在不改變目前渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局的前提下，新材料的應(yīng)用和新的結(jié)構(gòu)方案是實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)性的重要技術(shù)手段。樹脂基復(fù)合材料以其具有高比強(qiáng)度、比模量、抗疲勞、耐腐蝕、具有可設(shè)計(jì)性、材料/設(shè)計(jì)/制造一體性、低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造商所青睞的高性能冷端部件的重要候選材料，并逐漸開始在航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件、短艙和反推部件上得到應(yīng)用。

什么是樹脂基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料是以樹脂材料為基體、高性能連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料，通過復(fù)合工藝制備而成，具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新材料。目前廣泛應(yīng)用的樹脂主要包括環(huán)氧樹脂、雙馬樹脂和聚酰亞胺樹脂，增強(qiáng)纖維主要包括碳纖維、玻璃纖維，工程上更習(xí)慣將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料稱為先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料。

發(fā)展歷程

樹脂基復(fù)合材料在航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過60余年的發(fā)展，GE、PW、RR以及MTU、SNECMA等公司投入了大量精力進(jìn)行樹脂基復(fù)合材料研發(fā)，取得了很大進(jìn)展，已經(jīng)將其工程化應(yīng)用到現(xiàn)役航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，并且還有進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用量的趨勢。

樹脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用部位

樹脂基復(fù)合材料的服役溫度一般不超過350℃。因此，樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端。樹脂基復(fù)合材料在國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的主要應(yīng)用部位如圖1所示。

圖1樹脂基復(fù)合材料在國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷端上的主要應(yīng)用部位

風(fēng)扇葉片

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最具代表性的重要零件，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與它的發(fā)展密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)扇段質(zhì)量約占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的30%～35%，降低風(fēng)扇段質(zhì)量是降低發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量和提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的關(guān)鍵手段，采用更大、更輕的風(fēng)扇葉片已成為發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢。風(fēng)扇葉片每減重1kg，風(fēng)扇機(jī)匣和傳動(dòng)系統(tǒng)也相應(yīng)減少1kg，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和飛機(jī)的機(jī)翼/機(jī)身結(jié)構(gòu)也分別減重0.5kg，這種由于風(fēng)扇結(jié)構(gòu)減重帶來的疊代效應(yīng)對飛機(jī)的減重非常重要。與鈦合金風(fēng)扇葉片相比，樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片具有非常明顯的減重優(yōu)勢。除具有明顯的減重優(yōu)勢之外，樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片受撞擊后對風(fēng)扇機(jī)匣的沖擊較小，有利于提升風(fēng)扇機(jī)匣包容性。

目前，國外已進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的主要代表有為B777配套的GE90系列發(fā)動(dòng)機(jī)，為B787配套的GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)，還有為中國商飛C919配套的LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)。1995年，裝配樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的GE90-94B發(fā)動(dòng)機(jī)正式投入商業(yè)運(yùn)營，標(biāo)志著樹脂基復(fù)合材料在現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)上正式實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。在綜合考慮空氣動(dòng)力學(xué)、高低周疲勞循環(huán)等因素的基礎(chǔ)上，GE公司又為后續(xù)的GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)研制了新的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。經(jīng)過11年累計(jì)890萬小時(shí)的飛行，GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)僅有3片復(fù)合材料葉片被更換下來，證明復(fù)合材料葉片適用于嚴(yán)格的商業(yè)飛行要求。上述發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片均為鋪層結(jié)構(gòu)，即采用碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料作為原材料，經(jīng)放樣、下料、鋪層等工序后模壓而成。在材料和模壓成型工藝不變的情況下，GE公司又對GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片進(jìn)行優(yōu)化，葉片數(shù)量由 GE90-115B的22片減為18片，進(jìn)一步降低了發(fā)動(dòng)機(jī)重量。

進(jìn)入21世紀(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對高損傷容限復(fù)合材料的強(qiáng)烈需求牽引著復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，而通過不斷提高碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料韌性的方法已經(jīng)很難滿足高損傷容限的要求。在此背景下，3D編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片應(yīng)運(yùn)而生。Snecma公司采用3D編織/RTM技術(shù)來制造LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片，即首先用碳纖維編織成具有葉片形狀的預(yù)制體，然后放入模具中采用RTM成型工藝灌注樹脂，相比采用預(yù)浸料/模壓工藝的鋪層復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，采用這種工藝成型的復(fù)合材料葉片具有非常優(yōu)異的層間性能，其損傷容限與抗外物損傷性能大大提升。

值得注意的是，這兩種結(jié)構(gòu)的樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片均采用鈦合金加強(qiáng)邊對葉片前緣、葉尖、葉根等關(guān)鍵部位進(jìn)行增強(qiáng)。

風(fēng)扇機(jī)匣

風(fēng)扇機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最大的靜止部件，它的減重將會直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比與效率。因此，國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)OEM也一直致力于風(fēng)扇機(jī)匣的減重與結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。圖2為所示為國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣發(fā)展趨勢。

風(fēng)扇機(jī)匣的主要功能是在葉片由于疲勞破壞或鳥撞造成脫落時(shí)，能起到防止高能碎片造成災(zāi)難性后果的作用。最初的風(fēng)扇機(jī)匣多采用不銹鋼或鋁合金，這就導(dǎo)致風(fēng)扇機(jī)匣的重量較大。隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，國外OEM率先將芳綸干纖維織物應(yīng)用于風(fēng)扇機(jī)匣，這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇機(jī)匣的內(nèi)壁為鋁制的環(huán)形殼體，環(huán)形殼體外纏繞多層用Kevlar材料織成的條帶，最外層用環(huán)氧樹脂包覆，這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇機(jī)匣又稱為風(fēng)扇包容環(huán)。對于這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇機(jī)匣，當(dāng)風(fēng)扇葉片碎片撞擊到風(fēng)扇機(jī)匣后，會穿透薄壁金屬機(jī)匣卻被芳綸織物層捕獲，而且整體結(jié)構(gòu)不被破壞。但由于采用了多層芳綸纖維織物，導(dǎo)致這種風(fēng)扇機(jī)匣非常厚，盡管重量比金屬機(jī)匣有所降低，但對整體設(shè)計(jì)和裝配有較大影響。

相對于金屬葉片，復(fù)合材料葉片在脫落沖擊風(fēng)扇機(jī)匣時(shí)會分裂成更小的碎片，有利于機(jī)匣的包容。伴隨著樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，全樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣開始在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上推廣應(yīng)用。GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)即同時(shí)采用了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和全復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣，使樹脂基復(fù)合材料的減重優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。這種風(fēng)扇包容機(jī)匣首先采用二維三軸編織技術(shù)制造編織預(yù)成型體，當(dāng)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片碎片撞擊到包容機(jī)匣后，可以被有效包容，包容效率提高大約30%。

圖2風(fēng)扇機(jī)匣發(fā)展趨勢

風(fēng)扇帽罩

因?yàn)槭欠侵鞒辛?gòu)件，風(fēng)扇帽罩是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上最先使用的復(fù)合材料制造的部件之一，使用復(fù)合材料制造的風(fēng)扇帽罩可以提供更輕的重量、簡化的防冰結(jié)構(gòu)、更好的耐蝕性以及更優(yōu)異的抗疲勞性能。目前，復(fù)合材料替代合金作為風(fēng)扇進(jìn)氣帽罩的材料已經(jīng)成為了一種趨勢。

目前，在R.R公司RB211發(fā)動(dòng)機(jī)、PW公司PW1000G、PW4000已經(jīng)采用樹脂基復(fù)合材料制備風(fēng)扇帽罩。

出口導(dǎo)流葉片作為靜止部件，出口導(dǎo)流葉片(OGV)已經(jīng)在國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件上得到廣泛應(yīng)用，PW4084、PW4168發(fā)動(dòng)機(jī)采用PR500環(huán)氧樹脂制造風(fēng)扇OGV。 PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)采用AS7纖維/VRM37環(huán)氧樹脂RTM成型工藝制備風(fēng)扇OGV，并已形成成熟的復(fù)合材料靜子葉片工藝和技術(shù)體系。短艙

相比航空發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)，樹脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙具有更廣闊的應(yīng)用空間，如圖3所示。根據(jù)資料，國外廠商已經(jīng)在短艙進(jìn)氣道、整流罩、反推裝置、降噪聲襯部位大規(guī)模使用樹脂基復(fù)合材料。

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圖3樹脂基復(fù)合材料在短艙的主要應(yīng)用部位

其他部位根據(jù)資料，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇流道板、軸承封嚴(yán)蓋、蓋板等部位也在不同程度的應(yīng)用樹脂基復(fù)合材料。