復(fù)合材料整流葉片設(shè)計與試驗(yàn)技術(shù)研究

■ 王繼業(yè) 姜大鵬 郁麗 楊治中 / 中國航發(fā)動力所

除了提高發(fā)動機(jī)的氣動性能，還可以采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量來提高發(fā)動機(jī)的推重比。通過對樹脂基復(fù)合材料整流葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和試驗(yàn)研究，有望獲得適用于發(fā)動機(jī)整流葉片的結(jié)構(gòu)形式，為發(fā)動機(jī)進(jìn)一步減輕質(zhì)量提供途徑。

復(fù)合材料葉片

航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)主要由葉片、輪盤和機(jī)匣三大類零組件以及連接件組成，其中葉片類零件包括轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片。復(fù)合材料葉片制造技術(shù)主要有預(yù)浸料/壓模技術(shù)和三維編織/樹脂傳遞模型成形（RTM）技術(shù)。

采用預(yù)浸料/模壓技術(shù)的代表有GEnx發(fā)動機(jī)、GE90發(fā)動機(jī)的復(fù)合材料風(fēng)扇。GE90發(fā)動機(jī)的葉片（見圖1）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，葉片前緣包邊采用鈦合金材料，從而提高葉片抗鳥撞能力。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)。GEnx發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片主要采用了第三代復(fù)合材料，葉片尖部以及前緣采用鈦合金護(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。

采用三維編織/RTM 技術(shù)的有LEAP-X發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片，制造時將碳纖維進(jìn)行預(yù)先編織，在樹脂注入以及高壓成形之前，碳纖維便已經(jīng)成為三維編織結(jié)構(gòu)[1]。

圖1 GE90-115B發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片

整流葉片同時具有整流和增壓的功能，葉片自身承受壓縮氣體產(chǎn)生的反作用力，部分結(jié)構(gòu)的整流葉片還需要傳遞徑向載荷。整流葉片葉形截面形狀變化較大，各處壁厚差別較大，在使用中經(jīng)常被吸入的外物打傷，因此整流葉片除了需要足夠的強(qiáng)度和剛度外，也要具有良好的抗外物損傷能力。第二代和第三代發(fā)動機(jī)中，整流葉片通常采用鋁合金或鈦合金制造，隨著負(fù)荷的增大，鋁合金強(qiáng)度已經(jīng)不能滿足使用需求，鈦合金的強(qiáng)度要優(yōu)于鋁合金，但是鈦合金具有較高的缺口敏感性，而鈦合金的整流葉片被打傷后可能因缺口部位應(yīng)力大出現(xiàn)裂紋等情況，因此復(fù)合材料同樣適合應(yīng)用在需求更高的發(fā)動機(jī)整流葉片上。

復(fù)合材料整流葉片設(shè)計研究主要包含結(jié)構(gòu)造型設(shè)計，典型件的設(shè)計，鋪層設(shè)計，針對RTM工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對氣動性能影響分析，防沖刷方案選擇，沖刷試驗(yàn)考核以及葉片的力學(xué)性能考核等。

復(fù)合材料整流葉片設(shè)計

圖2 成形的復(fù)合材料整流葉片結(jié)構(gòu)工藝件

圖3 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片鋪層設(shè)計流程

筆者所在的研究團(tuán)隊在金屬結(jié)構(gòu)整流葉片的基礎(chǔ)上，針對復(fù)合材料的特點(diǎn)，結(jié)合RTM工藝，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，復(fù)合材料整流葉片如圖2所示，首先對葉身前后緣厚度進(jìn)行局部加厚，考慮到復(fù)合材料的抗微動磨損能力，將下緣板修改為鑲嵌鈦合金環(huán)塊結(jié)構(gòu)防止磨損，葉身和上下緣板之間的圓角加大，以降低應(yīng)力水平。根據(jù)整流葉片結(jié)構(gòu)形式更接近于變厚度的板類零件的特點(diǎn)，可采取變厚度對稱層鋪結(jié)構(gòu)。為了增加表面抗沖刷能力，葉片分為表層和內(nèi)層，表層鋪設(shè)了一層織物。復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如圖3所示[2]，對葉片鋪層方向進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，鋪設(shè)時按葉片葉身厚度和型面的變化逐漸減少鋪層，最終通過RTM為整流葉片。

復(fù)合材料整流葉片制造

在針對整流葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求確定適合的纖維/樹脂體系時，設(shè)計與材料研究團(tuán)隊決定在復(fù)合材料葉片內(nèi)層采用碳纖維和雙馬來酰亞胺樹脂，這樣可以滿足強(qiáng)度設(shè)計需求。葉片主要由數(shù)層不同形狀的碳纖維預(yù)浸料層疊鋪放后模壓而成，通過葉片形狀確定各層預(yù)浸料的尺寸和層數(shù)，預(yù)浸料單層固化厚度為0.15mm，與GE90-115B發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片使用的碳纖維復(fù)合材料IM7/8551預(yù)浸料參數(shù)一致[3]。為提高耐沖刷和抗損傷能力，表層增加一層耐磨的織物，表層以內(nèi)以單層預(yù)浸料的固化厚度為基準(zhǔn)，自鋪貼面向內(nèi)層層堆疊鋪放，直至鋪層將整個葉片內(nèi)部填充滿，葉片上下緣板采用局部增加層數(shù)并向兩側(cè)翻邊的層鋪結(jié)構(gòu)，最終通過RTM工藝成形。為保證加工的葉片力學(xué)性能滿足使用要求，可通過工藝件的試制來確定層鋪結(jié)構(gòu)復(fù)合材料風(fēng)扇靜子葉片的RTM成形工藝參數(shù)。

力學(xué)性能考核

為給復(fù)合材料靜子葉片在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考，需要開展靜強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)件為全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)加載時固定葉片外環(huán)，內(nèi)環(huán)加載。

試驗(yàn)前對試驗(yàn)件進(jìn)行預(yù)加載，檢查并調(diào)整試驗(yàn)件及應(yīng)變測量系統(tǒng)，按要求分級加載。當(dāng)加載至屈服強(qiáng)度時，保載一定時間，觀察試驗(yàn)件的變形和受載情況；當(dāng)加載至極限強(qiáng)度時，保載一定時間，觀察試驗(yàn)件的變形和受載情況后卸載，卸載后進(jìn)行無損檢測。

沖刷試驗(yàn)考核

為考核復(fù)合材料葉片的抗沖刷能力，掌握復(fù)合材料葉片的沖刷特點(diǎn)，設(shè)計了沖刷考核試驗(yàn)。

試驗(yàn)件由3片復(fù)合材料葉片組成，試驗(yàn)器進(jìn)口是加溫狀態(tài)，進(jìn)口氣流速度模擬發(fā)動機(jī)進(jìn)口流速進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)時，來自空氣壓縮站的高壓空氣經(jīng)過過濾段、進(jìn)氣管道到達(dá)流量噴嘴，在此進(jìn)行流量測量后進(jìn)入主體管道，然后依次經(jīng)過前整流段、文丘里管、后整流段，進(jìn)入試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段及試驗(yàn)件，在試驗(yàn)件出口氣流先排入后試驗(yàn)間，最終經(jīng)排氣消聲筒排入大氣。試驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)閥改變試驗(yàn)件進(jìn)口總壓，從而調(diào)節(jié)進(jìn)口速度至預(yù)定值。

試驗(yàn)中以柵后等熵馬赫數(shù)（用進(jìn)口總壓和出口壁面靜壓平均值計算出來的馬赫數(shù)）作為工況馬赫數(shù)換算成進(jìn)口速度來控制試驗(yàn)狀態(tài)。

試驗(yàn)主要關(guān)注葉片的前緣和尾緣的沖刷情況，尤其是葉尖和葉根部位，考核不加金屬包邊的葉片耐沖刷能力。當(dāng)發(fā)現(xiàn)分層和裂紋情況時，進(jìn)行風(fēng)險分析,判斷是否繼續(xù)試驗(yàn)。

選擇3個葉片中與實(shí)際流路更為接近的葉片進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)控及分析，試驗(yàn)進(jìn)行1h后，檢查發(fā)現(xiàn)葉片前緣產(chǎn)生毛刺，尾緣末端R區(qū)有掉塊，尾緣上端R區(qū)有分層，用手觸摸尾緣沿徑向凸凹感明顯。表明葉片開始被氣流沖刷磨損，形貌如圖4所示。

圖4 耐沖刷試驗(yàn)1h后損傷形貌

圖5 耐沖刷試驗(yàn)50h后損傷形貌

累計試驗(yàn)時數(shù)約50h后，進(jìn)氣邊出現(xiàn)多處凹坑和豁口，葉盆表面外層附織物破損，進(jìn)氣邊磨損，尾緣掉塊加大，沖刷形貌如圖5所示。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明目前結(jié)構(gòu)無法滿足使用要求，突出表現(xiàn)在表層織物前后緣沖刷磨損嚴(yán)重，因此在后續(xù)設(shè)計中須采取措施解決磨損問題。

改進(jìn)措施

根據(jù)復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以采用前后緣包覆耐沖刷金屬的方法解決復(fù)合材料葉片的耐沖刷問題，如圖6所示。金屬結(jié)構(gòu)邊條同時采取膠接和縫合方案增強(qiáng)其與葉片基體的結(jié)合能力。

考慮整流葉片前緣包覆金屬加工工藝性，采用0.4mm厚度金屬板通過擴(kuò)散連接工藝連接，擴(kuò)散連接的同時形成與葉片邊緣匹配形狀，如圖7所示。金屬包邊與基體可采用膠結(jié)固定，必要時通過縫合等措施進(jìn)一步提高二者結(jié)合力，防止出現(xiàn)脫落等故障。

結(jié)束語

圖7 包邊結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 復(fù)合材料葉片防沖刷和打傷結(jié)構(gòu)設(shè)計

樹脂基復(fù)合材料因比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞與耐腐蝕性好的特點(diǎn)，用于制造發(fā)動機(jī)冷端部件能大大減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量和節(jié)約成本。通過以鋪層結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)靜子葉片為研究對象，開展結(jié)構(gòu)設(shè)計、成形工藝研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，研制的復(fù)合材料一級風(fēng)扇靜子葉片減重效果達(dá)到10%以上，所獲得的復(fù)合材料風(fēng)扇靜子葉片表面抗沖刷能力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為后續(xù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)、提高復(fù)合材料葉片使用壽命和抗沖刷損傷能力提供了借鑒。