碳纖維航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造技術(shù)

復(fù)合材料模具

碳纖維航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造技術(shù)

                                                                  ----請(qǐng)注意其中的制造工藝部分（黑色加重字體）

    航空公司今天將完全可以服役的飛機(jī)棄之于沙漠中，卻去采購(gòu)當(dāng)前一代的后繼機(jī)型——這些機(jī)型重量更輕、油耗更低，這在很大程度上要?dú)w功于復(fù)合材料的使用。這種現(xiàn)象表明航空運(yùn)營(yíng)商從很大程度上已經(jīng)為在機(jī)身減重方面的投資做好了準(zhǔn)備，同時(shí)也顯示了他們對(duì)類似波音B787 Dreamliner及空客A350 XWB等新機(jī)型的渴求——這些機(jī)型采用的增強(qiáng)塑料按重量占整個(gè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的一半左右。

    人們或許對(duì)復(fù)合材料在飛機(jī)內(nèi)飾方面的廣泛應(yīng)用及其對(duì)二級(jí)及主要飛機(jī)結(jié)構(gòu)不斷增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)耳熟能詳，但是未必清楚這種材料目前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)減重帶來(lái)的效果。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件對(duì)復(fù)合材料來(lái)說(shuō)通常溫度過(guò)高，但是溫度較低的運(yùn)轉(zhuǎn)前端則是復(fù)合材料最主要的潛在應(yīng)用領(lǐng)域，主要為尺寸較大的風(fēng)扇及機(jī)匣。現(xiàn)代噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)風(fēng)扇使進(jìn)入進(jìn)氣道的空氣穿過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵道，然后從發(fā)動(dòng)機(jī)艙尾部噴出，通過(guò)這種方式形成發(fā)動(dòng)機(jī)總推動(dòng)力的70-90%。剩余部分則來(lái)自于內(nèi)涵道——發(fā)動(dòng)機(jī)真正的噴氣部分。后者還為風(fēng)扇提供驅(qū)動(dòng)力。風(fēng)扇的作用類似于大型的螺旋槳，只不過(guò)它的葉片數(shù)量要多得多，旋轉(zhuǎn)速度也快很多。在最新推出的一些渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過(guò)外涵道的空氣量最高約是通過(guò)內(nèi)涵道本身空氣量的12倍，這個(gè)比例稱為涵道比。

    傳統(tǒng)上，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片都是由金屬制成，通常是鈦金屬，但是今天，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商可以通過(guò)復(fù)合材料來(lái)大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。同樣，用于容納任何形式的葉片分離及防止高速碎片損傷飛機(jī)機(jī)體或飛機(jī)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣，現(xiàn)在也可以采用復(fù)合材料來(lái)替代金屬或金屬?gòu)?fù)合材料混合物（通常是芳綸聚酰胺材料包覆在鋁合金外面）。風(fēng)扇與機(jī)匣模塊重量的減輕還可以帶來(lái)連鎖的效應(yīng)，使類似主軸軸承及連接發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)翼相連的吊架，以及相關(guān)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)都可以變得更輕。總體上說(shuō)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)約可以節(jié)省半噸或更多的重量，在今天航空油價(jià)居高不下的情況下，這種成效非常值得擁有。

    相比金屬來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料具有更高的耐久性，尤其其耐疲勞度更強(qiáng)，而且可以成型成不同形狀，非常接近3-D虛擬空氣動(dòng)力模型。復(fù)合材料還具有很好的抗蠕變性，這種朝外延伸的現(xiàn)象通過(guò)出現(xiàn)在金屬葉片上，主要是由葉片在2500rpm左右（巡航模式下風(fēng)扇的常見轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)速下形成的離心力造成的，也就意味著葉片葉尖和外圍管道之間的距離在最初設(shè)計(jì)的時(shí)候就比應(yīng)有的大，這樣才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能。

市場(chǎng)開拓者

    雖然羅爾斯·羅伊斯（Rolls-Royce）是復(fù)合材料風(fēng)扇葉片應(yīng)用的開拓者（后文將詳述），但是第一家成功將一架采用復(fù)合材料葉片的商用飛機(jī)推向市場(chǎng)的企業(yè)是美國(guó)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商——通用電氣公司（GE）。最初的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)首次于1995年開始服役于英國(guó)航空公司的波音B777長(zhǎng)程雙引擎廣體客機(jī)上。這款發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比為8.4，風(fēng)扇直徑為10英尺，共有22個(gè)寬弦風(fēng)扇葉片組成。葉片采用通過(guò)高檔碳纖維增強(qiáng)的增韌環(huán)氧樹脂注塑而成。葉片表面采用耐磨的聚氨酯涂層，前緣采用的鈦合金保護(hù)可以防止葉片受到飛鳥、冰塊或其他“異物”的撞擊。鈦合金保護(hù)還形成了一種采用復(fù)合材料很難成形的非常必要的鋒利邊緣。這種保護(hù)前緣還可以替換，回收后還可以重新混合使用。

     GE公司此前在復(fù)合材料葉片方面擁有長(zhǎng)達(dá)25年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，最早可追溯到NASA贊助的項(xiàng)目時(shí)期。該公司稱其GE90葉片承受了一整套嚴(yán)苛的測(cè)試，包括非常關(guān)鍵的Chicken-gun測(cè)試——將鳥的尸體射向工作中的發(fā)動(dòng)機(jī)，來(lái)模擬高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下飛鳥的撞擊。測(cè)試獲得了積極的結(jié)果，這也與飛機(jī)在實(shí)際服役中對(duì)大量體形如白鷺及加拿大鵝般大小的飛鳥的真實(shí)撞擊結(jié)果一致。在這些情況下，飛機(jī)風(fēng)扇并沒有受到太大的損壞。據(jù)GE公司表示，暴露于飛機(jī)油液（燃油、液壓油等）環(huán)境中的復(fù)合葉片樣品維持了95%的基本性能。真實(shí)使用情況顯示葉片對(duì)濕度的吸收和材料的疲勞度都非常低。在葉片脫落試驗(yàn)中，葉片被快速剪切掉，然后通過(guò)離心率被迅速甩出去。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了復(fù)合材料機(jī)匣的性能。
    GE90的升級(jí)版——GE90-115B目前是全球功率最強(qiáng)勁的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其樣品在試驗(yàn)臺(tái)架上曾輸出12.8萬(wàn)磅推力（發(fā)動(dòng)機(jī)的額定推力為11.5萬(wàn)磅）。另外一款小型發(fā)動(dòng)機(jī)——GENx為中等容量遠(yuǎn)程飛機(jī)開發(fā)，包括波音最新推出的最節(jié)油的B787客機(jī)，目前剛投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。在GE90葉片技術(shù)的基礎(chǔ)上，波音公司為B787開發(fā)了直徑為111英寸、18個(gè)葉片的復(fù)合材料風(fēng)扇。該風(fēng)扇使這架雙噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)與如若采用金屬風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)型相比重量減輕了700磅。
制造工藝
    葉片的制造商是CFAN公司——GE與法國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商Snecma（斯奈克瑪）的合資公司。生產(chǎn)是在位于美國(guó)德克薩斯州圣馬科斯市（San Marcos）的一家專門的復(fù)合材料零部件工廠內(nèi)進(jìn)行的。這家工廠至今已經(jīng)生產(chǎn)了兩萬(wàn)多個(gè)復(fù)合材料葉片，最初為GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)配套風(fēng)扇葉片，最近幾年也為GENx發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)葉片。據(jù)改公司稱，其嚴(yán)格的制造流程確保了所生產(chǎn)的葉片無(wú)孔隙、折皺及其他瑕疵。
   
      E90葉片采用預(yù)制件方式制造，在每個(gè)葉根部分包含幾百層單向碳纖維預(yù)浸帶和織物。葉根部分的厚度達(dá)4英寸，然后逐漸變薄，直至葉尖部分厚度為0.25英寸。鋪層采用超聲波進(jìn)行切割，每一層的形狀都事先通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件生成。碳纖維層然后通過(guò)激光投影系統(tǒng)進(jìn)行鋪設(shè)。編制完成的織物接著放置在模具中，然后向其中注入樹脂。在熱壓罐中，當(dāng)溫度設(shè)置為150°C左右，且施加一定固結(jié)壓力時(shí)，部件開始固化。最后，接近最終形狀的部件通過(guò)五軸CNC加工中心磨削至最終尺寸。
   
    為GENx發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的風(fēng)扇機(jī)匣是由GKN Aerospace Services公司位于阿拉巴馬州的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工廠生產(chǎn)制造的。機(jī)匣由雙軸向和三軸向碳纖維及環(huán)氧樹脂織物組成，通過(guò)風(fēng)扇套管工具編制完成。套管中間關(guān)鍵部分采用了額外的三軸向?qū)?，彼此?/font>60°鋪設(shè)，使該部分比朝向尾端的部分更厚。這種全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)據(jù)稱要優(yōu)于其他發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用的Kelvar（芳族聚酰胺）與鋁合金復(fù)合的機(jī)匣系統(tǒng)，后者更容易積累潮氣，從而導(dǎo)致兩種材料的銜接處出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

。在今年的范堡羅航空展上，通用電氣航空（GE Aviation）公司稱其正在為計(jì)劃中的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)第四代復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，該發(fā)動(dòng)機(jī)將用于新一代波音B777飛機(jī)上，代號(hào)為B777X。該公司還在探究將風(fēng)扇機(jī)匣與進(jìn)氣道整合到一個(gè)一體化裝置里，從而進(jìn)一步減輕重量的可能性。

                                                                                                         ----轉(zhuǎn)自復(fù)材網(wǎng)

rlb

可透露一下這種葉片的使用壽命多少小時(shí)嗎？

everywhere

謝謝分享！

wly124

中國(guó)什么時(shí)候能造出來(lái)？？？？？？？？？？？？？

hurilu2010

我公司都可以做出來(lái)，而且做出來(lái)可以達(dá)到噴了油的亮度，我公司好多產(chǎn)品做出來(lái)不用后處理，用模壓工藝更好，只是好多客人不關(guān)注我們小公司，有意者來(lái)電18664050309

benfrp

hurilu2010:我公司都可以做出來(lái)，而且做出來(lái)可以達(dá)到噴了油的亮度，我公司好多產(chǎn)品做出來(lái)不用后處理，用模壓工藝更好，只是好多客人不關(guān)注我們小公司，有意者來(lái)電18664050309 (2013-06-03 05:53 PM)

全世界基本沒公司做得出，你們卻做出來(lái)了，強(qiáng)！中國(guó)的的飛機(jī)本來(lái)就差勁了，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)更是落后，你應(yīng)該去航空研究院當(dāng)老大了，不過(guò)，我想你會(huì)被當(dāng)瘋子！
坦白的告訴你，聽你這么說(shuō)，你是有一點(diǎn)抽真空的技術(shù)，有點(diǎn)RTM技術(shù)，有點(diǎn)模壓技術(shù)！只是皮毛，那發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度多高你知道嗎？中國(guó)內(nèi)我相信沒有一膠水能工作在200度以上，更不要說(shuō)在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作了！
你說(shuō)你的產(chǎn)品不怎么后處理，最多不就是模具光一點(diǎn)！其實(shí)要達(dá)到A級(jí)表面差遠(yuǎn)了！

hanjian3927

美帝確實(shí)強(qiáng)大啊

自在人心

我們公司也能做得出來(lái)，我們習(xí)總都說(shuō)了。