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易倍体育emc【复材资讯】树脂基复合材料在民用航空发动机中的应用
发布时间:2024-05-26 08:19:25 来源:emc全站官网 作者:emc全站网页版

  纤维增强树脂基复合材料对于改善航空发动机推重比、燃油经济性及节能环保具有重要意义。本文介绍了树脂基复合材料在民用航空发动机上的应用情况,总结了航空发动机复合材料风扇机匣和风扇叶片面临的挑战与关键技术问题,包括复杂曲面预制体设计技术、复合材料异形结构高精度制备技术、复合材料结构多尺度建模与精细化仿真以及复合材料机匣的包容性设计准则等。结合目前研究热点展望了可应用于航空发动机复合材料结构研制的新思路和新技术。

  为满足旅客机在推重比、经济性、长航程、巡航燃油效率和绿色环保(噪声、排污)方面的需求,民用航空发动机涵道比不断增大。通过增大风扇直径增加发动机进口的面积是增大涵道比的主要方式之一,如 GE90 发动机的风扇直径达3. 251 m,已 高 于 ARJ21-700 的 舱 内 宽 度( 约3. 143 m),接 近 一 些 中 型 客 机 的 机 身 直 径(约3. 76 m)。更大的风扇直径具有诸多优点,如提高了发动机的空气流量,有助于提升热效率和推力;在叶尖速度需求额定的情况下,风扇可采用更低的转速,进而降低噪声,以满足绿色环保和舒适性的要求。但发动机风扇尺寸的增加不仅增加了风扇叶片自身质量,同时也导致风扇轮盘、风扇机匣、安装结构、传力系统等结构质量增加,最终导致发动机质量大幅增加,因此对风扇减重提出了需求。

  新材料的使用可降低发动机重量,提高发动机耐久性、可靠性,改善发动机性能[1]。纤维增强树脂基复合材料(简称复合材料)具有高比强度、高比刚度、可整体成型和可设计等优点,是目前被广泛采用的轻量化材料之一。通过纤维材料组合实现轻量化结构设计,在结构减重的同时又可降低结构件的装配成本。航空发动机要求严格控制重量,复合材料的这些特点对于航空发动机的减重、提高推进效率、降低噪声和排放、降低成本等都具有重要意义[2]。与先进飞机结构发展现象类似,复合材料的使用比例和用量已成为航空发动机先进程度的重要标志。

  复合材料在航空发动机应用过程中同样需要解决多种关键技术问题:复合材料的性能设计、制造过程中缺陷的检测与影响评估、复合材料的冲击损伤分析、复合材料对环境和湿度敏感研究、复合材料连接问题以及分层问题等。新材料和新工艺的使用必然会给结构设计和生产带来挑战,在航空发动机应用的极端载荷下,这些复合材料的固有问题更值得注意。为此本文从复合材料应用发展和材料类型方面简述了复合材料在航空发动机中的应用现状,并重点对复合材料应用于航空发动机制造、设计、试验及适航取证中的关键技术问题研究现状进行总结,如图 1 所 示 ,以 支 持 复 合 材 料 在 航 空 发 动 机 中 的应用。

  此外,考虑到本文主要从复合材料应用于具体工程部件的角度进行阐述,在纤维增强体和树脂组分材料制备和力学性能方面的关键技术未进行介绍。

  树脂基复合材料在常温下具有稳定且优异的力学性能,可在发动机进气端的结构中使用,如压气机机匣、叶片、导向叶片、帽罩及框架组件等。目前美国通用电气航空集团(General Elec⁃tric Company,GE)、英国劳斯莱斯股份有限公司(Rolls-Royce PLC,罗罗)和美国普拉特惠特尼集团公司(Pratt & Whitney Group,普惠)等国外主要发动机厂商已在民用大涵道比发动机的风扇叶片和风扇机匣结构中大规模使用碳纤维树脂基复合材料,应用情况如图 2 所示。

  20 世纪 90 年代,通用公司的 GE90 发动机率先使用了铺层复合材料叶片;同期 GE90、罗罗公司的 Trent 系列和普惠公司的 PW4000 等发动机使用了金属复合材料叠层的复合型风扇机匣。此后随着复合材料设计和制备工艺的进一步发展,二维和三维编织复合材料也逐渐受到发动机厂商的青睐。通用公司的 GEnX 发动机在国际上首次使用了基于二维三轴编织复合材料的全复合材料风扇机匣,该风扇机匣采用自动化编织工艺,成型后的风扇机匣直径达 2. 82 m,相比同尺寸的金属材料机匣减重 160 kg,且具有更优异的抗外物冲击性能和抗腐蚀性能,显著提升了发动机的使用寿命。

  此外罗罗公司在 1995年投入使用的 Trent 700系列也选用了高强度纤维缠绕增强的软壁风扇机匣结构,并以此为基础发展出了 Trent发动机的家族序列。普惠公司的最新型号发动机 PW1000G的机匣和风扇叶片也大量使用了复合材料。

  航空发动机结构中常用的复合材料增强类织物可以分为平面型(2D)和立体型(2. 5D、3D),其中传统单向带类织物、自动铺丝织物属于平面型增强体,而机织物、针织物和编织物属于平面型或立体型增强体[3]。目前复合材料风扇机匣和叶片常用的增强体有单向带类织物、二维三轴编织物、三维机织物和三维编织物,其织物结构如图 3 所示。这些增强体在国外主要型号中都有应用,如采用预浸料铺层工艺的 GE90 风扇叶片[4];罗罗公司将自动铺丝工艺(AFP)结合激光定位技术用于其 Trent 1000 和 Trent XWB 复合材料风 扇 叶 片 的 研 制 之 中[5];CFM 公 司 的 LEAP-X发动机风扇叶片和风扇机匣均采用三维机织复合材料;通用公司的 GE9X 发动机的风扇机匣材料也采用了三维机织复合材料。

  航空发动机用复合材料基体按加工性能不同可分为热固性和热塑性两类,热固性主要有环氧树脂体系、双马来酰亚胺(BMI)树脂体系和聚酰 亚 胺 树 脂(PI)体 系 ;热 塑 性 主 要 有 聚 醚 醚 酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)和聚醚酰亚胺(PEI)等。这些树脂都为高性能树脂体系,其各方面性能必须满足实际应用需求,如拉伸、压缩、弯曲、韧性及抗冲击等力学性能;溶剂的溶解性、流动性和黏度的变化情况等工艺性能;玻璃化转变温度、耐热氧化稳定性、热分解温度等热物理性能。通用公司的 GE90 复合材料风扇叶片采用了韧性环氧树脂、LEAP-X 的风扇叶片采用了高温高韧环氧树脂,这些增韧树脂的使用可改善复合材料的断裂和疲劳性能,对提高结构的剩余强度有益。

  要深刻认识复合材料及其结构工程应用中的关键问题,需对制造工艺、结构设计、力学分析、试验技术和产品使用条件等多方面进行认识,结合复合材料在航空发动机工程应用中此类相关关键技术进行论述。

  复合材料叶片是一种大扭转、高厚度、变截面、复杂异构曲面结构,其厚度纵横双向均匀变化,叶片前缘厚度小,后缘薄,叶顶到叶根厚度、扭角逐渐增大,并在叶身和榫头间厚度突变以保证气流流动均匀做功[6]。复合材料机匣同样存在变厚度结构,一般为上下剖分的筒形层合结构,在剖分边缘处、前后段机匣连接处及机匣开孔处均有局部铺层加厚区(变厚度区),此外复合材料风扇机匣设计有周向翻边[7]。这种均匀变厚度、大尺寸回转体翻边对预制体设计和织物工艺具有极高的要求。

  在预制体变厚度设计和成形方面,精确分区差异化铺层设计技术、自动铺放高效路径规划和仿真技术、三维纺织双向均匀增减纱技术构成了复合材料预制体变厚度设计的关键技术。精确分区差异化铺层设计较为复杂,应考虑结构形状、离心力、气动力和外物冲击等因素影响,通过反复的试验和仿真确定最终分区、铺层和增减纱结构,以实现截面的连续变厚度。这个过程中需着重把握预浸料的平面-曲面变换裁切优化、预浸料铺贴的精确定位及预浸料的层间增强。国外普遍采用分层切片法配合自动裁床进行平面-曲面变换裁切优化,并采用激光放样法进行精确定位[8]。文献[9]报道了航空发动机风扇叶片铺层分区设计的过程,其铺层设计考虑了几何形状和受载的影响。

  在完成分区设计后,可根据织物形式采用如人工铺放、自动铺放和纺织物增减纱技术等不同的方法实现预制体成形。二维织物可采用人工铺放成形,也可通过自动铺放轨迹设计实现叶片和机匣的自动化织造,如罗罗公司采用自动铺丝工艺制备了“超扇(UltraFan)发动机”风扇叶片[5,10],超扇风扇叶片的复合材料由 500 层 HexPly M91 纤维和高强韧环氧预浸料构成。采用自动铺丝工艺可显著提升制造效率,但自动铺丝在铺放过程中会产生丝带扭转、皱褶及间隙等缺陷,可考虑压头转弯半径、压实情况和铺丝角度偏差等因素设计加工轨迹、模拟铺放过程,以形成高效路径规划和仿真技术。南京玻璃纤维研究院、东华大学[11]、天津工业大学[6,12]的研究人员介绍了三维机织叶片增减纱变厚度异形叶片的纺织过程,指出现有纺织工艺可实现叶片预制体的厚度设计,但在叶根过渡处的设计和制造技术还有待突破。

  复合材料机匣的大回转体翻边结构特征如图 4[9,13]所示,若采用二维单向带类材料,可根据设计载荷进行铺层设计和插层补强,文献[13]探讨了具有整体翻边特征的复材机匣拼接铺层设计方法,并确定了拼接层数、拼接层位置及拼接截面;自动铺丝、三维机织和三维编织物需一体成形翻边预制体,需突破自动化织造技术,以实现均匀变厚度变截面过程。通用电气的 LEAP-X 发动机采用三维预成形技术,制备了一种每个边都有 L 型翻边的风扇机匣,具有较高的成形质量和成形精度[14]。

  复合材料叶片和机匣多采用高韧性液体成型树脂进行整体成型。树脂在一个包含曲面的大尺寸变厚截面预制体内部长距离流动过程中极易由于树脂温度不平衡、流动分布不均匀导致成型失败[15],进而出现表面气孔、干斑和富树脂等缺陷。树脂传递模塑成型(RTM)是复合材料叶片和机匣制作过程中广泛采用的液体成型工艺,该工艺是在具有一定形状的刚性模具型腔内使树脂与纤维充分浸润,并按树脂工艺规范进行升温固化,进而得到复合材料零件,RTM 工艺同样存在多种液体成型缺陷和充模时间等问题。因此需建立大尺寸预制体成型技术和高增韧短时效快速 RTM 成型技术。

  在大尺寸预制体成型技术方面,Brouwer[16]、Hindersmann[17]和 Hamidi[18]等 研 究 了 大 型 结 构的真空注塑成型技术及其对加工缺陷的影响。真空辅助成型可依靠大气压力注入树脂,更容易穿透浸润纤维,改善浸润效果,进而减少气泡、空洞等制造缺陷的产生。中航复合材料有限公司的研究人员[19]探讨了具有曲率半径的复合材料在热压罐成型中的制造缺陷问题,指出曲率半径越小越容易出现缺陷,易出现分层、孔隙和厚度分布不均等问题。

  在 高 增 韧 短 时 效 快 速 RTM 技 术 方 面 ,Nielsen[20]、Spoerre[21]等和武汉理工大学[22]的研究表明 RTM 成型过程中纤维浸润不充分、磨具流道设计及排气口设置不合理等因素会引起树脂在膜腔内停留时间短,进而形成干斑;若纤维在模腔内分布不均,树脂流经纤维含量低的区域固化后则会形成富树脂区[15]。RTM 工艺还受真空度、注射压力、注射流量等注射参数的影响,如高压树脂传递模塑成型(HP-RTM)采用高压注塑完成基体浸润和快速固化,具有短时效的优点。Zhao 等[23]研究了高压 RTM 作用下树脂流动导致的纤维面内变形的问题,如图 5 所示,在高压注射压力下纤维束冲刷(Fiber-Tow Washout)构成了主要的制造缺陷;在高注射速度时纤维束内会形成小气泡,低注射速度时会在纤维束间形成大气泡。注塑后可采用热压罐进行固化,但大尺寸预制体成型仅依靠热压罐成型工艺已难以保证零件的成型精度;结合闭模成型工艺可较好地解决成型精度不足的问题,已成为复合材料风扇叶片的主流成型技术。

  综上,大型复杂曲面复合材料结构的成型需优化成型温度、模压压力和固化曲线,并综合考虑真空度、注射压力、注射流量等因素的影响。为降低研发成本,可通过预制体固化仿真分析对固化工艺进行优化;此外工艺仿真还可综合考虑预成形导致的纤维扰乱、面外波动,注塑导致的干斑、孔隙,固化导致的微裂纹、纤维扰乱和孔隙扩散等因。


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