復(fù)合材料在商用發(fā)動機作動系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

袁 杰，王文山

（中航工業(yè)慶安集團有限公司，西安710077）

復(fù)合材料在商用發(fā)動機作動系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

袁 杰，王文山

（中航工業(yè)慶安集團有限公司，西安710077）

先進飛機及其發(fā)動機的需求是復(fù)合材料發(fā)展的強大推動力?；趶?fù)合材料的特點以及在航空中的應(yīng)用情況，提出了發(fā)動機作動系統(tǒng)對復(fù)合材料的需求。根據(jù)商用發(fā)動機作動系統(tǒng)的定義與范圍，詳細(xì)論述了該系統(tǒng)未來發(fā)展方向?qū)?fù)合材料的應(yīng)用需求。通過對比分析復(fù)合材料在國內(nèi)外發(fā)動機作動系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了鈦基復(fù)合材料、SiC復(fù)合材料、變形記憶合金復(fù)合材料、壓電功能復(fù)合材料等先進復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展方向，為中國商用發(fā)動機作動技術(shù)的發(fā)展提供相關(guān)建議。

復(fù)合材料；作動系統(tǒng)；商用飛機；商用發(fā)動機；作動器

0 引言

復(fù)合材料是將承載能力較強材料填入相對較弱材料而形成的，其中承載能力較強材料通常作為增強體，承載能力較弱材料通常作為基體。增強體的強度、剛度和其它機械特性提高了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)負(fù)載能力，易于塑造的基體用于保持增強體的位置和方向[1]。復(fù)合材料的增強體和基體在性能上相互取長補短，產(chǎn)生綜合效應(yīng)，其性能大大優(yōu)于原始組成材料。

由于復(fù)合材料具有比重小、比強度和比模量大的特點使其逐漸替代傳統(tǒng)鋼、鋁合金應(yīng)用在飛機上。早在20世紀(jì)50年代，玻璃纖維復(fù)合材料首次在B707客機上應(yīng)用，但僅占其結(jié)構(gòu)的2%。目前空客的最新型客機A380使用復(fù)合材料已占機身結(jié)構(gòu)的25%，波音的先進客機B787使用復(fù)合材料則高達50%左右，全機主要結(jié)構(gòu)均采用復(fù)合材料加工而成，比用鋁合金材料減輕了4536 kg，油耗降低20%[1-4]。隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，材料強度和韌性的進一步提升，其在發(fā)動機上的應(yīng)用也越來越多。復(fù)合材料目前主要應(yīng)用在機匣、風(fēng)扇葉片、外涵道等發(fā)動機結(jié)構(gòu)部位，如波音777X飛機GE9X發(fā)動機風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇前機匣和后風(fēng)扇框架，CFM公司的LAEP發(fā)動機風(fēng)扇葉片、機匣和短艙等[5-8]。

商用發(fā)動機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一就是要最大程度地減輕發(fā)動機質(zhì)量，提高其燃油效率和推重比。目前發(fā)動機控制系統(tǒng)的質(zhì)量約占發(fā)動機總質(zhì)量的15～20%[9]，因此，減輕發(fā)動機控制系統(tǒng)的質(zhì)量是發(fā)動機減重設(shè)計的重要途徑之一，發(fā)動機控制系統(tǒng)的減重對象主要是電子控制器、燃油控制裝置、作動器、油管路、機械連桿機構(gòu)等作動部件。同時，未來商用發(fā)動機的發(fā)展方向也對其作動系統(tǒng)提出了更高要求。

本文概述了商用發(fā)動機作動系統(tǒng)的范圍，詳細(xì)分析復(fù)合材料在該系統(tǒng)中的應(yīng)用需求，并對比其在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，為發(fā)動機的減重設(shè)計與未來發(fā)展提供有效途徑。

1 商用發(fā)動機作動系統(tǒng)概述

發(fā)動機作動系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的執(zhí)行子系統(tǒng)，接受控制系統(tǒng)的指令信號，將控制信號轉(zhuǎn)換為作動器的速度和位移，調(diào)節(jié)發(fā)動機幾何可調(diào)參數(shù)（如風(fēng)扇/壓氣機可調(diào)導(dǎo)葉角度、壓氣機放氣活門、高壓/低壓渦輪間隙、反推力裝置、噴管截面積等），以改變發(fā)動機氣流狀態(tài)，實現(xiàn)對發(fā)動機工作狀態(tài)控制。發(fā)動機作動系統(tǒng)控制回路基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，PLA為油門桿角度，Tt1、Pt1分別為進氣道進口空氣總溫、總壓，nH、nL分別為高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，Tt25為高壓壓氣機進口空氣總溫，Pt3為高壓氣機出口空氣總壓，Pt6為低壓渦輪出口空氣總壓，Tt6為低壓渦輪內(nèi)涵出口燃?xì)饪倻?，αf為風(fēng)扇可調(diào)導(dǎo)葉角度，αc為高壓壓氣機可調(diào)靜子葉片角度，A為可調(diào)面積，Lx為位移控制變量。

商用發(fā)動機主要包括噴氣式客機的渦輪風(fēng)扇（渦扇）發(fā)動機、螺旋槳客機的渦輪螺旋槳（渦槳）發(fā)動機和民用直升機的渦輪軸（渦軸）發(fā)動機，其中以渦扇發(fā)動機的應(yīng)用最為廣泛，其控制系統(tǒng)也最為復(fù)雜，典型商用渦扇發(fā)動機主要調(diào)節(jié)作動部位如圖2所示。

2 商用發(fā)動機作動系統(tǒng)對復(fù)合材料的需求分析

未來商用飛機發(fā)動機需要具備更低的燃油、更低的排放、更低的噪聲和更高的推重比，發(fā)動機控制系統(tǒng)將面臨更高的要求和挑戰(zhàn)。為了滿足這些要求，發(fā)動機作動系統(tǒng)將向高功重比、分布式、智能化、高頻響等方向發(fā)展，新的發(fā)展方向已對復(fù)合材料產(chǎn)生了新的需求。

2.1 高功重比

未來商用發(fā)動機工作范圍在不斷擴大，并要求在全飛行包線內(nèi)具有低油耗、高效率、高穩(wěn)定性，為此必須采用更多的控制變量以控制發(fā)動機更多的參數(shù)，發(fā)動機控制系統(tǒng)將設(shè)計得更加復(fù)雜，控制變量從10～12個增加到20個以上[10]，相應(yīng)調(diào)節(jié)作動的部位也就越來越多。由于發(fā)動機作動系統(tǒng)功率的提高，其質(zhì)量將顯著增加，作動系統(tǒng)工作介質(zhì)的壓力體系已從10 MPa提高到21 MPa，甚至達到28 MPa。因此，減輕作動系統(tǒng)的質(zhì)量將是減輕發(fā)動機質(zhì)量的重要途徑之一。

作動系統(tǒng)的主要減重對象是其機械液壓作動部件，例如燃油伺服控制裝置、作動器、作動筒等。復(fù)合材料具備優(yōu)異的綜合性能，具有高比強度、高比剛度的特點，采用非金屬基或金屬基復(fù)合材料取代常規(guī)金屬材料的部件，可實現(xiàn)作動系統(tǒng)減重。例如，可選用的復(fù)合材料有非連續(xù)增強鋁基復(fù)合材料（DRA）、非連續(xù)增強鈦基復(fù)合材料（DRTi）、環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料（Gr/Ep）、Al2O3f纖維增強鋁基復(fù)合材料（Al/Al2O3f）、SiC纖維增強鋁基復(fù)合材料（6092/SiC/17.5p、6092/SiC/25p）等，其比強度、比剛度與常規(guī)航空結(jié)構(gòu)材料的對比如圖3所示[11]。

2.2 分布式

當(dāng)前商用發(fā)動機控制系統(tǒng)都采用集中式的全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC），即將數(shù)字式電子控制器集中放置在專門設(shè)計的機箱中，傳感器的信號通過導(dǎo)線傳送至數(shù)字式電子控制器，由其執(zhí)行發(fā)動機控制計劃和控制律，將輸出信號再通過導(dǎo)線傳送至作動器。發(fā)動機控制系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，將導(dǎo)致FADEC的功能、指令信號、外形尺寸都大大增加，使FADEC軟件更加復(fù)雜，可靠性降低，成本增高。而未來發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)由中央控制器、智能傳感器、智能執(zhí)行機構(gòu)組成，中央控制器與各智能機構(gòu)之間通過數(shù)據(jù)總線進行通訊以及電源總線進行供電。分布式控制系統(tǒng)將集中式FADEC的部分控制律計算功能下放到智能傳感器和智能執(zhí)行機構(gòu)，形成分布式作動系統(tǒng)，這樣可省去大量的輸入輸出接口和傳輸電纜，大幅度減輕系統(tǒng)質(zhì)量，提高系統(tǒng)可靠性[12]。

集中式FADEC的電子控制器安裝在飛機設(shè)備艙內(nèi)或者發(fā)動機上，飛機設(shè)備艙內(nèi)的環(huán)境溫度為-55～80℃，短時可達90℃；在發(fā)動機機載的情況下，電子控制器的環(huán)境溫度可達120℃以上，通常采用燃油或空氣作為冷卻介質(zhì)冷卻電子控制器。而分布式FADEC的各分布式作動系統(tǒng)直接安裝在發(fā)動機的不同作動部位，工作環(huán)境溫度超過300℃，最高可達500℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)前使用的電子器件耐溫極限，不能滿足分布式作動系統(tǒng)的使用要求。為此，需要使用耐高溫電子器件，如采用SiC復(fù)合材料的電子產(chǎn)品，可在高于500℃的環(huán)境下可靠工作[13]。

2.3 智能化

綠色和舒適性是未來商用飛機的發(fā)展方向，這就要求發(fā)動機根據(jù)不同的飛行狀況，通過自適應(yīng)智能改變風(fēng)扇噴管的截面積，實現(xiàn)發(fā)動機振動主動控制以及噪聲抑制，降低發(fā)動機油耗與噪聲，提高發(fā)動機性能。風(fēng)扇噴管在飛機起飛與巡航階段位置調(diào)節(jié)如圖4所示。

由于形狀記憶合金（SMA）復(fù)合材料（例如銅/鎳合金復(fù)合材料[1]）具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性行為，即SMA在低溫時產(chǎn)生的塑形變形，在外載荷消除后通過加熱可完全恢復(fù)到初始狀態(tài)。因此，SMA可用于噴氣式飛機發(fā)動機可調(diào)截面風(fēng)扇噴管的作動器，其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

2.4 高頻響

主動控制是未來商用發(fā)動機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，壓氣機、燃燒室、渦輪間隙的主動控制可提高發(fā)動機的性能、耐久性和生存性[9]。主動控制需要高速響應(yīng)的作動器，與傳統(tǒng)的燃油作動器（如IGV、VBV、VSV等調(diào)節(jié)作動器）相比，其頻譜高1個數(shù)量級的高頻段。傳統(tǒng)控制的頻譜接近10 Hz，而主動控制的頻譜數(shù)量級在 102～103Hz[14]。

高響應(yīng)作動器主要由作動部件、閥門和噴嘴等組成，影響作動器頻率響應(yīng)的主要因素是驅(qū)動閥門的作動部件。目前應(yīng)用的作動器閥門響應(yīng)速度慢，無法滿足主動控制系統(tǒng)要求500～1000 Hz的響應(yīng)頻率。因此需要高執(zhí)行帶寬的壓電、電磁、磁致伸縮等功能復(fù)合材料，能夠在低功率下工作且體積更小巧。

3 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀分析

3.1 國外研究情況

美國以及歐洲一些航空發(fā)達國家的政府部門為了提高發(fā)動機的性能，滿足高推重比發(fā)動機的需求，實施了多項發(fā)動機研究計劃，并將發(fā)動機研制與新型復(fù)合材料研究緊密結(jié)合，已在商用發(fā)動機的葉片、軸、機匣、支撐框架等結(jié)構(gòu)部件中廣泛應(yīng)用。鈦基復(fù)合材料（TMC）的比強度和比剛度高、使用溫度高、疲勞和蠕變性能好，可以很好地滿足飛機發(fā)動機作動部件的要求，簡化部件結(jié)構(gòu)，具有明顯的減重效果，將逐步取代常用的鋁合金、高強度不銹鋼以及鈦合金等材料。目前TMC已首先在軍用發(fā)動機的作動部件中應(yīng)用，如美國F-22飛機的F119發(fā)動機的噴管作動器（用于驅(qū)動噴管調(diào)節(jié)片的運動）的活塞采用高比強度的SiC纖維增強鈦基復(fù)合材料替代最初采用的沉淀硬化型不銹鋼13-8 Cr-Ni后，每架飛機減重3.4 kg，且滿足了其疲勞載荷和450℃高溫環(huán)境下使用的要求。F119發(fā)動機噴管作動器的復(fù)合材料活塞如圖6所示[15]。

商用飛機鋸齒形可變截面風(fēng)扇噴管最早提出于1995年，后來在美國國家航空航天局的主導(dǎo)下開展長期研究。2005年，波音在1架配裝GE90發(fā)動機的B777飛機上試驗了鋸齒形風(fēng)扇噴管。自2011年以來，波音“環(huán)保驗證機”項目又在新一代B737和B787客機上測試了SMA可變截面風(fēng)扇噴管作動系統(tǒng)，旨在減輕質(zhì)量和降低噪聲，以提升發(fā)動機性能，如圖7所示。經(jīng)過多年的試驗驗證后，新型B737MAX、B747-8和B787飛機的發(fā)動機均已使用鋸齒形的SMA可變截面風(fēng)扇噴管。

目前美國采用壓電功能復(fù)合材料的高響應(yīng)作動器已在發(fā)動機試驗臺上進行了試驗驗證，試驗結(jié)果表明在無負(fù)載情況下作動器能以高達500 Hz的頻率工作，也能以更高的頻率進行試驗[14]，為未來商用發(fā)動機的高頻響作動系統(tǒng)的工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.2 中國研究情況

目前，復(fù)合材料在中國航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在飛機與發(fā)動機結(jié)構(gòu)件上，商用飛機的舵面和機翼以及商用發(fā)動機的葉片和機匣等結(jié)構(gòu)已經(jīng)普遍采用復(fù)合材料，但應(yīng)用比例還較低，與國外的差距較大[16]。發(fā)動機作動系統(tǒng)部件的材料仍主要以傳統(tǒng)的鋁合金、高強度不銹鋼以及鈦合金等金屬材料為主，復(fù)合材料在商用發(fā)動機作動系統(tǒng)中的應(yīng)用研究還基本處于空白。

4 結(jié)束語

（1）先進復(fù)合材料在商用發(fā)動機作動系統(tǒng)中的應(yīng)用，將使飛機發(fā)動機具有更低的燃油、更低的排放、更低的噪聲和更高的推重比。

（2）復(fù)合材料的應(yīng)用是未來發(fā)動機作動系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵需求之一。

（3）借鑒國外復(fù)合材料在發(fā)動機作動系統(tǒng)中的應(yīng)用研究經(jīng)驗，制定相關(guān)可持續(xù)發(fā)展計劃，可促進先進復(fù)合材料在商用發(fā)動機上的應(yīng)用，推動中國新一代先進商用飛機的發(fā)展。

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Application and Analysis of Composite Materials in Actuation System for Commercial Aircraft Engine

YUAN Jie，WANG Wen-shan
（AVIC Qing'an Group Co.,Ltd.,Xi'an 710077,China）

The requirements of advanced aircraft and its engine provide a powerful driving force for the growth of composite materials.Based on the characteristics of composite material and its application in aviation,the requirements of the composite material for engine actuation were proposed.According to the definition and scope of commercial aircraft engine actuation system,the application requirement of the composite material in future Actuation system was discussed.Through the comparative analysis for application of composite materials in engine actuation system at home and abroad,the twture development direction of titanium matrix composites,SiC composites,deformation memory alloy composite,piezoelectric functional composite and other advanced composite materials was presented,which provide relevant suggestions for the development of China's commercial aircraft engine actuation technology.

composite materials;actuation system;commercial aircraft;commercial aircraft engine;actuator

V 229.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.019

2016-09-06

袁杰（1987），男，工程師，從事飛機發(fā)動機作動系統(tǒng)研發(fā)工作；E-mail：hbhb-2006@163.com。

袁杰，王文山.復(fù)合材料在商用發(fā)動機作動系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].航空發(fā)動機，2017，43（3）：98-102.YUANJie，WANGWenshan.Applicationand analysisofcompositematerialsinengineactuationsystemforcommercialaircraft[J].Aeroengine，2017，43（3）：98-102.

（編輯：趙明菁）