復合材料風扇葉片的發展與思考

馬子于，蘇震宇，魏然

復合材料風扇葉片的發展與思考

馬子于，蘇震宇，魏然

（中航復合材料有限責任公司，北京 100013）

目前復合材料風扇葉片的使用已成為大涵道比商用發動機的趨勢，各大國外發動機制造商制造的各代風扇葉片已應用于B777、B787、A320、A350、C919等熱門機型。國內的復合材料風扇葉片研制工作已計劃展開，對葉片的仿真模擬技術、國產材料的研發技術、葉片制造的關鍵技術、自動化成型技術以及滿足適航要求等方面需要開展進一步研究。

復合材料；風扇葉片；成型工藝；自動化

1 風扇葉片的發展背景

現代商用噴氣飛機更高、更快、更安靜的發展趨勢對發動機的動力和效率提出了更高的要求，因此大涵道高推重比的渦扇發動機應運而生。發動機不斷增大的涵道比和效率使得人們必須采用更大尺寸的風扇，導致風扇段的質量占發動機總質量的比例不斷增加。據測算，現代商用噴氣飛機發動機風扇段的質量占發動機總質量的20%以上，因此風扇段的研究備受關注。

作為風扇段的核心部件，風扇葉片被視為重中之重。隨著高推重比發動機的不斷發展，風扇葉片的研制工作也在不斷深入。由于金屬行業比復合材料行業發展更早、更成熟，早期應用在大涵道高推重比渦扇發動機風扇葉片的材料為合金材料。由于鈦合金具有比強度高的特性，鈦合金葉片成為了首選。后因減重需求的不斷提高，鈦合金葉片逐步發展為了鈦合金空心葉片。近年來，為滿足新一代渦扇發動機“低噪聲、低污染、低成本”的要求，發動機的涵道比和效率需要進一步增大。隨著近幾十年來復合材料行業的蓬勃發展，采用復合材料所制備的風扇葉片已經能夠滿足使用要求。采用復合材料制作風扇葉片可以減輕發動機質量，提高比剛度、疲勞性能、損傷容限等。與鈦合金葉片相比較，復合材料葉片具有以下優勢：①復合材料風扇葉片在數量上比鈦合金葉片減少50%，可減輕質量66%；②可以實現高效率、低噪聲的性能；③燃油消耗率較低；④抗顫振方面優于鈦合金葉片。因此，隨著發動機涵道比的進一步提高，國際上各大航空發動機制造商不斷推進對各種新型發動機和復合材料風扇葉片的研究。

2 國外發展狀況

早在19世紀60年代，英國羅-羅公司就開始了復合材料風扇葉片的研發工作，并準備應用于RB211發動機上。由于當時所采用的復合材料的性能不能夠滿足葉片剛度及韌性的要求，使得羅-羅公司開發的該型復合材料葉片沒能夠通過鳥撞試驗。美國GE公司的復合材料風扇葉片的起源可追溯到1971年的TF39發動機，由于當時的制造技術不夠成熟，設計用的計算能力也不夠強大，因此也導致了復合材料風扇葉片未能夠在TF39發動機上得到應用。1985年，一種改性的環氧樹脂在市面供應，GE公司在其GE36風扇葉片上使用了該種材料，但最終由于航空公司對其不感興趣而被取消。GE公司早期研制的復合材料風扇葉片如圖1所示。

圖1 GE公司早期研制的復合材料風扇葉片

隨著復合材料行業的蓬勃發展，復合材料風扇葉片的研制條件在20世紀90年代趨于成熟。自1995年來，國外航空發動機巨頭美國GE公司、英國羅-羅公司與法國SNECMA公司的復合材料風扇葉片相繼問世，幾種復合材料風扇葉片的概況如表1所示。

對于成熟度較高的機身零件，通常為保證鋪疊精度和穩定性，一般都采用自動鋪絲、自動鋪帶、疊層滑移等自動化工藝。而對于曲率較大、鋪層較為復雜的風扇葉片，一般只能靠手工鋪疊來實現。

據悉，GE90發動機的風扇葉片采用了預浸料手工鋪疊的方式，選取IM7/8551-7的材料體系。樹脂選用了成熟度較高的高溫固化環氧樹脂，纖維選取了中模高強的碳纖維，其中加入了增韌材料。鋪疊完成后采用熱壓罐成型的方式進行固化。該葉片約由400層預浸料鋪疊而成，從葉根到葉尖逐漸減薄，壓力面涂有聚氨酯防腐涂層，吸氣面涂有聚氨酯防護涂層。前緣采用鈦合金包邊，使用AF191膠膜進行粘接，以增加前緣的強度。葉尖和后緣用芳綸細線縫合，葉片榫頭處粘有低摩擦系數的耐磨材料。

表1 國外復合材料風扇葉片概況

發動機型號GE90GEnxTRENT 1000LEAP-X 制造廠商GEGE羅-羅及GKNSNECMA 對應機型B777系列B787系列B787、A350B737MAX、C919、A320NEO 材料體系IM7/8551-7IM7/8551-7IM7/M91IM7絲束/PR520 樹脂體系環氧環氧環氧環氧 材料類型預浸料預浸料預浸料預浸料絲束 材料廠商赫氏赫氏赫氏索爾維 增韌形式材料增韌材料增韌材料增韌材料增韌+三維增強 成型方法熱壓罐成型熱壓罐成型熱壓罐成型液體成型 模具材料金屬/復材金屬/復材金屬金屬

整臺GE90發動機共有22片復合材料風扇葉片，可比前期鈦合金空心風扇葉片輕66%，然而強度卻可以提高100%。在GE90發動機中，首先面世的是GE90-94B型號的風扇葉片。后期經過改進，發展出GE90-115B型號的風扇葉片，燃油效率提升20%，推力增加22%，載重增加6%，而維護成本基本不變。經過11年的運行，累計890萬小時的飛行，GE90-115B發動機僅有3片復合材料風扇葉片被換下，足以見得復合材料風扇葉片的優勢和穩定性所在。GE90-94B發動機復合材料風扇葉片如圖2所示。

圖2 GE90-94B發動機復合材料風扇葉片

隨著技術的提高，GE公司基于GE90發動機研發的基礎又開發了新一代低噪聲、低污染、低成本的大涵道比渦扇發動機GEnx。其中GEnx有兩種型號GEnx-1B70和GEnx-2B67，其中GEnx-1B70被波音787選做候選發動機之一，而GEnx-2B67被波音747選為唯一動力裝置。GEnx發動機復合材料風扇葉片在保證選材和成型工藝不變的基礎上，改進了葉片的設計和制造技術，使其發動機可以僅包含18片復合材料風扇葉片，燃油效率進一步提升。GE90-115B與GEnx發動機復合材料風扇葉片如圖3所示。

GE公司在發展復合材料風扇葉片的同時，將葉片的曲率越做越大，因此，單臺發動機的葉片數量也在逐漸降低，如圖4所示。對于GE公司新一代發動機產品GE9X，采用了先進的三維掠形設計，使風扇葉片后掠更大、葉弦更寬、葉片更薄，數量更是降低到16片，成為風扇葉片數量最少的渦扇發動機。

圖3 GE90-115B與GEnx發動機復合材料風扇葉片

圖4 GE發動機復合材料風扇葉片數量減少

對于常規的復合材料零件，通常都采用成本較低的普通鋼材質的模具。但由于風扇葉片雙曲率、大扭轉、變截面的特點，極易產生固化變形。為了保證成型精度，GE公司采用INVAR鋼材質的模具或復合材料材質加工的模具，其熱膨脹系數與復合材料風扇葉片的熱膨脹系數更為接近，熱壓罐固化成型后的風扇葉片具有更高的精度。

經歷了RB211復合材料風扇葉片失敗的經歷以及近40年技術的儲備，羅-羅公司聯合GKN公司又重新開始研制復合材料風扇葉片Trent1000。借助計算機輔助，兩公司采用模擬仿真的方法，對復雜葉面結構的三維構型、三維展開、強度校核等方面進行研究，最終同樣采取預浸料鋪疊-熱壓罐成型的方式進行制造。

在選材方面，他們選擇了與IM7/8551-7的材料體系相近的IM7/M91體系。作為大的提升方面，也是重大技術突破方面，Trent1000型復合材料風扇葉片采用自動鋪疊代替人工鋪疊的方式，大大減少了由于人工差異帶來的性能波動，極大地提升了制造過程的穩定性，提高了制造的成功率。Trent1000型復合材料風扇葉片如圖5所示。

圖5 Trent1000型復合材料風扇葉片

對于上述3種風扇葉片，三家公司均采用了預浸料鋪疊的方式。其優勢在于鋪層的可設計性。對于確定外形的風扇葉片，就鋪層復合材料葉片而言，設計人員可通過設計內部每一層的鋪疊角度和預浸料料塊的尺寸來調整葉片的強度，以得到可以滿足使用需求的葉片。如果出現強度問題，較易通過反查的方式找到問題點。但由于葉片外形的不對稱性，導致其在熱壓罐固化過程中會出現一定的熱變形，葉片的外形精度不易保證。

為此，SNECMA公司的LEAP-X1C葉片為保證外形精度能夠滿足要求，摒棄了傳統的預浸料鋪層-熱壓罐固化的方式，而選用了RTM的成型方式。采用IM7絲束，預先編織出3-D的碳纖維預制體，進而在封閉的型腔中注入PR520樹脂。這種做法可以實現葉片外形的高精度。但同時也會帶來纖維預制體變形或表面孔隙等問題，需要進一步研究。此外，由于3-D編制的復雜性，對設計、強度計算校核以及出現問題的分析帶來一定的困難。LEAP-X1C型復合材料風扇葉片如圖6所示。

圖6 LEAP-X1C型復合材料風扇葉片

圖7 UltraFan發動機復合材料風扇葉片

據悉，羅-羅公司正在研制的下一代UltraFan民用航空發動機也采用了復合材料風扇葉片，并且采用了最先進的材料體系、最先進的設計理念、最先進的自動化制造技術，最大程度地提高了原材料的利用率。該款材料將有助于發動機減少排放物、減輕質量、提升功率、減小噪聲。UltraFan發動機復合材料風扇葉片如圖7所示。

3 國內發展狀況與思考

中國在大涵道比渦扇發動機復合材料風扇葉片上的研制工作開展較晚，特別是在葉片設計、葉片強度、剛度校核和模擬仿真、葉片成型工藝等關鍵技術上才剛剛起步，要實現復合材料葉片在商用發動機上的應用，還需要大量的工作。筆者認為，國內復合材料風扇葉片的研究工作要注重以下幾方面。

3.1 發展計算機模擬技術

基于現在計算機技術的發展，葉片的設計和強度校核工作可以通過計算機進行模擬。計算機模擬的準確性高、計算速度快，可以避免傳統設計中的許多缺點和遺漏。從材料選材到鋪層角度或3-D預制體編織設計，再到葉片強度分析、校核，以及制造過程中鋪疊參數、角度偏差、固化參數、樹脂流動性等的計算，都可以通過仿真來實現。由于鋪層葉片的不對稱性所造成的固化變形以及RTM葉片預制體的變形，可以借助計算機模擬仿真技術，計算變形量，再通過變形迭代的方式，得到補償后的固化模具型面以及預制體的形狀，為實際復合材料達到所需的外形提供指導。在后期試驗過程中，可以預先進行鳥撞仿真，計算鳥撞后葉片的變化等。通過這些設計過程、制造過程以及試驗過程的計算機仿真模擬，可以大大縮短整個葉片的設計、試驗周期，避免很多實際中的試驗浪費，從而節省人力、物力，做到更高效、更準確。葉片的設計仿真如圖8所示。葉片的鳥撞仿真如圖9 所示。

圖8 葉片的設計仿真

圖9 葉片的鳥撞仿真

3.2 加快國產材料的研發進程

目前國產材料想使用在民用發動機葉片上，仍有很遠的路要走，主要問題在于：①國產材料只針對于普通的復合材料零部件所設計，而葉片受力復雜，且為轉動部件，需要經受鳥撞考核，因此適合用于風扇葉片的材料尚待開發；②國產材料在適航方面的工作還有待進一步推進，因此國產材料的研發進程應該更加受到關注，爭取早日用于復合材料風扇葉片中。

3.3 開展葉片成型關鍵技術的研究

目前國內復合材料風扇葉片的制造工作才剛剛起步，對于制造過程中的鋪疊參數或是纖維預制體的參數、固化參數等的各項參數邊界控制的認知仍有待進一步豐富。只有掌握了成型過程的關鍵參數，并且在生產過程中保證每一步每一個參數都在邊界控制內，做到生產過程的可控，才能夠保證復合材料風扇葉片的質量均一性。手工鋪疊的復合材料風扇葉片如圖10所示。待熱壓罐固化的復合材料風扇葉片如圖11所示。

圖10 手工鋪疊的復合材料風扇葉片

圖11 待熱壓罐固化的復合材料風扇葉片

3.4 著重適航理念

由于適航在民用航空中的不可或缺性，應盡早在復合材料風扇葉片研制過程中灌輸適航理念。針對復合材料風扇葉片，適航要求主要為以下3點：①需要證明在整個發動機服役期內，單個復合材料風扇葉片保持系統失效導致的危害性發動機后果的總概率小于1×10-9除以發動機飛行小時；②通過試驗或分析表明，遭受雷擊后，復合材料風扇葉片結構依然能持續安全地飛行；③需要滿足包容性試驗相關要求。以上三點復合材料風扇葉片的適航性要求，可以指導相關設計、制造、試驗工作。早期介入適航理念，可以為后期適航認證節省時間，避免走不必要的彎路。

3.5 開發自動化成型設備和技術

由于復合材料風扇葉片雙曲面、大扭轉、變截面的結構形式極為復雜，目前國內的制造工序大部分只能靠手工完成。由于個人的鋪疊差異，使得葉片的性能很難達到均一穩定。并且由于手工操作，難免會出現零件的夾雜或料片的變形。采用類似羅-羅與GKN公司或GE公司的鋪絲技術或其他的自動化成型技術可以解決制造參數穩定性差、夾雜或變形的問題，減少報廢數量，降低制造成本。國內商用發動機內復合材料的需求量會隨著國產大飛機發展而大幅度提升。因此，為保證制造工藝的穩定性，減少由于人工原因帶來的質量問題，開發鋪絲或相應的自動化成型設備與技術很有必要。UltraFan復合材料風扇葉片的自動化鋪疊如圖12所示。

4 結語

相信隨著中國自主設計的國產大飛機C919以及CR929的研發以及國內民機產業的蓬勃發展，國內商用發動機的需求會更加迫切，要求也更加苛刻。借助這一平臺和機遇，中國的復合材料風扇葉片也能夠迅速發展。雖然中國的復合材料風扇葉片才起步，技術也尚不成熟，但終有一天，國產大飛機也能搭載自己的中國“芯”飛上藍天。

圖12 UltraFan復合材料風扇葉片的自動化鋪疊

［1］劉強，趙龍，黃峰.商用大涵道比發動機復合材料風扇葉片應用現狀與展望［J］.航空制造技術，2014（15）：58-62.

［2］陳巍.先進航空發動機樹脂基復合材料技術現狀與發展趨勢［J］.航空制造技術，2016（5）：68-72.

［3］丁梅.復合材料方向舵結構維修技術研究［J］.科學導報，2019（22）：296.

［4］王曉亮，劉志真，紀雙英，等.商用航空發動機先進復合材料風扇葉片研究進展［J］.新材料產業，2010（11）：36-41.

［5］薛向晨，胡江波，王犇，等.疊層滑移工藝制造大型機身帽型長桁［J］.航空制造技術，2020，63（4）：62-67.

［6］胡江波，薛向晨，鄭曉玲，等.疊層滑移工藝對M21C層壓板力學性能的影響［J］.復合材料學報，2020，37（5）：1-8.

［7］朱啟晨，陳勇，肖賈光毅.復合材料風扇葉片鋪層設計方法研究［J］.航空發動機，2018，44（3）：49-54.

［8］胡江波，薛向晨，梁憲珠.一種基于方鋼管骨架的壁板成型模具［J］.航空制造技術，2019，62（13）：70-74.

［9］劉維偉.航空發動機葉片關鍵制造技術研究進展［J］.航空制造技術，2016（21）：50-56.

［10］綦蕾，李紅琳，陳智強.淺談民用航空發動機適航技術新要求［J］.航空動力，2020（1）：45-48.

［11］陳光.大涵道比渦扇發動機的發展［J］.航空動力，2019（3）：56-61.

［12］廖煥文.復材葉片在民用航空發動機中的應用［J］.科技創新與應用，2016（21）：122.

［13］朱啟晨，陳勇.復合材料寬弦風扇葉片模態仿真分析［J］.航空發動機，2019，45（1）：28-32.

［14］柴象海，侯亮，王志強，等. 航空發動機寬弦風扇葉片鳥撞損傷模型標定［J］.航空動力學報，2016，31（5）：1032-1038.

V231.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.013

2095－6835（2020）13－0034－04

〔編輯：王霞〕