航空发动机通过复合材料减重

作者：George Marsh

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 航空公司今天将完全可以服役的飞机弃之于沙漠中，却去采购当前一代的后继机型——这些机型重量更轻、油耗更低，这在很大程度上要归功于复合材料的使用。这种现象表明航空运营商从很大程度上已经为在机身减重方面的投资做好了准备，同时也显示了他们对类似波音B787 Dreamliner及空客A350 XWB等新机型的渴求——这些机型采用的增强塑料按重量占整个飞机结构的一半左右。 《增强塑料》读者或许对复合材料在飞机内饰方面的广泛应用及其对二级及主要飞机结构不断增长的贡献耳熟能详，但是未必清楚这种材料目前对发动机减重带来的效果。虽然发动机的核心部件对复合材料来说通常温度过高，但是温度较低的运转前端则是复合材料最主要的潜在应用领域，主要为尺寸较大的风扇及机匣。现代喷气式发动机通过风扇使进入进气道的空气穿过发动机的外涵道，然后从发动机舱尾部喷出，通过这种方式形成发动机总推动力的70-90%。剩余部分则来自于内涵道——发动机真正的喷气部分。后者还为风扇提供驱动力。风扇的作用类似于大型的螺旋桨，只不过它的叶片数量要多得多，旋转速度也快很多。在最新推出的一些涡轮风扇发动机上，通过外涵道的空气量最高约是通过内涵道本身空气量的12倍，这个比例称为涵道比。 传统上，发动机风扇叶片都是由金属制成，通常是钛金属，但是今天，发动机制造商可以通过复合材料来大幅降低发动机的重量。同样，用于容纳任何形式的叶片分离及防止高速碎片损伤飞机机体或飞机系统的发动机机匣，现在也可以采用复合材料来替代金属或金属复合材料混合物（通常是芳纶聚酰胺材料包覆在铝合金外面）。风扇与机匣模块重量的减轻还可以带来连锁的效应，使类似主轴轴承及连接发动机与机翼相连的吊架，以及相关的机翼结构都可以变得更轻。总体上说，每台发动机约可以节省半吨或更多的重量，在今天航空油价居高不下的情况下，这种成效非常值得拥有。 相比金属来说，复合材料具有更高的耐久性，尤其其耐疲劳度更强，而且可以成型成不同形状，非常接近3-D虚拟空气动力模型。复合材料还具有很好的抗蠕变性，这种朝外延伸的现象通过出现在金属叶片上，主要是由叶片在2500rpm左右（巡航模式下风扇的常见转速）转速下形成的离心力造成的，也就意味着叶片叶尖和外围管道之间的距离在最初设计的时候就比应有的大，这样才能保证发动机的最佳性能。 市场开拓者 虽然罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce）是复合材料风扇叶片应用的开拓者（后文将详述），但是第一家成功将一架采用复合材料叶片的商用飞机推向市场的企业是美国飞机发动机制造商——通用电气公司（GE）。最初的GE90发动机首次于1995年开始服役于英国航空公司的波音B777长程双引擎广体客机上。这款发动机的涵道比为8.4，风扇直径为10英尺，共有22个宽弦风扇叶片组成。叶片采用通过高档碳纤维增强的增韧环氧树脂注塑而成。叶片表面采用耐磨的聚氨酯涂层，前缘采用的钛合金保护可以防止叶片受到飞鸟、冰块或其他“异物”的撞击。钛合金保护还形成了一种采用复合材料很难成形的非常必要的锋利边缘。这种保护前缘还可以替换，回收后还可以重新混合使用。 GE公司此前在复合材料叶片方面拥有长达25年的开发经验，最早可追溯到NASA赞助的项目时期。该公司称其GE90叶片承受了一整套严苛的测试，包括非常关键的Chicken-gun测试——将鸟的尸体射向工作中的发动机，来模拟高速运转状态下飞鸟的撞击。测试获得了积极的结果，这也与飞机在实际服役中对大量体形如白鹭及加拿大鹅般大小的飞鸟的真实撞击结果一致。在这些情况下，飞机风扇并没有受到太大的损坏。据GE公司表示，暴露于飞机油液（燃油、液压油等）环境中的复合叶片样品维持了95%的基本性能。真实使用情况显示叶片对湿度的吸收和材料的疲劳度都非常低。在叶片脱落试验中，叶片被快速剪切掉，然后通过离心率被迅速甩出去。试验结果验证了复合材料机匣的性能。 GE90的升级版——GE90-115B目前是全球功率最强劲的涡轮风扇发动机，其样品在试验台架上曾输出12.8万磅推力（发动机的额定推力为11.5万磅）。另外一款小型发动机——GENx为中等容量远程飞机开发，包括波音最新推出的最节油的B787客机，目前刚投入商业运营。在GE90叶片技术的基础上，波音公司为B787开发了直径为111英寸、18个叶片的复合材料风扇。该风扇使这架双喷气发动机飞机与如若采用金属风扇发动机的机型相比重量减轻了700磅。 制造工艺 叶片的制造商是CFAN公司——GE与法国发动机制造商Snecma（斯奈克玛）的合资公司。生产是在位于美国德克萨斯州圣马科斯市（San Marcos）的一家专门的复合材料零部件工厂内进行的。这家工厂至今已经生产了两万多个复合材料叶片，最初为GE90-115B发动机配套风扇叶片，最近几年也为GENx发动机生产叶片。据改公司称，其严格的制造流程确保了所生产的叶片无孔隙、折皱及其他瑕疵。 E90叶片采用预制件方式制造，在每个叶根部分包含几百层单向碳纤维预浸带和织物。叶根部分的厚度达4英寸，然后逐渐变薄，直至叶尖部分厚度为0.25英寸。铺层采用超声波进行切割，每一层的形状都事先通过计算机软件生成。碳纤维层然后通过激光投影系统进行铺设。编制完成的织物接着放置在模具中，然后向其中注入树脂。在热压罐中，当温度设置为150°C左右，且施加一定固结压力时，部件开始固化。最后，接近最终形状的部件通过五轴CNC加工中心磨削至最终尺寸。 为GENx发动机开发的风扇机匣是由GKN Aerospace Services公司位于阿拉巴马州的飞机结构件工厂生产制造的。机匣由双轴向和三轴向碳纤维及环氧树脂织物组成，通过风扇套管工具编制完成。套管中间关键部分采用了额外的三轴向层，彼此按60°铺设，使该部分比朝向尾端的部分更厚。这种全复合材料结构据称要优于其他发动机普遍采用的Kelvar（芳族聚酰胺）与铝合金复合的机匣系统，后者更容易积累潮气，从而导致两种材料的衔接处出现腐蚀现象。 GKN Aerospace Services公司还生产一体式声衬，可以大大降低风扇的噪音。该声衬外面两层为玻璃纤维/环氧树脂，中间为Nomex芳族聚酰胺蜂窝芯材。 在今年的范堡罗航空展上，通用电气航空（GE Aviation）公司称其正在为计划中的GE9X发动机开发第四代复合材料风扇叶片，该发动机将用于新一代波音B777飞机上，代号为B777X。该公司还在探究将风扇机匣与进气道整合到一个一体化装置里，从而进一步减轻重量的可能性。 LEAP发动机 与此同时，CFM International公司为其先进的LEAP发动机上采用的复合材料风扇叶片和机匣正在启用一种全新的生产工艺——这是一家由GE与斯奈克玛建立的合资公司，由其制造的CFM 56发动机广泛应用于今天常见的窄机身飞机上。这款LEAP发动机将配套空客A320neo（畅销型A320机型的改进款）、波音737 MXA（B737的升级款）以及中国的新一代COMAC C919窄机身机型上。该款发动机的涵道比将高达12：1，燃油效率将提升15%。 斯奈克玛——赛峰集团（Safran Group）旗下负责发动机风扇模块业务的公司——称其花了15年的时间及2亿美元的投入，为复合材料风扇和机匣开发新的材料和制造工艺。斯奈克玛还与美国Albany Engineered Composites公司——风扇叶片和机匣开发和制造的主要践行者——建立了紧密的合作关系，利用后者在3D工程复合材料方面的丰富经验。 LEAP发动机复合材料风扇由18个叶片组成，据称是首个采用3D编织材料及树脂传递成型工艺制成，而目前的风扇叶片都是采用传统的多层层压的方式。据斯奈克玛一高管称，3D编织材料结构具有较强的抗损坏性能，同时TRM工艺有利于生产更薄、更弯曲的叶片，从而提升空气动力性能。三年的测试验证了该风扇叶片的承受飞鸟撞击及叶片折断事故的能力，此外还达到了稳定性及耐久性的要求。 在生产过程中，碳纤维首先编织成预成型件，采用水喷射机器切割出形状。然后预制件放置于模具中，最后注入环氧树脂。在温度为180°C，压力为8.6巴条件下，材料在模具中开始固化。接着成型件从模具中取出，在五轴加工中心上磨削至最终尺寸。据该公司表示，这种采用热压罐外固化的方式有利于具有复杂曲面造型的部件的批量生产，可以将材料浪费控制到最低。 LEAP发动机复合材料风扇机匣的制造采用了3D和轮廓编织相结合的方式，首先编织出接近最终形状尺寸的预成型件，然后采用RTM工艺注射成型为最终形状。采用轮廓编织的方式可以让整个风扇机匣预成型件（包括法兰）一次性成型为一个整体，省去了切割及落镖冲击步骤，而连续编织可以在注射成型后防止纤维出现脱层的现象。 风扇叶片及其他RTM部件，包括风扇机匣、叶片预成型件以及叶根下面的垫片，都将在两个生产中心实现较高程度的自动化生产，其中一个为AEC和Safran Aerospace Composites公司在AEC位于新罕布什尔州罗切斯特市的总部附近建立的一家新的LEAP复合材料生产工厂；另外一个将设立在法国的科梅尔西市（Commercy）。市场对LEAP发动机及其复合材料零部件的需求还不错，目前已经收到超过3500台发动机的合同订单。 罗尔斯的战略转变 直至近些年，罗尔斯·罗伊斯公司都还拒绝在其大型涡轮风扇发动机的风扇模块上采用复合材料，而是坚定地采用其为钛合金叶片及金属机匣制造而开发的先进工艺。不过，公司今年宣称目前正在开发并计划于2020年底前推出的新款发动机将采用复合材料风扇和机匣。 虽然这看上去像个战略性的转变，但是事实上罗尔斯·罗伊斯早在40多年前就制造过该公司第一款复合材料叶片产品，用于洛克希德Tristar三发动机喷气式客机的RB211发动机上。不过不幸的是，这次大胆的举措最后无疾而终。主要的问题是早期的Hyfil碳纤维/环氧树脂复合材料叶片虽然在正常使用中表现良好，但是无法承受飞鸟的撞击。此外，制造的可重复性也是一个问题。这些问题在当时根本无法得到解决，因此最后又重新选择了金属。为了适应钛合金叶片，公司对发动机进行了重新的设计，同时还对已有的机型进行了改造——这些导致最初的公司走上了破产之路，最后不得不重组成为一个新的企业实体。 但是市场对飞机减重不屈不挠的追求让今天的罗尔斯·罗伊斯不得不重新考虑复合材料风扇的解决方案。在认真评估了自RB211项目失败后复合材料在材料及制造工艺方面的发展后，公司最终认为在采用复合材料制造风扇方面不能再犹豫不决了。 还有一个因素一直影响着罗尔斯·罗伊斯更早地做出这个决定，那就是虽然碳纤维增强塑料（CFRP）叶片比金属轻，但是也很难将其做得更加纤细，因此其形状无法从空气动力学方面达到最优。罗尔斯·罗伊斯战略市场副总裁Robert Nuttall强调，任何新的叶片与金属叶片相比都必须具备同样的空气动力性能，同时还要更轻、更有弹性且更耐久。他承认新的复合材料技术现在可以实现所有这些优点，并且认为可以帮助每台发动机实现大幅度的减重效果。 为了防止重蹈之前错误决定的覆辙，罗尔斯·罗伊斯决定“购入”一些复合材料技术。这样，该公司与GKN Aerospace建立了合作关系，这家来自英国的一级供应商在复合材料方面拥有丰富的经验，包括3D材料。这两家公司开发了一个CFRP风扇叶片样品——与钛合金机翼具有相同的厚度，但是经地面测试显示，可以抵挡鸟的撞击并能应对其他关键事件。明年，该叶片就将在一款Trent 1000发动机上进行试飞——这款发动机由罗尔斯·罗伊斯制造，是波音B787机型的选配动力装置。公司对其复合材料叶片解决方案适用于其所有高涵道比涡轮风扇上（包括计划用于波音B777X上的新款Trent演变版）非常有信心，当然对于小型商业喷气式发动机而言，钛金属依然具备竞争力。 为了与叶片相匹配，这两家公司还开发了复合材料风扇机匣。机匣内表面采用了可磨耗内壁涂层，这样如果叶尖在震动或气流作用下导致旋转的叶尖与机匣之间的微小间隙缩小时，这两个部件的接触也不会导致严重的损伤。 今年1月份，罗尔斯·罗伊斯和GKN Aerospace在英国的怀特岛新建了一个设施，用于开发采用复合材料的高效、轻型的发动机技术。这两家公司建立的合资公司Composites Technology and Applications Ltd（CTAL）将负责开发用于制造新型风扇叶片和机匣的相关工艺流程。GKNA在纤维铺设自动化及其他工艺方面的自动化经验将在可能实现的高速生产中发挥至关重要的作用。该设施及其项目总投资为1480万英镑，其中一半来自英国政府，通过环保型轻量化风扇（Environmental Lightweight Fan，ELF）项目拨款，其余则来自两家合作伙伴。 未来发展 总的来看，先进复合材料业与航空发动机产业之间的这种联姻似乎就这样发展起来了。的确，随着陶瓷基复合材料（CMC）也开始在发动机高温区应用起来，这种现象还会进一步朝前发展。航空燃油价格短期内也无望大幅下降，因此对发动机减重——同时为了与最新飞机机体方面已经实现的减重保持一致——的追求和努力还将继续。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/18/2013)