先进树脂基复合材料在大涵道比发动机上的应用

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2、!亘盟趟E型笪!E巡已Ql凹工先进树脂基复合材料在大涵道比发动机上的应用AdvancedPolymerMatrixCompositesforHighBypassRatioEnginesApplication中航工业沈阳发动机设计研究所沈尔明王志宏滕佰秋李晓欣沈尔明硕士。中航工业沈阳发动机设计研究所通用技术研究中心工程师。主要从事航空发动机的复合材料和非金属材料的设计、应用与研究工作。进入2l世纪以来．随着空客A380、波音787等大型飞机的使用，大飞机的研制越来越受到世界各国的重视。并逐渐成为国

3、家综合国力的重要组成部分j大涵道比涡扇发动机是大型飞机的重要组成部分．是决56航空制造技术·2011年第17期大量使用树脂基复合材料大幅提高了大涵道比发动机多方面的优异性能。树脂基复合材料的使用需要材料、设计、工艺一体化协作。采用先进的复合材料制造技术，可提高性能、降低制造成本。要想为民用航空市场提供安全、舒适、节能、环保、具有竞争力的中短航程单通道商用干线飞机，使用复合材料是必经之路。定大型飞机研制能否成功的关键，是制约大型飞机发展的“瓶颈”。大涵道比涡扇发动机是指涵道比大于4的涡扇发动机，它具有大推

4、力、低油耗和低噪声等优点，是军用和民用大型15．机广泛使用的发动机。20世纪70年代以来，为满足大型军用和民用飞机对载重(客)量、航程距离、经济性、舒适性、安全性、环保性等要求的不断提高，大涵道比涡扇发动机也向大推力、低油耗、低噪声、高安全性、高可靠性、易维护要求的方向不断迈进O-3]Q国外复合材料的应用为了达到发动机的高推重比、低耗油率、低噪声、低维修成本的需要，世界各主要发动机厂商都在大力推广复合材料在大涵道比涡扇发动机上的使用。原因在于复合材料具有金属材料无法比拟的低密度、高比强度和高比刚度，复合

5、材料与其他材料的力学性能比较见表1，其中树脂基复合材料由于重量轻、技术较成熟等特点被最大程度地应用于一直以减重为需要的航空领域一l。树脂基复合材料在大涵道比发动机上的帽罩前锥、风扇转子叶片、风扇机匣及包容环、风扇出口导流叶片、风扇静子叶片、发动机短舱及反推装置、消音结构等部件上得到广泛应用陋]。1帽罩前锥．．i2匡盟邕巨巡yI量巡巳Ql趟工鸟撞或外物打伤而更换3个复合材料风扇叶片。据统计，GE90发动机在投入使用的9年中，曾遭遇过85次鸟撞击，但都没有对风扇叶片造成明显损伤陋I。GEnx风扇叶片设计方法

6、与GE90—115B相同，但叶片数量降到18片(GE90—115B为22片)，直径为2．82m的风扇又进一步降低了噪声。由于尖锐边缘的复合材料有磨损的趋向，在叶片的前缘、叶尖及后缘增加了可以更换的钛金属包覆层。这种叶片边缘也可以将外物打伤能量分散到风扇复合材料中去。复合材料风扇的使用除减重外，叶片数量的减少还可减少空气阻力、降低噪音(比CF6降低30％)。由于复合材料本身具有耐腐蚀、耐疲劳的特性，GE公司认为复合材料风扇叶片在使用中可以免维护。由于复合材料叶片受到外物撞击后，易于破碎成几块，在吸收了撞击

7、能量的同时，还降低对风扇机匣和包容环的撞击程度，这使得复合材料叶片在减轻自身重量的同时，还减轻了风扇包容系统、风扇盘以及整个转子系统的重量。另外，复合材料叶片还在抗颤振等方面优于金属叶片，更利于实现大涵道比，进而达到降低油耗和提高效率的目的191。SNECMA公司最新研制的LEAP—X发动机同样采用碳纤维复合材料制造的18片风扇叶片，其数量比CFM56—5C减少一半，是CFM56—7B的3／4。1．8m直径的叶片采用三维编织、树脂传递模塑技术(RTM)制造，可以给每架飞机节省超过450kg的重量[to-

8、it]。3风扇机匣及包容环风扇机匣位于发动机的低压系统外侧，包容环位于风扇机匣的前部、风扇叶片的外侧。包容环的作用是防止因外物撞击或其他原因导致的风扇叶片断裂后飞出机匣外，保护飞机机体(尤其是客机)不会因飞出的断裂碎片的高速撞击而带来安全隐患。大涵道比发动机的第一级风扇叶片长度甚至达到1．22m(如LEAP—X的复合材料风扇58航空制造技术·2011年第17期GE90叶片)，如果采用金属材料制造的叶片从根部折断，断片飞出的离心力高达50～60t，直接撞击到飞机机体上，其后果可想而知。欧美国家现役的大涵道

9、比发动机的包容环基本采用相似的结构，即在铝制机匣壳体外侧用树脂基复合材料加强包容性。GE公司的CF6—80C2发动机，其包容环由铝合金和Kevlar复合材料组成。在冲压加工制造的6060铝合金机匣外，围有铝合金蜂窝层(蜂窝内腔尺寸为3．18mm，蜂窝最大厚度为70mm)，在蜂窝结构外缠裹了67层Kevlar纤维条带，其外再复以一层Kevlar／环氧树脂复合材料保护层，蜂窝层与缠裹层间夹有碳纤维／环氧树脂复合材料。蜂窝结构的作用是增加机匣的刚