復合材料在商用發動機作動系統中的應用分析

袁 杰，王文山

（中航工業慶安集團有限公司，西安710077）

復合材料在商用發動機作動系統中的應用分析

袁 杰，王文山

（中航工業慶安集團有限公司，西安710077）

先進飛機及其發動機的需求是復合材料發展的強大推動力。基于復合材料的特點以及在航空中的應用情況，提出了發動機作動系統對復合材料的需求。根據商用發動機作動系統的定義與范圍，詳細論述了該系統未來發展方向對復合材料的應用需求。通過對比分析復合材料在國內外發動機作動系統中的應用現狀，提出了鈦基復合材料、SiC復合材料、變形記憶合金復合材料、壓電功能復合材料等先進復合材料的應用發展方向，為中國商用發動機作動技術的發展提供相關建議。

復合材料；作動系統；商用飛機；商用發動機；作動器

0 引言

復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合材料的結構負載能力，易于塑造的基體用于保持增強體的位置和方向[1]。復合材料的增強體和基體在性能上相互取長補短，產生綜合效應，其性能大大優于原始組成材料。

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

商用發動機設計的關鍵技術之一就是要最大程度地減輕發動機質量，提高其燃油效率和推重比。目前發動機控制系統的質量約占發動機總質量的15～20%[9]，因此，減輕發動機控制系統的質量是發動機減重設計的重要途徑之一，發動機控制系統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、機械連桿機構等作動部件。同時，未來商用發動機的發展方向也對其作動系統提出了更高要求。

本文概述了商用發動機作動系統的范圍，詳細分析復合材料在該系統中的應用需求，并對比其在國內外的應用現狀，為發動機的減重設計與未來發展提供有效途徑。

1 商用發動機作動系統概述

發動機作動系統是控制系統的執行子系統，接受控制系統的指令信號，將控制信號轉換為作動器的速度和位移，調節發動機幾何可調參數（如風扇/壓氣機可調導葉角度、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），以改變發動機氣流狀態，實現對發動機工作狀態控制。發動機作動系統控制回路基本結構如圖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、低壓轉子轉速，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為低壓渦輪內涵出口燃氣總溫，αf為風扇可調導葉角度，αc為高壓壓氣機可調靜子葉片角度，A為可調面積，Lx為位移控制變量。

商用發動機主要包括噴氣式客機的渦輪風扇（渦扇）發動機、螺旋槳客機的渦輪螺旋槳（渦槳）發動機和民用直升機的渦輪軸（渦軸）發動機，其中以渦扇發動機的應用最為廣泛，其控制系統也最為復雜，典型商用渦扇發動機主要調節作動部位如圖2所示。

2 商用發動機作動系統對復合材料的需求分析

未來商用飛機發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，發動機控制系統將面臨更高的要求和挑戰。為了滿足這些要求，發動機作動系統將向高功重比、分布式、智能化、高頻響等方向發展，新的發展方向已對復合材料產生了新的需求。

2.1 高功重比

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

作動系統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。復合材料具備優異的綜合性能，具有高比強度、高比剛度的特點，采用非金屬基或金屬基復合材料取代常規金屬材料的部件，可實現作動系統減重。例如，可選用的復合材料有非連續增強鋁基復合材料（DRA）、非連續增強鈦基復合材料（DRTi）、環氧樹脂基復合材料（Gr/Ep）、Al2O3f纖維增強鋁基復合材料（Al/Al2O3f）、SiC纖維增強鋁基復合材料（6092/SiC/17.5p、6092/SiC/25p）等，其比強度、比剛度與常規航空結構材料的對比如圖3所示[11]。

2.2 分布式

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

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

2.3 智能化

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

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

2.4 高頻響

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

高響應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的主要因素是驅動閥門的作動部件。目前應用的作動器閥門響應速度慢，無法滿足主動控制系統要求500～1000 Hz的響應頻率。因此需要高執行帶寬的壓電、電磁、磁致伸縮等功能復合材料，能夠在低功率下工作且體積更小巧。

3 國內外應用現狀分析

3.1 國外研究情況

美國以及歐洲一些航空發達國家的政府部門為了提高發動機的性能，滿足高推重比發動機的需求，實施了多項發動機研究計劃，并將發動機研制與新型復合材料研究緊密結合，已在商用發動機的葉片、軸、機匣、支撐框架等結構部件中廣泛應用。鈦基復合材料（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動機作動部件的要求，簡化部件結構，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已首先在軍用發動機的作動部件中應用，如美國F-22飛機的F119發動機的噴管作動器（用于驅動噴管調節片的運動）的活塞采用高比強度的SiC纖維增強鈦基復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℃高溫環境下使用的要求。F119發動機噴管作動器的復合材料活塞如圖6所示[15]。

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

目前美國采用壓電功能復合材料的高響應作動器已在發動機試驗臺上進行了試驗驗證，試驗結果表明在無負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]，為未來商用發動機的高頻響作動系統的工程化應用奠定了基礎。

3.2 中國研究情況

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

4 結束語

（1）先進復合材料在商用發動機作動系統中的應用，將使飛機發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）復合材料的應用是未來發動機作動系統發展的關鍵需求之一。

（3）借鑒國外復合材料在發動機作動系統中的應用研究經驗，制定相關可持續發展計劃，可促進先進復合材料在商用發動機上的應用，推動中國新一代先進商用飛機的發展。

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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，從事飛機發動機作動系統研發工作；E-mail：hbhb-2006@163.com。

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

（編輯：趙明菁）