发动机复合材料风扇,中国为何一直做不出来,难点究竟有多少?

2019年12月23日 15:58 21131次浏览 来源:   分类: 新材料前沿

导读: 中国航空发动机技术长期落后,军用发动机如此,民用发动机更差,虽然近年中国航空发动机取得了一定的进展,但是也没有在技术上获得过大的突破,最简单的一个例证就是航空发动机复合材料风扇叶片,虽然一直不断有报道,也有试验进行,但是一直没有看到任何一款实用的航空发动机复合材料风扇叶片投入使用!

    中国航空发动机技术长期落后,军用发动机如此,民用发动机更差,虽然近年中国航空发动机取得了一定的进展,但是也没有在技术上获得过大的突破,最简单的一个例证就是航空发动机复合材料风扇叶片,虽然一直不断有报道,也有试验进行,但是一直没有看到任何一款实用的航空发动机复合材料风扇叶片投入使用!

有朋友问,这个产品难度究竟在哪里?为何中国长期突破不了?中国最近些年突破了国外封锁的T-700和T-800超高强度碳纤维制造,而且T-1000和T-1100碳纤维还在紧张研发中,预计在未来数年内也会攻克,复合材料都有了,为何复合材料制造的风扇却一直卡壳,问题出在哪里?

原因是,碳纤维复合材料虽然有密度小,强度高,抗颤振性能好的优点,但是碳纤维材料也存在与生俱来的弱点:纤维和纤维之间依靠树脂粘接,这种粘接在巨大的冲击力下并不牢靠,容易分层脱离,裂纹扩展特别快,很短时间内就会造成零件解体,从而整个发动机停车,这和金属材料缓慢发展裂纹完全不同。

如何解决碳纤维复合材料的弱点,美国GE公司做了巨大的努力,最终得出了一些要点,这些要点不断支撑GE公司推出一款又一款的先进发动机。

要点包括:风扇零件可以采用碳纤维复合材料制造,但是抗击鸟撞必须经过特别增强,比如在风扇表面必须增加一个金属保护层,常用钛合金蒙皮加强叶片前缘,GE90发动机采用3M公司的AF191胶将钛合金和复合材料粘接在一起,风扇叶片尾部比较尖锐,强度稍弱,受到鸟撞容易开裂所以采用凯夫拉线条缝起来。

叶片前缘冲击力最大,采用钛合金蒙皮保护解决了,但是撞击在叶片其他部位,碳纤维复合材料也是吃不消的,所以,设计师不得不采取一个特殊的措施,这就是:限速!强制降低发动机叶片的尖端线速度,对手公司发动机钛合金风扇速度413和478米/秒,但是GE公司数据只有370米/秒,这种降速设计极大降低了鸟撞的载荷,而且还带来了另外一个好处:尖端速度降低了,发动机噪音更低,所以能满足更严格的环保标准!而某企业风扇叶尖速度高达460米/秒,简单来说就是,如此高的速度大概率扑街,鸟撞试验很难过去,而且耐久性也很难保证,还不用提高速带来的噪音问题。

复合材料表面最大的问题除了不耐冲击,而且也不耐摩擦,长年累月的高速运行,表面磨损很快,除了降低叶片尖端线速度之外,还必须在叶片表面开发先进的耐磨涂层,否则复合材料叶片,就算没有倒在鸟撞上,也会在日常的高速气流吹袭中,不断磨损开裂提前报废!

按照美国GE公司的经验,复合材料叶片除了设计之外,材料工艺也要过关,而且钛合金蒙皮,表面耐磨涂层,尖端速度等等都必须得到严格控制,除了叶片本身外,还必须设计配套的轻重量高强度包容机匣,这也是一个巨大的难题,美国人使用铝合金机匣和凯夫拉材料缠绕取得了成功。

而且,世界航空发动机的经验表明,一台发动机具有上万个零件,任何一个零部件出问题,或者兼容性出问题,都容易导致整机出现故障,甚至解体,美国GE公司30年努力攻克难关,才取得复合材料风扇的突破,GE90发动机试验总时间超过8000小时,类似的项目中国才刚刚开始努力,成功的路还很远很远,没有捷径可走,一点点努力试验改进,最终才可能有突破。

责任编辑:陈岩

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