(yù)制體的自動(dòng)化成型。羅·羅公司在研制TNENT系列發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片時(shí)使用了GKN公司的自動(dòng)化纖維絲束鋪放設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了復(fù)材葉片預(yù)制體的自動(dòng)化成型，并運(yùn)用超聲刀對(duì)預(yù)制體進(jìn)行切割。Snecma公司率先提出了無(wú)余量預(yù)制體成型技術(shù)、預(yù)制體預(yù)變形技術(shù)以及高度自動(dòng)化的預(yù)制體制備技術(shù)。Snecma公司的3DW/RTM成型風(fēng)扇葉片預(yù)制體技術(shù)可降低傳統(tǒng)二維風(fēng)扇葉片的分層缺陷產(chǎn)生的可能性，讓葉片頂部更薄、根部更厚；經(jīng)紗連續(xù)的變截面成型技術(shù)提高預(yù)制體的承載能力；采用高壓水射流對(duì)預(yù)制體進(jìn)行無(wú)余量切割。

2.2 成型技術(shù)

RTM注射成型以及模壓是目前國(guó)際上流行的復(fù)材葉片成型技術(shù)，雖然兩者在技術(shù)上具有一定的差異性，但均可稱為閉模成型技術(shù)。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片扭轉(zhuǎn)大且為雙曲面，其結(jié)構(gòu)形式相對(duì)復(fù)雜，常規(guī)的成型技術(shù)無(wú)法滿足葉片加工精度，而閉模成型技術(shù)的成型精度高，能夠很好的滿足渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于葉片制造的需求，因而其逐步成為目前復(fù)材葉片成型的主流技術(shù)。隨著技術(shù)的逐步發(fā)展，目前國(guó)外開(kāi)始利用復(fù)合材料模具代替金屬模具，以此保證生產(chǎn)加工中模具和零件能夠保持一致的熱膨脹系數(shù)，進(jìn)而獲得更高的零件尺寸精度。此外，復(fù)材葉片成型加工技術(shù)開(kāi)始引入數(shù)字仿真模擬技術(shù)，從而在技術(shù)研究前期對(duì)成形工藝進(jìn)行方向性指導(dǎo)，在研制過(guò)程中合理規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，縮短研制周期，降低研制成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合材料以其優(yōu)越的特性開(kāi)始成為民航發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的主流材料，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，復(fù)材發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制造效率更高，自動(dòng)化程度也更先進(jìn)。在未來(lái)高精度、可靠性、一致性會(huì)成為復(fù)材葉片生產(chǎn)研發(fā)的主要方向。我國(guó)自主研發(fā)的大型民用客機(jī)中也開(kāi)始應(yīng)用商用發(fā)動(dòng)機(jī)，這為我國(guó)復(fù)材葉片的研發(fā)制造提供了一個(gè)契機(jī)，雖然目前復(fù)合材料在我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中還處于初始應(yīng)用階段，復(fù)材葉片的制造業(yè)僅在起步階段，但在我國(guó)技術(shù)人員的努力下，我國(guó)自主研發(fā)的應(yīng)用復(fù)材葉片的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)必然會(huì)在世界航空領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

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