復材葉片在民用航空發動機中的應用和發展

摘 要：進入新世紀以來，多領域技術都得到了巨大的發展，特別是隨著交通運輸業的進步，大型民用飛機開始成為交通運輸的主力軍，因而各國開始更加重視大型飛機的研制，航空業也開始成為衡量一個國家綜合國力的重要標準。而大型飛機研發的重點以及核心技術便是發動機技術。隨著民用航空業的發展，民用航空飛機核心技術——發動機技術也發展飛速，其中復材葉片已經逐步在多種民機型號中得以應用。

關鍵詞：民用航空；復合材料；發動機；風扇葉片

過去飛機發動機葉片主要采用金屬以及合金，隨著新材料出現，復合材料開始被應用于航空發動機葉片，與金屬材料相比，其具有低重、低噪、高效的優勢，并且復材葉片數量更少，能夠有效抗震顫、損傷，并且在抗鳥撞性上也更加優越，滿足了現代民航適航需要。因而復材葉片開始受到世界各大發動機廠商的關注，并逐步得以推廣應用。

1 復合材料葉片的應用

復材葉片制造技術主要有預浸料/壓模技術和3-DWOVEN/RTM技術。采用預浸料/模壓技術的代表有GE90、GEnx、TRENT1000及TRENTXWB發動機的復合材料風扇葉片，而LEAP-X發動機復合材料風扇葉片采用3D-WOVEN/RTM技術成型。

1.1 預浸料/模壓成型葉片

采用該種復材葉片的代表主要有GE90發動機和GEnx發動機（美國GE），此外羅·羅公司也在進行相關研發。

（1）GE90發動機。該型號發動機為GE公司上世紀九十年代所研發的特大推力發動機，是國外應用于民航最早使用復材葉片的發動機之一。該發動機復材葉片使用了預浸料/模壓成形技術，葉片從內至外逐漸減薄，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，從而提高葉片鳥撞抗性。為防止復合材料在運行中分層，在葉片后緣以及葉尖處采用纖維縫合技術予以加固。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。

GE90所采用的復材葉片為22片，相比較于鈦合金空心葉片，復材葉片質量更輕，強度更高。經過十余年的運行，證明了復合材料風扇葉片適用于具有嚴格要求的商業飛行的需要。

（2）GEnx發動機。該發動機所應用的復材葉片材料以及模壓成型工藝，同GE90相比變化不大，在此基礎上GEnx對GE90的復材葉片的結構設計進行了優化。GEnx主要采用了第3代GE復合材料，外形也類似GE90-115B發動機，但由于使用了新一代三元流設計，葉片數減為18片，總質量進一步降低。葉片尖部以及前緣使用鈦合金護套，并在葉片榫根部位，增加了耐磨襯墊，便于后期維護檢修。

（3）隨著復合材料在民航發動機中的應用，英國羅·羅公司也開始將目光從鈦合金葉片上轉移到復材葉片。其同GKN集團正共同進行碳纖維增強復材葉片的研發，該葉片同鈦合金葉片同樣薄，并且在量產、成本以及魯棒性上均符合民航發動機標準。目前這種碳纖維風扇葉片已經完成了包括葉片飛出、鳥撞試驗在內的地面試驗。

1.2 3-DWOVEN/RTM成型復材葉片

對于風扇葉片中等推力發動機提出的強度要求更高，因而Snecma公司在CFM56系列發動機研發中，在LEAP-X中將會應用碳纖維對復合材料進行增強。相比較于GEnx以及GE90，所采用的碳纖維薄層鋪設技術不同，Snecma公司在LEAP發動機葉片的制造中所采用的RTM工藝，是將碳纖維進行預先編制，在樹脂注入以及葉片高壓成型之前，碳纖維便已經成為3-DWOVEN結構。

Snecma公司在復材葉片的制造上委托了AEC公司，由于AEC公司生產制造自動化程度相對較高，因而其制備三維編制預制體并完成整個葉片的制造僅需要24小時。

同CFM56（CFM公司）發動機相比，LEAP發動機葉片成型采用了3-DWOVEN/RTM技術，前者結構上采用了更多的技術，而后者采用復合材料，有效減輕了發動機重量，提高了燃油效率，降低了排放量和發動機噪聲。目前，LEAP-X發動機已經開始得到中國多種旅客機的關注，未來將會逐步在中國普及推廣。

2 復材葉片的發展趨勢

因復合材料的低密度、高比強度、高比剛度，能有效降低油耗、噪音，采用復合材料葉片已成為民用航空發動機的發展趨勢。制約復合材料葉片大規模應用的關鍵因素是預制體制備、復材成型技術等。

2.1 預制體制備

復材葉片制造的難點之一是制備預制體。國外常用的預制體制備方法有兩種：一種是選用IM7/8551-7和IM7/M91作為預浸料并采用激光定位手工/自動化成型技術制備，適用于制備大推力、大葉盤直徑渦扇發動機的風扇葉片預制體；另一種是對IM7碳纖維進行預浸漬處理，通過3D-WOVEN/RTM自動化技術成型，主要用于制備小推力渦扇發動機風扇葉片的預制體。以往采用激光定位輔助+手工鋪疊的技術進行預制體制造，而GKN公司開發了自動化絲束鋪放設備（簡稱AFP）可實現預制體的自動化成型。羅·羅公司在研制TNENT系列發動機復合材料風扇葉片時使用了GKN公司的自動化纖維絲束鋪放設備，實現了復材葉片預制體的自動化成型，并運用超聲刀對預制體進行切割。Snecma公司率先提出了無余量預制體成型技術、預制體預變形技術以及高度自動化的預制體制備技術。Snecma公司的3DW/RTM成型風扇葉片預制體技術可降低傳統二維風扇葉片的分層缺陷產生的可能性，讓葉片頂部更薄、根部更厚；經紗連續的變截面成型技術提高預制體的承載能力；采用高壓水射流對預制體進行無余量切割。

2.2 成型技術

RTM注射成型以及模壓是目前國際上流行的復材葉片成型技術，雖然兩者在技術上具有一定的差異性，但均可稱為閉模成型技術。渦扇發動機的葉片扭轉大且為雙曲面，其結構形式相對復雜，常規的成型技術無法滿足葉片加工精度，而閉模成型技術的成型精度高，能夠很好的滿足渦扇發動機對于葉片制造的需求，因而其逐步成為目前復材葉片成型的主流技術。隨著技術的逐步發展，目前國外開始利用復合材料模具代替金屬模具，以此保證生產加工中模具和零件能夠保持一致的熱膨脹系數，進而獲得更高的零件尺寸精度。此外，復材葉片成型加工技術開始引入數字仿真模擬技術，從而在技術研究前期對成形工藝進行方向性指導，在研制過程中合理規避風險，縮短研制周期，降低研制成本。

3 結束語

復合材料以其優越的特性開始成為民航發動機葉片的主流材料，并且隨著技術的發展，復材發動機葉片的制造效率更高，自動化程度也更先進。在未來高精度、可靠性、一致性會成為復材葉片生產研發的主要方向。我國自主研發的大型民用客機中也開始應用商用發動機，這為我國復材葉片的研發制造提供了一個契機，雖然目前復合材料在我國航空發動機制造中還處于初始應用階段，復材葉片的制造業僅在起步階段，但在我國技術人員的努力下，我國自主研發的應用復材葉片的渦扇發動機必然會在世界航空領域占據一席之地。

參考文獻

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