先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

魏 然，蘇震宇，劉 洋

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

近年來(lái)，大型商用飛機(jī)得到迅速發(fā)展，對(duì)高性能商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)提出迫切需求。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高，抗疲勞、耐腐蝕性能好，結(jié)構(gòu)、功能可設(shè)計(jì)，可整體成型等優(yōu)異特性，其應(yīng)用成為實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)減重、提高推重比和降低油耗的有效途徑[1-2]。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，復(fù)合材料已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要選材之一，其重量比達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)總重的近35%。

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是以樹脂為基體、以碳纖維等高性能纖維為增強(qiáng)體的高性能復(fù)合材料。常用的樹脂基體包括環(huán)氧樹脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂，服役溫度一般在350 ℃以下。自20 世紀(jì)50 年代以來(lái)，美國(guó)通用電器（GE）、英國(guó)羅爾斯-羅伊斯（R-R）、美國(guó)普拉特·惠特尼（P&W）等多個(gè)先進(jìn)航空制造商致力于研究采用先進(jìn)復(fù)合材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件，目前已在發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件的多個(gè)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，主要分布在風(fēng)扇和短艙，典型實(shí)例見表1[3-6]。

表1 先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

1 在風(fēng)扇段的應(yīng)用

風(fēng)扇段是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件，主要作用是把進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)行初步壓縮，并將壓縮后的氣體分別送入內(nèi)涵道和外涵道，從而產(chǎn)生巨大的推力。風(fēng)扇段質(zhì)量約占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的30%～35%。為了滿足商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)大推重比和大涵道比的發(fā)展需求，應(yīng)用先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇段的減重是發(fā)動(dòng)機(jī)研制的發(fā)展趨勢(shì)。

1995 年，GE 公司首次成功研制了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。隨著復(fù)合材料制造技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是纖維編織技術(shù)和液體成型技術(shù)的成功引入，越來(lái)越多的風(fēng)扇段構(gòu)件選用了先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料，包括風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇機(jī)匣、風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片、風(fēng)扇帽罩和消音襯等（圖1）[6]。

圖1 復(fù)合材料在風(fēng)扇段的應(yīng)用

1.1 風(fēng)扇葉片

復(fù)合材料葉片質(zhì)量輕、抗顫振性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。采用復(fù)合材料葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)其葉片數(shù)量更少，并且可以相應(yīng)減輕風(fēng)扇機(jī)匣、葉盤及傳動(dòng)系統(tǒng)的重量。與鈦合金葉片相比，復(fù)合材料葉片數(shù)量減少50%，質(zhì)量減輕60%以上[7]。因此，目前先進(jìn)的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)多采用復(fù)合材料風(fēng)扇葉片[8-9]。按照成型方法的不同，復(fù)合材料葉片可分為鋪層葉片和3D 編織葉片2 類。

1.1.1 鋪層葉片

鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片以碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料為原料，通過(guò)下料、鋪層、模壓等工序?qū)崿F(xiàn)制造。由于葉片葉身長(zhǎng)、葉弦寬、扭角大，且長(zhǎng)期面臨高速旋轉(zhuǎn)的服役環(huán)境，鋪層工藝的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)曲面-平面鋪層變換拆解、預(yù)浸料鋪貼精確定位以及預(yù)浸料層間強(qiáng)化。目前，一般通過(guò)開展葉片曲面可鋪性研究實(shí)現(xiàn)鋪層拆解，鋪貼過(guò)程中采用激光定位輔助鋪貼控制纖維方向和纖維的準(zhǔn)直度，并采用邊緣縫合技術(shù)和鈦合金包邊技術(shù)等避免葉片邊緣分層。

1995 年美國(guó)GE 公司研發(fā)的GE90 系列發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是最早的鋪層葉片，該葉片由400 層IM7 中長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)8551-7 環(huán)氧樹脂預(yù)浸料經(jīng)鋪貼、模壓固化而成。葉片性能穩(wěn)定，累計(jì)飛行1 000 萬(wàn)小時(shí)以上后僅有3 片葉片發(fā)生更換[8]，為B747、B777 客機(jī)提供了安全有力的動(dòng)力保障。

基于GE90 系列發(fā)動(dòng)機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)，GE 公司對(duì)葉片進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使葉片直徑由原來(lái)的3.12 m 減少至2.7～2.8 m，葉片數(shù)量也由22 片減少為18 片[9]。GE90 和GEnx風(fēng)扇葉片如圖2 所示。更小直徑和更少數(shù)量的復(fù)合材料葉片使發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇段質(zhì)量進(jìn)一步減輕，同時(shí)有效降低空氣阻力、維持葉片力學(xué)性能的穩(wěn)定。使用該葉片的GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)具有低噪音、低污染、低成本的優(yōu)勢(shì)，被B787 選做候選發(fā)動(dòng)機(jī)之一，同時(shí)被B747 選為唯一動(dòng)力裝置。

圖2 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

1.1.2 3D 編織葉片

為提高葉片的損傷容限，3D 編織RTM 成型復(fù)合材料風(fēng)扇葉片應(yīng)時(shí)而生，該工藝以高性能碳纖維為原料，首先進(jìn)行近凈尺寸的風(fēng)扇葉片預(yù)制體的編織，然后將預(yù)制體放置在模具中，通過(guò)液體成型工藝灌注樹脂并完成固化。成型的關(guān)鍵技術(shù)包括復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、纖維預(yù)制體編織技術(shù)、樹脂增韌定型技術(shù)以及RTM 工藝技術(shù)。與鋪層工藝相比，此種工藝成型的葉片層間性能更為優(yōu)異。

法國(guó)CFM 公司的LEAP-XIC 發(fā)動(dòng)機(jī)率先采用了3D編織/RTM 成型掠形寬弦復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。該葉片具有良好的安全壽命、突出的減重優(yōu)勢(shì)和優(yōu)異的抗疲勞性能。相比CFM 公司同等推力水平的基于金屬結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，LEAP 發(fā)動(dòng)機(jī)重量降低了450 kg 以上，燃油效率提高16%[5]。目前，已選定為B737、空客A320 以及我國(guó)C919等多型商用飛機(jī)提供動(dòng)力。

此后，GE 公司設(shè)計(jì)了具有更少、更薄葉片的GE9x發(fā)動(dòng)機(jī)，該葉片直徑達(dá)到3.403 6 m、數(shù)量減少為16 片。GE9x 葉片同樣采取了3D 編織/RTM 成型工藝。葉片前緣采用合金鋼替代了鈦合金以獲得更優(yōu)的強(qiáng)度。該發(fā)動(dòng)機(jī)將應(yīng)用于B777X 客機(jī)。

1.2 風(fēng)扇機(jī)匣

風(fēng)扇機(jī)匣的主要功能是在保護(hù)風(fēng)扇葉片的同時(shí)防止葉片因損傷或失效而斷裂飛出造成事故。早期的風(fēng)扇機(jī)匣為全金屬結(jié)構(gòu)，機(jī)匣壁通常較厚、重量較大，限制了發(fā)動(dòng)機(jī)整體效率的提高。第二代風(fēng)扇機(jī)匣為芳綸纖維包覆薄壁金屬?gòu)?fù)合機(jī)匣，通過(guò)芳綸纖維實(shí)現(xiàn)包容，與金屬機(jī)匣相比最大可以減重50%。GE90 發(fā)動(dòng)機(jī)和P&W 公司的PW4000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用了此種結(jié)構(gòu)的機(jī)匣。但是由于芳綸纖維織物層數(shù)較多，機(jī)匣壁非常厚，限制了機(jī)匣重量的進(jìn)一步減輕，同時(shí)較大的變形量對(duì)裝配也造成了影響。

自20 世紀(jì)90 年代起，GE 公司開始研制全復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣，并在GEnx 發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用?；谔祭w維編織結(jié)構(gòu)優(yōu)異的抗裂紋擴(kuò)展能力，GE 公司采用TORAYCA的T700 碳纖維通過(guò)二維三軸編織技術(shù)制備了碳纖維預(yù)成型體，然后通過(guò)RTM 技術(shù)完成了與CYCOM 的PR520環(huán)氧樹脂的復(fù)合及固化成型。全復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣的應(yīng)用取得了單機(jī)減重160 kg 的效果。

Snacma 公司在研制LEAP 發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，采用3D 編織/樹脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM）工藝技術(shù)，同樣制造了全復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣（圖3）[10]。復(fù)合材料葉片和復(fù)合材料包容機(jī)匣的同時(shí)采用，使每臺(tái)LEAP-X1C 發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量減輕450 kg。

圖3 LEAP 發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料機(jī)匣

1.3 風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片

風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中的靜止葉片，其作用是對(duì)風(fēng)扇后的氣流進(jìn)行整流。飛行過(guò)程中，出口導(dǎo)葉需要承受相鄰轉(zhuǎn)子風(fēng)扇葉片的沖擊，同時(shí)抵抗外來(lái)物的損傷。因此，精確的翼型形狀和較高的疲勞強(qiáng)度是出口導(dǎo)葉設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵。復(fù)合材料液體成型工藝能夠很好地滿足以上要求。復(fù)合材料風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片已在多個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。PW4084、PW4168 發(fā)動(dòng)機(jī)采用PR500 環(huán)氧樹脂制造風(fēng)扇靜子葉片，分別應(yīng)用于B777和A330 客機(jī)。PW1000G 發(fā)動(dòng)機(jī)采用VRM37 環(huán)氧樹脂完成了風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片的制造。

2 在短艙中的應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙是包覆發(fā)動(dòng)機(jī)的艙室，起到整流、降噪、保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的作用。圖4 以LEAP 發(fā)動(dòng)機(jī)為例示意了樹脂基復(fù)合材料在短艙段的應(yīng)用情況，采用復(fù)合材料制造的構(gòu)件遍布在短艙進(jìn)氣道、風(fēng)扇罩和反推裝置中[11]。目前，復(fù)合材料應(yīng)用比例已超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)短艙結(jié)構(gòu)總重量的50%（A380 為52%，A320Neo 達(dá)到60%）。

圖4 復(fù)合材料在短艙段的應(yīng)用

2.1 進(jìn)氣道

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，噪聲可高達(dá)150～160 dB，容易引起飛機(jī)結(jié)構(gòu)聲震疲勞，也對(duì)環(huán)境造成噪聲污染。為降低發(fā)動(dòng)機(jī)涵道內(nèi)噪聲，進(jìn)氣道內(nèi)壁板通常采用消音襯墊結(jié)構(gòu)。

消音襯墊一般為穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)，由單層或多層蜂窩夾層復(fù)合材料構(gòu)成。早期的進(jìn)氣道內(nèi)壁板采用分塊的單自由度聲襯拼接而成。例如，空客A320 和A340 的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道分別由3 片消音襯墊和2 片式消音襯墊拼接而成。拼縫的存在不僅使有效聲處理面積減少，并且會(huì)因聲阻抗的不連續(xù)造成聲散射，影響降噪效果。為解決這一問(wèn)題，A380、B787、C919 等的短艙進(jìn)氣道內(nèi)壁板均采用了一片式的整體環(huán)狀結(jié)構(gòu)?？湛虯380 采用賽峰集團(tuán)埃賽公司研發(fā)的“無(wú)縫短艙”，使發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲在起飛過(guò)程中降低約4～5 dB，榮獲了“2006 年度歐洲金分貝獎(jiǎng)”（圖5）[11]。

圖5 進(jìn)氣道內(nèi)壁板消音襯墊結(jié)構(gòu)形式變化

進(jìn)氣道降噪結(jié)構(gòu)的另一發(fā)展趨勢(shì)是多自由度聲襯的應(yīng)用。單自由度聲襯在共振頻率附近有很好的吸聲效果，但存在吸聲頻帶過(guò)窄的問(wèn)題。采用多自由度聲襯，可通過(guò)調(diào)整各層穿孔板特性和蜂窩尺寸設(shè)計(jì)多個(gè)吸聲頻帶。Hexcel 公司開發(fā)了Acousti-Cap[12]TM 消音襯墊，通過(guò)在蜂窩芯腔中嵌入聲學(xué)隔膜，使單自由度結(jié)構(gòu)具備雙自由度的吸聲效果。目前，GE、R-R 等使用該技術(shù)降低了高達(dá)30%的引擎噪音。

2.2 反推裝置

反推裝置是改變發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向的裝置，一般通過(guò)改變風(fēng)扇出口空氣流的流動(dòng)方向，產(chǎn)生與飛行方向相反的推力，從而縮短飛機(jī)滑跑距離。目前，RB211、GE90、V2500 等大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)反推裝置均已使用了復(fù)合材料。例如，V2500 發(fā)動(dòng)機(jī)采用碳纖維蒙皮和蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)制造了反推力裝置的可移動(dòng)整流罩內(nèi)板；B777 采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料制造了反推力裝置中的消音襯墊，并實(shí)現(xiàn)了消音襯墊、楔形整流罩和推力環(huán)的整體成型，起到了減重、降噪的效果。

圖6 為賽峰公司為C919 客機(jī)的LEAP-1C 發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的O 型復(fù)合材料反推系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)，首次采用了330°的復(fù)合材料蒙皮，減輕整體結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)消除了傳統(tǒng)兩片式D 型反推系統(tǒng)中存在的涵道內(nèi)氣流分叉現(xiàn)象，達(dá)到了降低油耗（0.5%）、提高反推效率的效果。

圖6 O 型復(fù)合材料反推系統(tǒng)

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)積累，國(guó)外在商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用研究方面取得了突出進(jìn)展，形成了相對(duì)成熟的材料體系和先進(jìn)的制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件的應(yīng)用，帶來(lái)了突出的性能優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用研究起步較晚，提高復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制造和成型水平，擴(kuò)大復(fù)合材料的應(yīng)用，是商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)。需繼續(xù)加強(qiáng)整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、高性能復(fù)合材料體系開發(fā)、低成本成型工藝應(yīng)用以及自動(dòng)化裝備及技術(shù)的研究，進(jìn)一步提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的整體化程度、提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造穩(wěn)定性和制造效率并降低制造成本，為推動(dòng)先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在國(guó)產(chǎn)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用、滿足商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性和經(jīng)濟(jì)性的高標(biāo)準(zhǔn)要求提供技術(shù)支撐。