碳纤维复合材料在航空涡扇上的应用分析

  随着气动热力学、结构力学和材料科学等的飞速发展,较高的性能、良好的经济性、极好的环保特性和很高的可靠性已经成为运输机用大涵道比涡扇发动机研制的主要目标,而较高的推重比、较低的油耗较少的信号特征、极高的可靠性已经成为战斗机用小涵道比加力涡扇发动机研制的主要目标。

  为了减轻发动机质量,降低生产成本,GEAE公司已经将先进的纤维增强树脂基复合材料应用到航空涡扇发动机的较多低温部件中,如外涵机匣,风扇转子叶片,包容机匣。公司还进行了应用于静子叶片、风扇框架、整流罩、叶冠等部件的大量开发和研究工作。经过几十年的发展,纤维增强的树脂基复合材料已经被美国、英国、法国等航空发动机技术先进国家广泛应用在航空涡扇发动机的低温部件上。

  纤维增强树脂基复合材料在航空涡扇发动机部件上的应用,既是复合材料本身发展的需要,更是涡扇发动机增推减质的需要。由于具有质量轻、强度高等优越性能,且加工工艺较为成熟,纤维增强树脂基复合材料已经被航空发动机技术先进国家广泛地应用在涡扇发动机的低温部件上。

  在纤维增强树脂基复合材料应用于涡扇发动机部件方面,我国已经开展了大量的开发和验证工作,并取得了较大的进展。北京航空制造工程研究所自行研制的以中等强度碳纤维为增强体、以648酚醛为基体的航空喷气发动机叶片是第1种国内自主开发的复合材料航空零件。该叶片长365mm,扭角为56°,根部有1个安装柳头槽,是用阴阳模一次成型出来的,基本上无需再加工。其质量是钛的56%,离心力减小,对盘的要求也降低了,其榫头拉断强度是设计载荷的5倍。由于碳纤维的铺层取向可以调整,因而叶片的扭角特别是动载条件下的扭角是可作调整的,修正设计的裕度较大。北京航空制造工程研究所等单位合作开发和验证的树脂基复合材料外涵机匣已经成功地应用到某型航空发动机上。

  尽管如此,在纤维增强树脂基复合材料航空涡扇发动机部件的开发和应用方面,我国较国外先进水平还有很大差距。因而,很好地借鉴国外已经验证的先进材料和制造技术,充分地吸取国外成功的管理经验,全面地做好高性能纤维增强树脂基复合材料的开发,以及先进制造技术的研究、设计与制造一体化方法的应用等工作,对加快我国在纤维增强树脂基复合材料航空涡扇发动机部件的开发和应用工作具有非常重要的意义。