复合材料在航空发动机中的应用

来源:荣格国际复材技术商情

发布时间:2019年3月24日下午 07:03:39

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械,为航空器提供飞行所需动力。复合材料在航空涡轮发动机上应用的范围越来越广且比例越来越大,使航空涡轮发动机向“非金属发动机”或“全复合材料发动机”方向发展。复合化是新材料的重要发展方向,也是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一。航空发动机使用最广泛的先进复合材料有:树脂基复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料,它们替代了传统材料,拥有显著的减重效果。
 
碳 / 碳复合材料
 
碳 / 碳复合材料(c-c composite or carbon-carbon composite material)是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。具有低密度(<2.0g/cm3)、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好,以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点,到目前为止,只有 C/C 复合材料是被认为唯一可作为推重比 20 以上,发动机进口温度可达 1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料,最高理论温度更高达 2600℃,因此被认为是最有发展前途的高温材料之一。
 
作为碳纤维增强碳基本复合材料,它把碳的难熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体,使其呈现出非脆性破坏。具有重量轻、高强度,优越的热稳定性和极好的热传导性。特别是在 1000-1300℃的高温环境下,它的强度不仅没有下降,反而有所提高。1650℃以下时依然还保持着室温环境下的强度和风度。因此 C/C 基复合材料在宇航制造业中具有很大的发展前途。
 
例如美国的 F119 发动机上的加力燃烧室的尾喷管,F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管,F120 验证机燃烧室的部分零件已采用 C/C 基复合材料制造。法国的 M88-2 发动机,幻影2000 型发动机的加力燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采用了 C/C 基复合材料。
 
幻影 2000 战斗机
 
树脂基复合材料
 
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。树脂复合材料具有轻质,比强度、比刚度大等特征,可设计性强、便于大面积整体成型以及具复合材料在航空发动机中的应用有特殊电磁性能等特点。树脂基复合材料采用耐高温树脂(聚
酰亚胺)制造,工作温度可达 250~350℃,可用作发动机冷端部件。
 
国外的树脂基复合材料减重效率在 25% 以上。树脂基复合材料主要应用在航空发动机的外涵机匣、进气机匣、风扇静子叶片、压气机静子叶片、风扇转子叶片、压气机叶片、包容机匣以及发动机短舱、反推力装置等部件上。
 
如在美国 F404 、F101 、RB211 等发动机的复合材料外涵道整流罩或外涵道机匣及我国某发动机的复合材料外涵机匣等上都已应用。其中,轻质碳纤维增强树脂基复合材料被应用的最为广泛。
 
F119 发动机的碳纤维增强的聚酰亚胺基复合材料外涵机匣采用 Dow-UT 公司研发的先进树脂传递模塑(RTM)成型法制造,外环、内毂、叶型支板模塑成一整体,通道表面光滑且满足尺寸要求,工作温度为 316℃,质量减轻 15% ~20%,成本降低 30%~35%。该技术可以制造形状复杂的进气机匣,其所有外部气流通道的表面粗糙度、最终尺寸精度可与经机械加工的钛合金进气机匣相媲美,并可使进气机匣减少零件总数和取消许多劳动密集的装配工序,因而可以大幅度减轻结构质量和降低成本。
 
F119 发送机结构图
 
相对于金属叶片,复合材料叶片在脱落冲击风扇机匣时会分裂成更小的碎片,有利于机匣的包容。伴随着树脂基复合材料风扇叶片在航空发动机上的应用,全树脂基复合材料风扇机匣开始在航空发动机上推广应用。GEnx 发动机即同时采用了复合材料风扇叶片和全复合材料风扇机匣,使树脂基复合材料的减重优势得以充分发挥。这种风扇包容机匣首先采用二维三轴编织技术制造编织预成型体,当复合材料风扇叶片碎片撞击到包容机匣后,可以被有效包容,包容效率提高大约 30%。
 
普·惠公司在经济可承受的树脂基复合材料研究计划(后转至 JSF 研究计划)下的推进系统可承受的复合材料研究项目(ACP),与 Dow-UT 公司合作采用先进 RTM 工艺制造风扇进口结构和风扇出口机匣。经验证,与钛合金的机匣相比较,费用降低了 32% ,质量减轻了 44% 。
 
通用电气公司吸取了 GE36UDF 发动机风扇叶片的研制经验,采用树脂基复合材料制造的单级大直径(3 .43m)宽弦实心复合材料风扇叶片。GE90 发动机风扇叶片的叶身和叶根均采用赫克塞尔(Hexcel)公司的 8551-7 高强度抗损伤结构用增韧改性环氧树脂作为基体材料,用 IM7 高强度、大伸长、中模量碳纤维作为增强体,制造成被称为“大力神”的IM7/8551-7 碳纤维增强环氧树脂复合材料预浸料。再由 400 层预浸料带从叶根到叶尖采用铺层逐渐减薄的铺层方式制成风扇叶片。为了提高叶片抗大鸟撞击的能力,将钛合金薄片用 3MRAF191 胶黏在叶片前缘上,在叶尖与后缘处用凯芙拉细线进行缝合,这种结构不仅可以分散外物撞击能量,还可以防止复合材料在叶片转动时发生脱层。
 
航空发动机叶片
 
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。
 
2018 年 6 月,法国赛峰集团签署协议,决定将在 LEAP航空发动机等设备上采用先进的树脂复合材料。根据协议,复合材料技术将用于制造发动机的关键结构部件,包括风扇叶片、风扇外壳、声学面板和填料沟槽,复合材料由索尔维公司开发生产。索尔维公司 2016 年在德国奥斯特林根开设了一家最先进的树脂工厂,主要服务于 LEAP 航空发动机计划。部分材料将由索尔维从德国的奥斯特林公司生产,索尔维也投资和支持 LEAP 计划。
 
为波音 737MAX、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。
 
罗罗公司的超扇(UltraFan)发动机的 CTi 风扇系统,采用碳纤维 / 钛合金风扇叶片和复合材料机罩,每架飞机可减重 1500 磅(680kg), 相当于多载七名乘客而不增加成
 
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%。
 
陶瓷基复合材料
 
陶瓷基复合材料具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、没有灾难性损毁,是军用和民用发动机不可或缺的高温材料。其中应用最广泛的是氮化硅基复合材料。发动机热端部件的工作条件极其严苛,传统上使用高温合金。但现代发动机的工作温度越来越高,早已超过现有高温合金的熔点,靠冷却技术也难以进一步提高发动机的工作温度。陶瓷的耐高温能力超过高温合金,但陶瓷的脆性和容易在剧烈温度变化条件下碎裂的问题长期成为陶瓷的工程应用的拦路虎。陶瓷基复合材料把陶瓷纤维(也可以用碳纤维)和陶瓷基体整合成一体,保留了陶瓷耐高温的特性,同时具有很高的机械强度和抗热裂性,在尖端应用中逐渐崭露头角。
 
与高温合金和单相陶瓷相比,陶瓷基复合材料的优势有:密度低,仅为高温合金的 1/4 ~ 1/3;具有很好的耐高温能力,只需较少气体冷却或根本不需要冷却;具有较高的氧化稳定性,使用该材料的高温部件可以不使用昂贵且沉重的隔热涂层或氧化保护涂层。陶瓷基复合材料主要应用于发动机的燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和喷管等部件上。
 
ADVENT 采用陶瓷基复合材料低压涡轮和高压涡轮前缘,AETD 上陶瓷基复合材料的应用进一步扩大。据通用电气声称,陶瓷基复合材料涡轮叶片甚至可以不需要冷却,为大幅度提高发动机热工性能提供了空间。陶瓷基复合材料叶片也比镍基合金轻 2/3。在 ADVENT 上,陶瓷基复合材料的高压涡轮前缘达到 1648 摄氏度。
 
从 2015 年起,GE 公司开始在 GEnx 验证机上开展包含燃烧室火焰筒内外环、第一级高压涡轮罩环、第二级涡轮导向器、涡轮转子叶片的陶瓷基复合材料部件试验,来验证整套热端部件的功能性和耐久性。GE9X 发动机的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片能够实现叶片减重 2/3,耐温提高 20%,对耗油率改善的贡献率达 30%;而使用陶瓷基复材料的燃烧室火焰筒能以更少的冷却空气量应对更高的温度,改善发动机热效率。
 
金属基复合材料
 
金属基复合材料是唯一正在研制并具有固有延展率的强基体复合材料。在航空领域尤其是航空发动机上应用最多的主要是钛基复合材料(Ti-MMC)和铝基复合材料(Al-MMC)。钛基复合材料(Ti-MMC)主要应用于航空发动机的压气机整体叶环、空心风扇叶片、低压轴和作动杆等零部件上。铝基合金复合材料(Al-MMC)是工作温度不超过 150℃的航空发动机低压压气机和外涵等部件最具应用潜力的材料,可以替换铝合金,在质量没有改变的同时提高了性能。
 
普惠公司为 F119 发动机开发并验证了钛基复合材料扩散喷管作动筒活塞部件,这也是 F-22 战斗机上的第一个使用钛基复合材料的零件。PW4000 发动机中,使用铝基合金复合材料作为风扇出口导流叶片的制造材料。
 
作为风扇出口导流叶片或压气机静子叶片,铝基合金复合材料的耐冲击(冰雹、鸟撞等外物打伤)能力比树脂基复合材料(石墨纤维 / 环氧)好,且易于发现损伤。此外,铝基合金复合材料还具有七倍于树脂基复合材料的抗冲蚀(沙子、雨水等)能力,而使用成本只有树脂基复合材料的三分之二。
 
过去,航空发动机性能的提高有三分之一归功于新材料的采用,今后这个比例还将升高。如今,环境与能源问题逐渐成为人们关注的焦点,复合材料作为未来材料发展的主流,必将发挥更重要的作用。

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