復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的發(fā)展與思考

馬子于，蘇震宇，魏然

復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的發(fā)展與思考

馬子于，蘇震宇，魏然

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 100013）

目前復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的使用已成為大涵道比商用發(fā)動機的趨勢，各大國外發(fā)動機制造商制造的各代風(fēng)扇葉片已應(yīng)用于B777、B787、A320、A350、C919等熱門機型。國內(nèi)的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片研制工作已計劃展開，對葉片的仿真模擬技術(shù)、國產(chǎn)材料的研發(fā)技術(shù)、葉片制造的關(guān)鍵技術(shù)、自動化成型技術(shù)以及滿足適航要求等方面需要開展進一步研究。

復(fù)合材料；風(fēng)扇葉片；成型工藝；自動化

1 風(fēng)扇葉片的發(fā)展背景

現(xiàn)代商用噴氣飛機更高、更快、更安靜的發(fā)展趨勢對發(fā)動機的動力和效率提出了更高的要求，因此大涵道高推重比的渦扇發(fā)動機應(yīng)運而生。發(fā)動機不斷增大的涵道比和效率使得人們必須采用更大尺寸的風(fēng)扇，導(dǎo)致風(fēng)扇段的質(zhì)量占發(fā)動機總質(zhì)量的比例不斷增加。據(jù)測算，現(xiàn)代商用噴氣飛機發(fā)動機風(fēng)扇段的質(zhì)量占發(fā)動機總質(zhì)量的20%以上，因此風(fēng)扇段的研究備受關(guān)注。

作為風(fēng)扇段的核心部件，風(fēng)扇葉片被視為重中之重。隨著高推重比發(fā)動機的不斷發(fā)展，風(fēng)扇葉片的研制工作也在不斷深入。由于金屬行業(yè)比復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展更早、更成熟，早期應(yīng)用在大涵道高推重比渦扇發(fā)動機風(fēng)扇葉片的材料為合金材料。由于鈦合金具有比強度高的特性，鈦合金葉片成為了首選。后因減重需求的不斷提高，鈦合金葉片逐步發(fā)展為了鈦合金空心葉片。近年來，為滿足新一代渦扇發(fā)動機“低噪聲、低污染、低成本”的要求，發(fā)動機的涵道比和效率需要進一步增大。隨著近幾十年來復(fù)合材料行業(yè)的蓬勃發(fā)展，采用復(fù)合材料所制備的風(fēng)扇葉片已經(jīng)能夠滿足使用要求。采用復(fù)合材料制作風(fēng)扇葉片可以減輕發(fā)動機質(zhì)量，提高比剛度、疲勞性能、損傷容限等。與鈦合金葉片相比較，復(fù)合材料葉片具有以下優(yōu)勢：①復(fù)合材料風(fēng)扇葉片在數(shù)量上比鈦合金葉片減少50%，可減輕質(zhì)量66%；②可以實現(xiàn)高效率、低噪聲的性能；③燃油消耗率較低；④抗顫振方面優(yōu)于鈦合金葉片。因此，隨著發(fā)動機涵道比的進一步提高，國際上各大航空發(fā)動機制造商不斷推進對各種新型發(fā)動機和復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的研究。

2 國外發(fā)展狀況

早在19世紀60年代，英國羅-羅公司就開始了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的研發(fā)工作，并準備應(yīng)用于RB211發(fā)動機上。由于當時所采用的復(fù)合材料的性能不能夠滿足葉片剛度及韌性的要求，使得羅-羅公司開發(fā)的該型復(fù)合材料葉片沒能夠通過鳥撞試驗。美國GE公司的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的起源可追溯到1971年的TF39發(fā)動機，由于當時的制造技術(shù)不夠成熟，設(shè)計用的計算能力也不夠強大，因此也導(dǎo)致了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片未能夠在TF39發(fā)動機上得到應(yīng)用。1985年，一種改性的環(huán)氧樹脂在市面供應(yīng)，GE公司在其GE36風(fēng)扇葉片上使用了該種材料，但最終由于航空公司對其不感興趣而被取消。GE公司早期研制的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片如圖1所示。

圖1 GE公司早期研制的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

隨著復(fù)合材料行業(yè)的蓬勃發(fā)展，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的研制條件在20世紀90年代趨于成熟。自1995年來，國外航空發(fā)動機巨頭美國GE公司、英國羅-羅公司與法國SNECMA公司的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片相繼問世，幾種復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的概況如表1所示。

對于成熟度較高的機身零件，通常為保證鋪疊精度和穩(wěn)定性，一般都采用自動鋪絲、自動鋪帶、疊層滑移等自動化工藝。而對于曲率較大、鋪層較為復(fù)雜的風(fēng)扇葉片，一般只能靠手工鋪疊來實現(xiàn)。

據(jù)悉，GE90發(fā)動機的風(fēng)扇葉片采用了預(yù)浸料手工鋪疊的方式，選取IM7/8551-7的材料體系。樹脂選用了成熟度較高的高溫固化環(huán)氧樹脂，纖維選取了中模高強的碳纖維，其中加入了增韌材料。鋪疊完成后采用熱壓罐成型的方式進行固化。該葉片約由400層預(yù)浸料鋪疊而成，從葉根到葉尖逐漸減薄，壓力面涂有聚氨酯防腐涂層，吸氣面涂有聚氨酯防護涂層。前緣采用鈦合金包邊，使用AF191膠膜進行粘接，以增加前緣的強度。葉尖和后緣用芳綸細線縫合，葉片榫頭處粘有低摩擦系數(shù)的耐磨材料。

表1 國外復(fù)合材料風(fēng)扇葉片概況

發(fā)動機型號GE90GEnxTRENT 1000LEAP-X 制造廠商GEGE羅-羅及GKNSNECMA 對應(yīng)機型B777系列B787系列B787、A350B737MAX、C919、A320NEO 材料體系IM7/8551-7IM7/8551-7IM7/M91IM7絲束/PR520 樹脂體系環(huán)氧環(huán)氧環(huán)氧環(huán)氧 材料類型預(yù)浸料預(yù)浸料預(yù)浸料預(yù)浸料絲束 材料廠商赫氏赫氏赫氏索爾維 增韌形式材料增韌材料增韌材料增韌材料增韌+三維增強 成型方法熱壓罐成型熱壓罐成型熱壓罐成型液體成型 模具材料金屬/復(fù)材金屬/復(fù)材金屬金屬

整臺GE90發(fā)動機共有22片復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，可比前期鈦合金空心風(fēng)扇葉片輕66%，然而強度卻可以提高100%。在GE90發(fā)動機中，首先面世的是GE90-94B型號的風(fēng)扇葉片。后期經(jīng)過改進，發(fā)展出GE90-115B型號的風(fēng)扇葉片，燃油效率提升20%，推力增加22%，載重增加6%，而維護成本基本不變。經(jīng)過11年的運行，累計890萬小時的飛行，GE90-115B發(fā)動機僅有3片復(fù)合材料風(fēng)扇葉片被換下，足以見得復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的優(yōu)勢和穩(wěn)定性所在。GE90-94B發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片如圖2所示。

圖2 GE90-94B發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

隨著技術(shù)的提高，GE公司基于GE90發(fā)動機研發(fā)的基礎(chǔ)又開發(fā)了新一代低噪聲、低污染、低成本的大涵道比渦扇發(fā)動機GEnx。其中GEnx有兩種型號GEnx-1B70和GEnx-2B67，其中GEnx-1B70被波音787選做候選發(fā)動機之一，而GEnx-2B67被波音747選為唯一動力裝置。GEnx發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片在保證選材和成型工藝不變的基礎(chǔ)上，改進了葉片的設(shè)計和制造技術(shù)，使其發(fā)動機可以僅包含18片復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，燃油效率進一步提升。GE90-115B與GEnx發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片如圖3所示。

GE公司在發(fā)展復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的同時，將葉片的曲率越做越大，因此，單臺發(fā)動機的葉片數(shù)量也在逐漸降低，如圖4所示。對于GE公司新一代發(fā)動機產(chǎn)品GE9X，采用了先進的三維掠形設(shè)計，使風(fēng)扇葉片后掠更大、葉弦更寬、葉片更薄，數(shù)量更是降低到16片，成為風(fēng)扇葉片數(shù)量最少的渦扇發(fā)動機。

圖3 GE90-115B與GEnx發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

圖4 GE發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片數(shù)量減少

對于常規(guī)的復(fù)合材料零件，通常都采用成本較低的普通鋼材質(zhì)的模具。但由于風(fēng)扇葉片雙曲率、大扭轉(zhuǎn)、變截面的特點，極易產(chǎn)生固化變形。為了保證成型精度，GE公司采用INVAR鋼材質(zhì)的模具或復(fù)合材料材質(zhì)加工的模具，其熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的熱膨脹系數(shù)更為接近，熱壓罐固化成型后的風(fēng)扇葉片具有更高的精度。

經(jīng)歷了RB211復(fù)合材料風(fēng)扇葉片失敗的經(jīng)歷以及近40年技術(shù)的儲備，羅-羅公司聯(lián)合GKN公司又重新開始研制復(fù)合材料風(fēng)扇葉片Trent1000。借助計算機輔助，兩公司采用模擬仿真的方法，對復(fù)雜葉面結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)型、三維展開、強度校核等方面進行研究，最終同樣采取預(yù)浸料鋪疊-熱壓罐成型的方式進行制造。

在選材方面，他們選擇了與IM7/8551-7的材料體系相近的IM7/M91體系。作為大的提升方面，也是重大技術(shù)突破方面，Trent1000型復(fù)合材料風(fēng)扇葉片采用自動鋪疊代替人工鋪疊的方式，大大減少了由于人工差異帶來的性能波動，極大地提升了制造過程的穩(wěn)定性，提高了制造的成功率。Trent1000型復(fù)合材料風(fēng)扇葉片如圖5所示。

圖5 Trent1000型復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

對于上述3種風(fēng)扇葉片，三家公司均采用了預(yù)浸料鋪疊的方式。其優(yōu)勢在于鋪層的可設(shè)計性。對于確定外形的風(fēng)扇葉片，就鋪層復(fù)合材料葉片而言，設(shè)計人員可通過設(shè)計內(nèi)部每一層的鋪疊角度和預(yù)浸料料塊的尺寸來調(diào)整葉片的強度，以得到可以滿足使用需求的葉片。如果出現(xiàn)強度問題，較易通過反查的方式找到問題點。但由于葉片外形的不對稱性，導(dǎo)致其在熱壓罐固化過程中會出現(xiàn)一定的熱變形，葉片的外形精度不易保證。

為此，SNECMA公司的LEAP-X1C葉片為保證外形精度能夠滿足要求，摒棄了傳統(tǒng)的預(yù)浸料鋪層-熱壓罐固化的方式，而選用了RTM的成型方式。采用IM7絲束，預(yù)先編織出3-D的碳纖維預(yù)制體，進而在封閉的型腔中注入PR520樹脂。這種做法可以實現(xiàn)葉片外形的高精度。但同時也會帶來纖維預(yù)制體變形或表面孔隙等問題，需要進一步研究。此外，由于3-D編制的復(fù)雜性，對設(shè)計、強度計算校核以及出現(xiàn)問題的分析帶來一定的困難。LEAP-X1C型復(fù)合材料風(fēng)扇葉片如圖6所示。

圖6 LEAP-X1C型復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

圖7 UltraFan發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

據(jù)悉，羅-羅公司正在研制的下一代UltraFan民用航空發(fā)動機也采用了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，并且采用了最先進的材料體系、最先進的設(shè)計理念、最先進的自動化制造技術(shù)，最大程度地提高了原材料的利用率。該款材料將有助于發(fā)動機減少排放物、減輕質(zhì)量、提升功率、減小噪聲。UltraFan發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片如圖7所示。

3 國內(nèi)發(fā)展狀況與思考

中國在大涵道比渦扇發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片上的研制工作開展較晚，特別是在葉片設(shè)計、葉片強度、剛度校核和模擬仿真、葉片成型工藝等關(guān)鍵技術(shù)上才剛剛起步，要實現(xiàn)復(fù)合材料葉片在商用發(fā)動機上的應(yīng)用，還需要大量的工作。筆者認為，國內(nèi)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的研究工作要注重以下幾方面。

3.1 發(fā)展計算機模擬技術(shù)

基于現(xiàn)在計算機技術(shù)的發(fā)展，葉片的設(shè)計和強度校核工作可以通過計算機進行模擬。計算機模擬的準確性高、計算速度快，可以避免傳統(tǒng)設(shè)計中的許多缺點和遺漏。從材料選材到鋪層角度或3-D預(yù)制體編織設(shè)計，再到葉片強度分析、校核，以及制造過程中鋪疊參數(shù)、角度偏差、固化參數(shù)、樹脂流動性等的計算，都可以通過仿真來實現(xiàn)。由于鋪層葉片的不對稱性所造成的固化變形以及RTM葉片預(yù)制體的變形，可以借助計算機模擬仿真技術(shù)，計算變形量，再通過變形迭代的方式，得到補償后的固化模具型面以及預(yù)制體的形狀，為實際復(fù)合材料達到所需的外形提供指導(dǎo)。在后期試驗過程中，可以預(yù)先進行鳥撞仿真，計算鳥撞后葉片的變化等。通過這些設(shè)計過程、制造過程以及試驗過程的計算機仿真模擬，可以大大縮短整個葉片的設(shè)計、試驗周期，避免很多實際中的試驗浪費，從而節(jié)省人力、物力，做到更高效、更準確。葉片的設(shè)計仿真如圖8所示。葉片的鳥撞仿真如圖9 所示。

圖8 葉片的設(shè)計仿真

圖9 葉片的鳥撞仿真

3.2 加快國產(chǎn)材料的研發(fā)進程

目前國產(chǎn)材料想使用在民用發(fā)動機葉片上，仍有很遠的路要走，主要問題在于：①國產(chǎn)材料只針對于普通的復(fù)合材料零部件所設(shè)計，而葉片受力復(fù)雜，且為轉(zhuǎn)動部件，需要經(jīng)受鳥撞考核，因此適合用于風(fēng)扇葉片的材料尚待開發(fā)；②國產(chǎn)材料在適航方面的工作還有待進一步推進，因此國產(chǎn)材料的研發(fā)進程應(yīng)該更加受到關(guān)注，爭取早日用于復(fù)合材料風(fēng)扇葉片中。

3.3 開展葉片成型關(guān)鍵技術(shù)的研究

目前國內(nèi)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的制造工作才剛剛起步，對于制造過程中的鋪疊參數(shù)或是纖維預(yù)制體的參數(shù)、固化參數(shù)等的各項參數(shù)邊界控制的認知仍有待進一步豐富。只有掌握了成型過程的關(guān)鍵參數(shù)，并且在生產(chǎn)過程中保證每一步每一個參數(shù)都在邊界控制內(nèi)，做到生產(chǎn)過程的可控，才能夠保證復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的質(zhì)量均一性。手工鋪疊的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片如圖10所示。待熱壓罐固化的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片如圖11所示。

圖10 手工鋪疊的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

圖11 待熱壓罐固化的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片

3.4 著重適航理念

由于適航在民用航空中的不可或缺性，應(yīng)盡早在復(fù)合材料風(fēng)扇葉片研制過程中灌輸適航理念。針對復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，適航要求主要為以下3點：①需要證明在整個發(fā)動機服役期內(nèi)，單個復(fù)合材料風(fēng)扇葉片保持系統(tǒng)失效導(dǎo)致的危害性發(fā)動機后果的總概率小于1×10-9除以發(fā)動機飛行小時；②通過試驗或分析表明，遭受雷擊后，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)依然能持續(xù)安全地飛行；③需要滿足包容性試驗相關(guān)要求。以上三點復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的適航性要求，可以指導(dǎo)相關(guān)設(shè)計、制造、試驗工作。早期介入適航理念，可以為后期適航認證節(jié)省時間，避免走不必要的彎路。

3.5 開發(fā)自動化成型設(shè)備和技術(shù)

由于復(fù)合材料風(fēng)扇葉片雙曲面、大扭轉(zhuǎn)、變截面的結(jié)構(gòu)形式極為復(fù)雜，目前國內(nèi)的制造工序大部分只能靠手工完成。由于個人的鋪疊差異，使得葉片的性能很難達到均一穩(wěn)定。并且由于手工操作，難免會出現(xiàn)零件的夾雜或料片的變形。采用類似羅-羅與GKN公司或GE公司的鋪絲技術(shù)或其他的自動化成型技術(shù)可以解決制造參數(shù)穩(wěn)定性差、夾雜或變形的問題，減少報廢數(shù)量，降低制造成本。國內(nèi)商用發(fā)動機內(nèi)復(fù)合材料的需求量會隨著國產(chǎn)大飛機發(fā)展而大幅度提升。因此，為保證制造工藝的穩(wěn)定性，減少由于人工原因帶來的質(zhì)量問題，開發(fā)鋪絲或相應(yīng)的自動化成型設(shè)備與技術(shù)很有必要。UltraFan復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的自動化鋪疊如圖12所示。

4 結(jié)語

相信隨著中國自主設(shè)計的國產(chǎn)大飛機C919以及CR929的研發(fā)以及國內(nèi)民機產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)商用發(fā)動機的需求會更加迫切，要求也更加苛刻。借助這一平臺和機遇，中國的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片也能夠迅速發(fā)展。雖然中國的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片才起步，技術(shù)也尚不成熟，但終有一天，國產(chǎn)大飛機也能搭載自己的中國“芯”飛上藍天。

圖12 UltraFan復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的自動化鋪疊

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〔編輯：王霞〕