碳纤维航空发动机叶片制造技术

复合材料模具

碳纤维航空发动机叶片制造技术

                                                                  ----请注意其中的制造工艺部分（黑色加重字体）

    航空公司今天将完全可以服役的飞机弃之于沙漠中，却去采购当前一代的后继机型——这些机型重量更轻、油耗更低，这在很大程度上要归功于复合材料的使用。这种现象表明航空运营商从很大程度上已经为在机身减重方面的投资做好了准备，同时也显示了他们对类似波音B787 Dreamliner及空客A350 XWB等新机型的渴求——这些机型采用的增强塑料按重量占整个飞机结构的一半左右。

    人们或许对复合材料在飞机内饰方面的广泛应用及其对二级及主要飞机结构不断增长的贡献耳熟能详，但是未必清楚这种材料目前对发动机减重带来的效果。虽然发动机的核心部件对复合材料来说通常温度过高，但是温度较低的运转前端则是复合材料最主要的潜在应用领域，主要为尺寸较大的风扇及机匣。现代喷气式发动机通过风扇使进入进气道的空气穿过发动机的外涵道，然后从发动机舱尾部喷出，通过这种方式形成发动机总推动力的70-90%。剩余部分则来自于内涵道——发动机真正的喷气部分。后者还为风扇提供驱动力。风扇的作用类似于大型的螺旋桨，只不过它的叶片数量要多得多，旋转速度也快很多。在最新推出的一些涡轮风扇发动机上，通过外涵道的空气量最高约是通过内涵道本身空气量的12倍，这个比例称为涵道比。

    传统上，发动机风扇叶片都是由金属制成，通常是钛金属，但是今天，发动机制造商可以通过复合材料来大幅降低发动机的重量。同样，用于容纳任何形式的叶片分离及防止高速碎片损伤飞机机体或飞机系统的发动机机匣，现在也可以采用复合材料来替代金属或金属复合材料混合物（通常是芳纶聚酰胺材料包覆在铝合金外面）。风扇与机匣模块重量的减轻还可以带来连锁的效应，使类似主轴轴承及连接发动机与机翼相连的吊架，以及相关的机翼结构都可以变得更轻。总体上说，每台发动机约可以节省半吨或更多的重量，在今天航空油价居高不下的情况下，这种成效非常值得拥有。

    相比金属来说，复合材料具有更高的耐久性，尤其其耐疲劳度更强，而且可以成型成不同形状，非常接近3-D虚拟空气动力模型。复合材料还具有很好的抗蠕变性，这种朝外延伸的现象通过出现在金属叶片上，主要是由叶片在2500rpm左右（巡航模式下风扇的常见转速）转速下形成的离心力造成的，也就意味着叶片叶尖和外围管道之间的距离在最初设计的时候就比应有的大，这样才能保证发动机的最佳性能。

市场开拓者

    虽然罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce）是复合材料风扇叶片应用的开拓者（后文将详述），但是第一家成功将一架采用复合材料叶片的商用飞机推向市场的企业是美国飞机发动机制造商——通用电气公司（GE）。最初的GE90发动机首次于1995年开始服役于英国航空公司的波音B777长程双引擎广体客机上。这款发动机的涵道比为8.4，风扇直径为10英尺，共有22个宽弦风扇叶片组成。叶片采用通过高档碳纤维增强的增韧环氧树脂注塑而成。叶片表面采用耐磨的聚氨酯涂层，前缘采用的钛合金保护可以防止叶片受到飞鸟、冰块或其他“异物”的撞击。钛合金保护还形成了一种采用复合材料很难成形的非常必要的锋利边缘。这种保护前缘还可以替换，回收后还可以重新混合使用。

     GE公司此前在复合材料叶片方面拥有长达25年的开发经验，最早可追溯到NASA赞助的项目时期。该公司称其GE90叶片承受了一整套严苛的测试，包括非常关键的Chicken-gun测试——将鸟的尸体射向工作中的发动机，来模拟高速运转状态下飞鸟的撞击。测试获得了积极的结果，这也与飞机在实际服役中对大量体形如白鹭及加拿大鹅般大小的飞鸟的真实撞击结果一致。在这些情况下，飞机风扇并没有受到太大的损坏。据GE公司表示，暴露于飞机油液（燃油、液压油等）环境中的复合叶片样品维持了95%的基本性能。真实使用情况显示叶片对湿度的吸收和材料的疲劳度都非常低。在叶片脱落试验中，叶片被快速剪切掉，然后通过离心率被迅速甩出去。试验结果验证了复合材料机匣的性能。
    GE90的升级版——GE90-115B目前是全球功率最强劲的涡轮风扇发动机，其样品在试验台架上曾输出12.8万磅推力（发动机的额定推力为11.5万磅）。另外一款小型发动机——GENx为中等容量远程飞机开发，包括波音最新推出的最节油的B787客机，目前刚投入商业运营。在GE90叶片技术的基础上，波音公司为B787开发了直径为111英寸、18个叶片的复合材料风扇。该风扇使这架双喷气发动机飞机与如若采用金属风扇发动机的机型相比重量减轻了700磅。
制造工艺
    叶片的制造商是CFAN公司——GE与法国发动机制造商Snecma（斯奈克玛）的合资公司。生产是在位于美国德克萨斯州圣马科斯市（San Marcos）的一家专门的复合材料零部件工厂内进行的。这家工厂至今已经生产了两万多个复合材料叶片，最初为GE90-115B发动机配套风扇叶片，最近几年也为GENx发动机生产叶片。据改公司称，其严格的制造流程确保了所生产的叶片无孔隙、折皱及其他瑕疵。
   
      E90叶片采用预制件方式制造，在每个叶根部分包含几百层单向碳纤维预浸带和织物。叶根部分的厚度达4英寸，然后逐渐变薄，直至叶尖部分厚度为0.25英寸。铺层采用超声波进行切割，每一层的形状都事先通过计算机软件生成。碳纤维层然后通过激光投影系统进行铺设。编制完成的织物接着放置在模具中，然后向其中注入树脂。在热压罐中，当温度设置为150°C左右，且施加一定固结压力时，部件开始固化。最后，接近最终形状的部件通过五轴CNC加工中心磨削至最终尺寸。
   
    为GENx发动机开发的风扇机匣是由GKN Aerospace Services公司位于阿拉巴马州的飞机结构件工厂生产制造的。机匣由双轴向和三轴向碳纤维及环氧树脂织物组成，通过风扇套管工具编制完成。套管中间关键部分采用了额外的三轴向层，彼此按60°铺设，使该部分比朝向尾端的部分更厚。这种全复合材料结构据称要优于其他发动机普遍采用的Kelvar（芳族聚酰胺）与铝合金复合的机匣系统，后者更容易积累潮气，从而导致两种材料的衔接处出现腐蚀现象。

。在今年的范堡罗航空展上，通用电气航空（GE Aviation）公司称其正在为计划中的GE9X发动机开发第四代复合材料风扇叶片，该发动机将用于新一代波音B777飞机上，代号为B777X。该公司还在探究将风扇机匣与进气道整合到一个一体化装置里，从而进一步减轻重量的可能性。

                                                                                                         ----转自复材网

rlb

可透露一下这种叶片的使用寿命多少小时吗？

everywhere

谢谢分享！

wly124

中国什么时候能造出来？？？？？？？？？？？？？

hurilu2010

我公司都可以做出来，而且做出来可以达到喷了油的亮度，我公司好多产品做出来不用后处理，用模压工艺更好，只是好多客人不关注我们小公司，有意者来电18664050309

benfrp

hurilu2010:我公司都可以做出来，而且做出来可以达到喷了油的亮度，我公司好多产品做出来不用后处理，用模压工艺更好，只是好多客人不关注我们小公司，有意者来电18664050309 (2013-06-03 05:53 PM)

全世界基本没公司做得出，你们却做出来了，强！中国的的飞机本来就差劲了，发动机技术更是落后，你应该去航空研究院当老大了，不过，我想你会被当疯子！
坦白的告诉你，听你这么说，你是有一点抽真空的技术，有点RTM技术，有点模压技术！只是皮毛，那发动机的温度多高你知道吗？中国内我相信没有一胶水能工作在200度以上，更不要说在发动机中工作了！
你说你的产品不怎么后处理，最多不就是模具光一点！其实要达到A级表面差远了！

hanjian3927

美帝确实强大啊

自在人心

我们公司也能做得出来，我们习总都说了。