【前沿动态】 碳纤维树脂基复合材料为航空发动机减重
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本文发表于《国际航空》（ID:interavi）2016年第5期
作者：航空工业发展研究中心青年学者 胡燕萍博士
碳纤维树脂基复合材料轻质、高强，可替代传统铝合金，应用在机翼、机身等部位。随着碳纤维复合材料强度、韧性的提升，在飞机发动机上的应用也得到越来越大的关注。在军用涡扇发动机领域，GE公司在六代机的AETD核心机的静子部件中通过采用树脂基复合材料，减轻发动机重量，进一步提高燃油效率和推重比。在商用发动机领域，借助于在机匣、风扇叶片、涵道管等部位引入轻质的碳纤维树脂基复合材料，LAEP发动机涵道比上升到10：1；宽体客机和窄体客机的平均燃油效率分别降低为1980年的27%和35%；在2050年，有望达到欧洲航空研究委员会的呼吁目标，与2000年相比，每乘客公里二氧化碳减少75%，氮氧化物(NOx)排放减少90%，噪音减少65%相比。
一、碳纤维复合材料在风扇上的应用已走上成熟
商用发动机提高涵道比的需求是复合材料应用到风扇上的主要动力。更高的涵道比意味着更好的燃油效率，但也需要增加了涡扇的大小和重量。因此，轻质碳纤维增强树脂基复合材料被应用到发动机的风扇叶片和机匣。罗罗公司是最早开始树脂基复合材料在发动机风扇上应用研究的公司。早在1950年代，罗罗公司设计的RB108发动机的压气机叶片和机匣中就开始应用玻璃纤维/环氧复合材料；在1970年代，RB211-22B发动机的风扇叶片中使用了名为“Hyfil”的碳纤维增强的环氧复合材料。不幸的是，Hyfil叶片缺乏足够的鸟击强度和制造可重复性，迫使该公司在发动机进入服役之前换回钛合金。
GE航空公司为波音777提供动力的GE90，是首个使用碳纤维增强复合材料风扇叶片并进入实际服役的涡扇发动机。叶片长1.2米，每个叶片使用超过1700个手工铺层的碳纤维预浸料制造，通过热压罐固化和精加工，每个叶片需要340个小时。GE90于1995年开始服役，也在风扇定子机匣、风扇平台、声学平台中应用复合材料，均由GE公司位于贝茨维尔的美国工厂生产。为波音787和747-8飞机提供动力的GEnx涡扇发动机也使用了碳纤维增强复合材料风扇叶片，由于复合材料性能的改进，叶片数量由GE90的22个，降为18个，并首次将碳纤维复合材料应用扩展到风扇前机匣。GEnx采用日本东丽公司的T700标准模量碳纤维，由A&P技术公司编织成双向和三向织物。相比GE90在2007年3000片/年的产量，GEnx在2009年的产量接近1800叶片/年。
为波音737 MAX、空客320neo和中国商飞C919提供动力的LEAP发动机的风扇叶片也是应用了碳纤维增强复合材料，产量达28000片/年。这么高的生产速率是由于两方面的技术突破：一是奥尔巴尼工程复合材料公司的3D编织预成型件；二是可以迅速注入环氧树脂的树脂传递模塑(RTM)工艺。复合材料的3D编制预成型件是通过机器编织，制造一个单独的、精密预成型的零件，实现强度和刚度的裁剪。LEAP发动机风扇机匣也应用了同样的技术，采用了30米长，净形3D编织预成型体，和铝相比减重30%，能够满足叶片飞出测试要求，不需要制造和组装单独的密封环。叶片和叶根间隔器之间的平台几何形状复杂，也使用了3D预成型件和RTM工艺。
图1 FACC将为罗罗Advance发动机制造碳纤维增强树脂基复合材料环填料
与LEAP发动机类似，罗罗公司下一代的遄达发动机，以及在2020年投入使用的Advance发动机将采用奥地利FACC开发的碳纤维增强复合材料环填料（图1）。这些部件与金属件相比，减重40%，每台发动机需18—22个填料，减少了金属风扇叶盘的负载，可以使用更轻的风扇叶盘。Advance发动机采用碳纤维增强复合材料叶片、机匣，与早期的湍达发动机相比，将节省高达680千克重量，改善20%的燃油效率，减少20%的碳排放。在2025年服役的后续UltraFan发动机，也将继续使用复合材料，预计燃油效率和减排效率比早期湍达发动机均提高25%，比遄达XWB分别提高6%和10%。遄达XWB是目前空客A350 XWB的选项之一，没有使用碳纤维增强复合材料的风扇叶片，但在风扇后机匣、风扇拨道杆，分岔衬，反流板等部件中采用了FACC制造的碳纤维增强复合材料。此外，FACC还为罗罗建造了轻量级、具备吸声能力的碳纤维增强复合材料外涵道管(见图2)。自2001年以来，FACC已经为罗罗的BR700系列区域喷气发动机生产了超过1000个零件。
图2 FACC已经为罗罗BR700系列发动机生产了超过1000个碳纤维增强复合材料的涵道管
二、碳纤维复合材料混杂叶片和高温BMI部件成为研究热点
为波音777 X提供动力的GE9X发动机，在2020年投入服务，其风扇叶片将首次在同一的树脂内加入碳和玻璃混合增强纤维，玻璃纤维含量为5%-10%。由于玻璃纤维的破坏应变高，在断裂前能够弯曲，提高叶片的抗撞击强度，已在GE公司最长最宽的弦叶片上通过了鸟击测试。GE9X采用新的三维气动设计，有更多的排风量，叶片可以做的更薄，数量还可以比GEnx和GE90-115B发动机分别少2和6片。更少的风扇叶片数和新刀片设计使风扇叶尖速度更快，提高了低压涡轮效率。GE9X的风扇前机匣和后风扇框架也将采用复合材料，由赛峰设计制造，使用已在LEAP上应用的3D编制预成型技术。GE9X是目前最大的风扇，直径有3.4米，机匣也采用碳纤维增强复合材料，减重近160千克。混杂叶片打开了通向其他组合形式的大门，包括将不同形式的碳纤维如条带，编条和织物组合进同一叶片的不同部位。混杂材料的应用不限于风扇部件，还可用于流迹表面荷载较小的部位，未来甚至在某些领域取代高温金属，如发动机压气机中200 ℃- 425℃的部件。
高温复合材料在风扇以外的高温部件中也开始应用，如GEnx的变量溢流阀(VBV)导管。这些结构位于风扇组件的出口位置，共有10个，由美国EDO纤维创新公司采用碳纤维增强双马来酰亚胺(BMI)制造，在高温下能够承受内部压力和抗氧化，但每套重量只有3.6千克。另一个碳纤维增强的BMI零件是SaM146发动机上的混流喷嘴(MFN)，由赛峰集团子公司赫拉克勒斯设计和生产，比金属轻30%(20千克)，其复合材料蜂窝结构内衬可以吸收将声波限制在16,0000个小孔内，起到吸声的作用。
三、复合材料集成推进系统彰显未来发展趋势
发动机设计师寻求每一个百分点燃油效率提高的可能，并把逐渐把关注点放在短舱优化上。为中国商飞C919提供动力的LEAP 1-C发动机，特征之一就是新一代的发动机短舱设计。该发动机短舱由奈克赛尔制造，被其总裁称为“第一款真正的集成推进系统（IPS）”。IPS的重量80%是复合材料，发动机短舱占70%。发动机结构设计时同时进行短舱结构与吊舱零件的设计，避免了发动机短舱和吊舱单独设计时的过度保守，再与轻质复合材料集成。IPS的创新将LAEP 1-C 的燃油效率降低了额外的2%。
IPS采用一片式复合材料O形管取代传统推力反向器的两件套“D”形门，使气流更平滑绕过，将燃油效率和推力反向器效率提高10%。IPS的一个关键特征是O形管的单片碳纤维增强复合材料内蒙皮（参见图3），由赛峰集团子公司Aircelle公司法国勒阿弗尔设施采用一种创新的成型工艺制造。虽然没有公布更多细节，Aircelle声称它已经掌握了RTM和采用3D编制预成型件的3D RTM工艺。IPS的另一个关键特征是低阻力前缘，取代了传统多片铝合金前缘，舱壁、外桶与单一、无缝的复合结构组装，消除结构不连续，使层流延伸到复合材料尾舱，改善空气动力学。内桶也是一个整体复合材料，可帮助实现降噪目标。这种新型的简化结构增加了10%—20%表面积的气流路径，从而提升了气动效率。IPS是未来研发的重要目标，将要求超薄的线性/层流机舱，适应风扇叶片，扭曲容限风扇和多自由度声学衬垫。复合材料可以帮助这些所有这些技术的实现。
图3 Nexcelle公司集成推系统的复合材料O形管（左）和330°整体成形碳复合材料内蒙皮（右）
四、未来发展趋势
以GE公司代表的先进航空发动机制造商不断追求气动效率和燃油效率的提升，树脂基材料技术的创新将为更轻、更安静、更高效的发动机提供物质基础，帮助自适应风扇、开放转子等新设计概念的实现。随着碳纤维技术向高强度、高模量发展，树脂材料的可加工成形性更加优异，树脂基复合材料在发动机上的应用会呈现出两个方面的发展趋势：一方面，碳纤维环氧树脂基复合材料在风扇叶片和机匣等冷端部件上应用会不断成熟，继续为发动机减轻重量；另一方面，碳纤维双马酰亚胺基等高温树脂复合材料在混流喷嘴等较高温部件上的应用研究也得到重点关注。然而，正如陶瓷基复合材料用了25年才开始在高温涡轮环和燃烧室内衬中取代金属，对于高温树脂基复合材料，漫长的应用研发周期也是一个必经过程。
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