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美國(guó)惠普公司研制的F119發(fā)動(dòng)機(jī)，通用電氣公司的F120發(fā)動(dòng)機(jī)，法國(guó)的SNECMA公司的M88-2發(fā)動(dòng)機(jī)，英國(guó)、德國(guó)、意大利和西班牙四國(guó)聯(lián)合研制的EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)。這些代表世界先進(jìn)水平的高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)，它們的共同特點(diǎn)是普遍采用了新材料、新工藝和新技術(shù)。下面我們來看看那些高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)上用了樹脂基復(fù)合材料。
先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是以高性能纖維為增強(qiáng)體、高性能樹脂為基體的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的鋼、鋁合金結(jié)構(gòu)材料相比，它的密度約為鋼的1/5,鋁合金的1/2,且比強(qiáng)度與比模量遠(yuǎn)高于后二者。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?！ ?/span>
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)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)。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(duì)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(shì)。除具有明顯的減重優(yōu)勢(shì)之外，樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片受撞擊后對(duì)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(guó)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(guó)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(yíng)，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(duì)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(duì)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(duì)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)的靜止部件，它的減重將會(huì)直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比與效率。因此，國(guó)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。
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。風(fēng)扇機(jī)匣多采用不銹鋼或鋁合金，這導(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(guó)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，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(duì)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(huì)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(duì)整體設(shè)計(jì)和裝配有較大影響。
相對(duì)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(huì)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(shì)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%。
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(jiǎn)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(shì)。
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(guó)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，根據(jù)資料，國(guó)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。
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。
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