復合材料在航空發動機風扇葉片上的應用綜述

摘 要 大涵道比渦扇發動機為不斷減重，大量使用復合材料風扇葉片。本文綜述了復合材料風扇葉片的發展與應用情況，總結了葉片各制造工藝的特點，包括預浸料手工鋪放/熱壓罐固化成型工藝、預浸料自動鋪絲/熱壓罐固化成型工藝、三維機織碳纖維增強樹脂傳遞模塑（RTM）成型工藝。復合材料風扇葉片的制造工藝正朝著自動化、高精度的方向發展。

關鍵詞 復合材料；風扇葉片；成型工藝

Application Progress of Composite Fan Blades for Aero－engine

ZHANG Junyou，BU Mingfan，ZHI Shaoqiang

（AECC Aircraft Engine Cooperation of Shenyang， Shenyang 110015）

ABSTRACT In order to reduce the weight， the composite fan blades have been widely used in large culmination ratio commercial turbofan engines. The development and application of composite fan blade are introduced， and the material application， mold design and main manufacturing process of blade are summarized， including prepreg hand lay-up/autoclave process， automatic fiber placement process/autoclave process， 3D-woven carbon fiber reinforced resin transfer molding （RTM）. The manufacturing process of composite fan blades are developing towards automation and high precision.

KEYWORDS composite materials; aero-engine fan blades; autoclave process

1 引言

大型噴氣飛機（如運輸機、商用客機）采用大涵道比渦扇發動機，提高涵道比可提升發動機推力、降低噪聲與耗油率，故近年來發動機的涵道比逐步增大。更大的涵道比，需要更大尺寸的風扇，這使風扇部件的重量更大。風扇葉片減重對于發動機減重具有重要意義，可提高發動機效率，已成為發展共識［1］。

出于減重考慮，大涵道高推重比渦扇發動機風扇葉片的發展經歷了從鈦合金葉片到鈦合金空心葉片再到復合材料葉片三個階段。與鈦合金葉片相比，復合材料葉片具有數量少、重量輕、耗油率低、低噪音、抗顫振性能好等優勢［1，3］，在各大航空飛機上應用越來越廣泛。

2 發展歷程

2.1 首次嘗試

20世紀60年代末，英國發動機制造商羅-羅公司的發動機動力設計人員首先認識到，隨著大涵道比渦扇發動機的不斷發展與進步，采用質量更輕的復合材料風扇葉片對于發動機減重以提升發動機效率具有巨大的潛在優勢。同時，復合材料風扇葉片也更耐用，尤其是與金屬鈦合金葉片相比，具有更強的抗疲勞能力與抗蠕變能力，并且可以模制成更接近理想的三維空氣動力學形狀。羅-羅公司決定為RB211發動機的研制啟動一項復合材料風扇葉片開發計劃，其中一個主要原因是先進碳纖維材料生產能力的不斷增強。早期在一個小尺寸玻璃纖維/環氧樹脂壓氣機葉片上形成的探索經驗，為碳纖維復合材料研制奠定了較好的技術基礎，碳纖維所具有的額外的比剛度增強能力同樣能夠滿足氣動力學環境要求。事實上，發展具有良好振動特性的大尺寸復合材料風扇葉片可以消除或取消葉片中部凸肩的設計，這種凸肩結構廣泛應用在鈦合金風扇葉片上。復合材料風扇葉片取得了顯著地進步，降低了噪音，提升了風扇部件的氣動效率，減少了發動機的燃油消耗。

1970年5月，羅-羅公司的復合材料風扇葉片在通過了所有其他測試后，未能通過發動機吞鳥試驗，不能滿足設計要求。經分析，吞鳥試驗失敗的主要原因有：（1）葉片缺乏延展性；（2）葉片層間剪切性能較差；（3）非常低的失效應變。吞鳥試驗的失敗，使設計人員認識到：在葉片前緣增加金屬包邊，對提升葉片抗沖蝕能力與抗外物（如冰等較硬的物質）打傷有效，但對提升葉片抗軟體沖擊（吞鳥）性能的效果不佳。

2.2 首次應用

雖然復合材料風扇葉片的首次研制未能取得成功，但這并未能阻止其技術的不斷發展。渦扇發動機的持續革新，使其涵道比顯著增加，未來可能出現更大涵道比的先進發動機。因此，應用大尺寸復合材料風扇葉片所帶來的潛在收益變得更加有吸引力。又經過20多年的發展，復合材料風扇葉片的制造技術更加成熟，制造成本進一步降低；加之超級計算機技術的突破，一系列復雜的設計、仿真、分析方法被應用于復合材料葉片的設計中，加速了其工程應用進程。美國發動機制造商GE是第一家成功推出具有這種復合材料風扇葉片的商用噴氣發動機的公司。其最初的GE90發動機于1995年首次在英國航空公司波音B777遠程寬體雙通道客機上投入使用［1］，這標志著復合材料風扇葉片技術的正式落地，為后續復合材料在發動機上的大量使用奠定了堅實基礎。

GE90發動機所采用的復合材料風扇葉片共有22片寬弦葉片（無凸肩），風扇直徑為3124 mm，采用預浸帶鋪層熱壓成型工藝。預浸帶由高強中模 T800級碳纖維與高溫固化增韌環氧樹脂制成，葉片根部由1000層預浸帶，從葉根到葉尖逐漸減薄。為提升葉片的抗鳥撞能力，在葉片前緣上設置有鈦合金包邊。GE90發動機復合材料風扇葉片減重效果顯著，風扇部件總重僅為349 kg。GE90發動機復合材料風扇葉片的設計、材料、制造在經過10余年的應用檢驗之后，證明是安全可靠的［1］。

在GE90基礎上，GE公司又進一步研制出了GEnx發動機。GEnx發動機所采用的復合材料風扇葉片共有18片，風扇直徑為2667 mm，是預浸料成型第三代掠形大流量寬弦復合材料風扇轉子葉片。由于GEnx發動機風扇葉片采用復合材料，可以減少帽罩的聯動裝置，提高吸入氣流的效率；葉根燕尾狀、可活動的連接處帶有Teflon耐磨層，其摩擦系數低，不需要潤滑劑，正常的維護僅需要目視檢查。

2.3 不斷發展

進入21世紀，法國Snecma公司成功推出了帶有復合材料風扇葉片的中小推力發動機Leap-X。Leap-X發動機所采用的復合材料風扇葉片共有18片，風扇直徑為1800 mm，其采用了與GE90風扇葉片不同的制造工藝：先應用三維機織技術編織出葉片框架，再經RTM成型技術制造而成。為提升葉片的強度與抗鳥撞能力，葉片邊緣采用鈦合金包邊的設計。Leap-X發動機復合材料風扇葉片總重76 kg，減重效果顯著，于2011年1季度成功通過了5000循環的耐久性試驗［1，4］。

英國羅-羅公司雖然是首次進行復合材料風扇葉片研制的公司，但由于其葉片未能通過發動機吞鳥試驗，而轉向鈦合金空心葉片的研制，導致其在復合材料風扇葉片研制上的領先優勢被后面的GE公司等超越。進入新世紀，羅-羅公司重新加大了對復合材料風扇葉片研制的投入，并于近幾年推出了全新研制的超大涵道比發動機UltraFan。UltraFan發動機所采用的復合材料風扇葉片共有18片，風扇直徑為3556 mm，是當今世界上最大的復合材料風扇葉片。其采用了成熟的成型工藝：首先，將500層碳纖維增強高韌環氧樹脂預浸料制成葉片預制體；其次，將預制體在熱壓罐中加溫加壓固化成型；最后，對葉片精密加工，并進行表面涂層處理 ［1］。為防止腐蝕、異物進入和鳥撞，葉片采用了前緣包覆鈦合金包邊的設計，該發動機將于2030年左右投入使用［5，6］。

3 成型工藝簡介

復合材料風扇葉片雖然具有比強度高、密度低、可有效降低噪音、減少油耗等諸多優點，在大涵道比渦扇發動機上大量應用已成為發展趨勢，但是仍受到制造工藝（尤其是預制體制備、復材成型技術等）的限制。預制體制備是復材葉片制造的難點之一，其制備方法主要有以下兩種：（1）采用手動鋪層或自動鋪絲，用于制造大尺寸風扇葉片；（2）采用三維機織，用于制造中小尺寸風扇葉片［2，7］。復合材料風扇葉片的成型工藝主要有熱壓罐成型與RTM成型。兩者均屬于閉模成型技術，成型精度高，可滿足結構形式相對復雜的雙曲面、大扭轉角的渦扇發動機風扇葉片對制造工藝的要求。近年來，為進一步提高復合材料葉片成型的尺寸精度，一些國外制造商開始將金屬模具替換為復合材料模具［7］。

3.1 熱壓罐成型

復合材料結構制造中較為常用的一種工藝是真空袋-熱壓罐成型工藝，使用預浸料手工鋪放/熱壓罐固化成型工藝制造復合材料葉片的工藝流程如下［2，8］：（1）準備材料，清理模具，準備工裝，下料；（2）手工鋪層；（3）抽真空；（4）檢測真空度，進罐加壓，升溫，保溫，降溫卸壓，開罐脫模；（5）數控加工，打磨修邊；（6）噴涂，金屬包邊等。

在預浸料手工鋪放/熱壓罐固化成型工藝的基礎上，又發展出預浸料自動鋪絲/熱壓罐固化成型工藝，兩者的區別在于：前者使用整塊的預浸料坯料，而后者則使用預浸絲束［9］。

3.2 RTM注射成型

三維機織是在一定空間內將長短纖維按一定規律排列，相互交織成三維無縫合的完整結構的預制體制備方法［10］，具有以下優點：（1）可機織出各種不同曲面葉形的葉片，成型精度高；（2）可使復合材料葉片不再存在層間問題，大幅提高抗損傷能力；（3）可使結構件具有多功能性。

三維機織/RTM成型工藝，是將液態樹脂注入閉合模具內固化成型的工藝方法［2］，可最大程度上接近葉片的最終形狀，基本無需后續加工，適宜多品種、中批量、高質量先進復合材料葉片生產，近年來發展十分迅速。與熱壓罐成型工藝相比，RTM成型工藝具有以下優點［11，12］：（1）將預制體制備與樹脂模塑分離，利于鋪層材料設計；（2）不易發生葉片熱變形，可提升葉型精度；（3）精確控制纖維體積分數，提高葉片表面質量［2］。

4 結論

通過對復合材料風扇葉片的發展歷程與成型工藝的研究，可以得出以下結論：

（1）復合材料風扇葉片密度低、比強度高，可有效降低發動機油耗與噪音，在大涵道比發動機上大量應用已成為共識。

（2）隨著近年來復合材料風扇葉片設計、仿真、制造工藝等的不斷進步，其成型工藝整體正朝著自動化、高精度、高效率、高可靠性的方向發展。

（3）未來復合材料構件的各項性能將進一步提升，制造成本也將進一步下降，在大型運輸機、商業客機上的應用將更加廣泛。

參 考 文 獻

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通訊作者：張俊有，男，碩士研究生，工程師。研究方向為航空發動機風扇及壓氣機結構設計，復合材料風扇葉片設計。E-mail：903884881@qq.com