罗・罗公司重返飞机复合材料风扇叶片概念
罗・罗公司目前正在将目光从在其涡扇发动机上长期应用的钛合金空心风扇叶片移开,转而研制碳纤维增强复合材料风扇叶片(CFRP)。
这家英国制造业巨头与吉凯恩集团(CKN)一起开发了一种复合材料风扇叶片,将于2013年进行飞行测试,并可望在2020年前应用于遄达XWB之后的下一型新发动机。
虽然美国通用电气公司(GE)于1995年在GE90发动机上采用了碳纤维复合材料风扇叶片,并在后续新的GEnx系列发动机上也采用了相似的设计,但其在大西洋彼岸的竞争者(指罗・罗公司)到目前为止仍然坚持采用钛合金结构的风扇叶片。
罗・罗公司战略营销副总裁Robert Nuttall认为,迄今为止还不可能造出与金属风扇叶片一样薄的复合材料风扇叶片。叶片的横截面厚度决定了其气动效率。就这一点而言,钛合金叶片保证了重量、阻力与振动耐久性、鸟撞等外物损伤(FOD)以及沙尘、雨水等引起的腐蚀达到佳的平衡。罗・罗公司自RB211-22以来的所有大推力涡扇发动机均采用空心、宽弦钛合金风扇叶片,并采用超塑成型/扩散连接(SPF/DB)的制造工艺。
Nuttall说:“复合材料叶片重量轻,但是为了满足实际使用中的强度要求,一般都会比通常的金属叶片要厚,也就无法达到同等的气动效率。”罗・罗公司表示,钛合金风扇叶片比GE90的复合材料风扇叶片“重量更轻、气动效率更高”。不过,目前罗・罗公司已经和专营复合材料的GKN公司联合开发了一种跟钛合金叶片一样薄的碳纤维风扇叶片试验件,并满足在鲁棒性、制造成本以及产量可扩缩性等其它方面的标准。这种碳纤维风扇叶片已经完成了包括叶片飞出、鸟撞试验在内的地面试验,并即将于2013年第二季度在遄达1000发动机上开始飞行测试。之所以选择波音787的动力装置,是因为该发动机是研究透的。随着英国德比地面试车和飞行测试中发动机流道内多测点的压力、温度和流线等可用数据的不断积累,遄达1000发动机将会比以往任何发动机都研究得更透。
减重
Nuttall拒绝对复合材料风扇叶片取代钛合金叶片所期望的减重量发表任何评论。但是Nuttall说,总重的降低不仅仅是由于采用了更轻的叶片,一个“重要”的因素是采用了新的碳纤维风扇机匣。
同叶片一样,风扇机匣也需要满足不同的使用要求,为此机匣被设计成类似三明治的多层结构,其中每一层具有某种特定的功能。内层用于保证尽可能小的转子叶尖间隙,避免产生总推力90%的风扇气流发生能量损失。同时,还必须避免当叶片由于振动或者湍流而使叶尖接触到密封衬套时损伤叶片,这也是为什么内表面通常要涂覆耐磨涂层的原因。
第二层的设计主要是为了在叶片一旦发生失效时能够吸收能量。为满足适航取证要求,发动机必须能够包容在大工作状态下当一片风扇叶片或者其中一部分飞出时产生的所有碎片。外层则用于为管线等附件装置提供结构支撑。
风扇叶片和机匣设计成一个整体系统。Nuttall表示,目前机匣已经单独完成了包括叶片飞出试验在内的地面试验。风扇叶片和机匣将组成先进低压系统(ALPS),计划2013年同时在飞机上接受测试。
Nuttall说:“复合材料风扇和机匣将能够在2020年前用于新发动机。但是,ALPS并不能应用于升级当前发动机,因为包括遄达XWB在内的现有发动机核心机已经针对专用的风扇叶片和机匣系统进行了优化。”另外,依Nuttall所说,碳纤维复合材料风扇叶片的尺寸越大,带来的减重效果越明显,因而建议用在大推力发动机上,不过目前接受测试的复合材料叶片和机匣系统也能够很容易的用在窄体飞机的发动机上。
由于中等推力发动机对更小、更轻的风扇叶片提出了更高的强度要求,作为GE公司在CFM国际公司的合伙人,Snecma公司将采用新的CFRP结构制造工艺用于CFM56系列的下一代继任发动机――Leap-X。
与GE90和GEnx风扇叶片采用铺设多层预浸碳纤维薄层的方式不同,Snecma公司采用三维树脂传递模塑成型(RTM)工艺来制造Leap发动机的风扇叶片,其中在树脂注入和叶片高压成型前将碳纤维编制成三维结构。
符合所有发动机的叶片尺寸
罗・罗公司确信复合材料风扇叶片能够适用于所有的大涵道比涡扇发动机。但是在小的商用喷气飞机动力装置中,钛合金叶片仍然拥有减重优势。GKN的主要领域是制造工艺,并在去年与英格兰南部经济发展机构合作,共同投资将近1500万英镑(合2300万美元)在GKN位于怀特岛考斯地区的工厂构建预生产设施。Nuttall解释说,这一代的CFRP风扇叶片很大程度上依赖于手工作业,但下一代的工艺将是全自动化的,这就需要保证批量生产的连贯性,并确保按比例增加产量。另外,全自动化的制造工艺也能够确保碳纤维材料始终保持三维结构。
对罗・罗公司来说,这一工艺技术进步晚了40多年。初的尝试始于20世纪60年代末期,罗・罗试图在用于洛克希德L-1011“三星”客机的RB211发动机上引入复合材料风扇叶片,不过这种名为“Hyfil”的碳纤维基复合材料风扇叶片不能承受外物碰撞。
罗・罗公司同时也研制了钛合金叶片作为RB211-22的备选。然而,随着发动机的研制成本飞速增长,在不利的经济条件下,罗・罗公司面临破产,并于1971年被收购,由政府保险来承担开发成本。此后,罗・罗公司仍然不断改进空心钛合金风扇叶片制造工艺,将其打造成为了一件艺术精品。
SPF/DB制造工艺先是将风扇叶片前后表面沿边缘焊合起来,然后将叶片嵌入模具,加热到金属出现弹性的温度,后在前后表面之间充入惰性气体,呈现出叶片终形状,而初焊接到两个表面内部的附加钛合金肋条就成为了内部支撑结构。不过随着飞机制造商转入下一代新型飞机的研制,这种曾经被严格保密的特殊工艺可能会在将来失去其重要性,至少在大中型发动机上将面临复合材料的强力挑战。
这家英国制造业巨头与吉凯恩集团(CKN)一起开发了一种复合材料风扇叶片,将于2013年进行飞行测试,并可望在2020年前应用于遄达XWB之后的下一型新发动机。
虽然美国通用电气公司(GE)于1995年在GE90发动机上采用了碳纤维复合材料风扇叶片,并在后续新的GEnx系列发动机上也采用了相似的设计,但其在大西洋彼岸的竞争者(指罗・罗公司)到目前为止仍然坚持采用钛合金结构的风扇叶片。
罗・罗公司战略营销副总裁Robert Nuttall认为,迄今为止还不可能造出与金属风扇叶片一样薄的复合材料风扇叶片。叶片的横截面厚度决定了其气动效率。就这一点而言,钛合金叶片保证了重量、阻力与振动耐久性、鸟撞等外物损伤(FOD)以及沙尘、雨水等引起的腐蚀达到佳的平衡。罗・罗公司自RB211-22以来的所有大推力涡扇发动机均采用空心、宽弦钛合金风扇叶片,并采用超塑成型/扩散连接(SPF/DB)的制造工艺。
Nuttall说:“复合材料叶片重量轻,但是为了满足实际使用中的强度要求,一般都会比通常的金属叶片要厚,也就无法达到同等的气动效率。”罗・罗公司表示,钛合金风扇叶片比GE90的复合材料风扇叶片“重量更轻、气动效率更高”。不过,目前罗・罗公司已经和专营复合材料的GKN公司联合开发了一种跟钛合金叶片一样薄的碳纤维风扇叶片试验件,并满足在鲁棒性、制造成本以及产量可扩缩性等其它方面的标准。这种碳纤维风扇叶片已经完成了包括叶片飞出、鸟撞试验在内的地面试验,并即将于2013年第二季度在遄达1000发动机上开始飞行测试。之所以选择波音787的动力装置,是因为该发动机是研究透的。随着英国德比地面试车和飞行测试中发动机流道内多测点的压力、温度和流线等可用数据的不断积累,遄达1000发动机将会比以往任何发动机都研究得更透。
减重
Nuttall拒绝对复合材料风扇叶片取代钛合金叶片所期望的减重量发表任何评论。但是Nuttall说,总重的降低不仅仅是由于采用了更轻的叶片,一个“重要”的因素是采用了新的碳纤维风扇机匣。
同叶片一样,风扇机匣也需要满足不同的使用要求,为此机匣被设计成类似三明治的多层结构,其中每一层具有某种特定的功能。内层用于保证尽可能小的转子叶尖间隙,避免产生总推力90%的风扇气流发生能量损失。同时,还必须避免当叶片由于振动或者湍流而使叶尖接触到密封衬套时损伤叶片,这也是为什么内表面通常要涂覆耐磨涂层的原因。
第二层的设计主要是为了在叶片一旦发生失效时能够吸收能量。为满足适航取证要求,发动机必须能够包容在大工作状态下当一片风扇叶片或者其中一部分飞出时产生的所有碎片。外层则用于为管线等附件装置提供结构支撑。
风扇叶片和机匣设计成一个整体系统。Nuttall表示,目前机匣已经单独完成了包括叶片飞出试验在内的地面试验。风扇叶片和机匣将组成先进低压系统(ALPS),计划2013年同时在飞机上接受测试。
Nuttall说:“复合材料风扇和机匣将能够在2020年前用于新发动机。但是,ALPS并不能应用于升级当前发动机,因为包括遄达XWB在内的现有发动机核心机已经针对专用的风扇叶片和机匣系统进行了优化。”另外,依Nuttall所说,碳纤维复合材料风扇叶片的尺寸越大,带来的减重效果越明显,因而建议用在大推力发动机上,不过目前接受测试的复合材料叶片和机匣系统也能够很容易的用在窄体飞机的发动机上。
由于中等推力发动机对更小、更轻的风扇叶片提出了更高的强度要求,作为GE公司在CFM国际公司的合伙人,Snecma公司将采用新的CFRP结构制造工艺用于CFM56系列的下一代继任发动机――Leap-X。
与GE90和GEnx风扇叶片采用铺设多层预浸碳纤维薄层的方式不同,Snecma公司采用三维树脂传递模塑成型(RTM)工艺来制造Leap发动机的风扇叶片,其中在树脂注入和叶片高压成型前将碳纤维编制成三维结构。
符合所有发动机的叶片尺寸
罗・罗公司确信复合材料风扇叶片能够适用于所有的大涵道比涡扇发动机。但是在小的商用喷气飞机动力装置中,钛合金叶片仍然拥有减重优势。GKN的主要领域是制造工艺,并在去年与英格兰南部经济发展机构合作,共同投资将近1500万英镑(合2300万美元)在GKN位于怀特岛考斯地区的工厂构建预生产设施。Nuttall解释说,这一代的CFRP风扇叶片很大程度上依赖于手工作业,但下一代的工艺将是全自动化的,这就需要保证批量生产的连贯性,并确保按比例增加产量。另外,全自动化的制造工艺也能够确保碳纤维材料始终保持三维结构。
对罗・罗公司来说,这一工艺技术进步晚了40多年。初的尝试始于20世纪60年代末期,罗・罗试图在用于洛克希德L-1011“三星”客机的RB211发动机上引入复合材料风扇叶片,不过这种名为“Hyfil”的碳纤维基复合材料风扇叶片不能承受外物碰撞。
罗・罗公司同时也研制了钛合金叶片作为RB211-22的备选。然而,随着发动机的研制成本飞速增长,在不利的经济条件下,罗・罗公司面临破产,并于1971年被收购,由政府保险来承担开发成本。此后,罗・罗公司仍然不断改进空心钛合金风扇叶片制造工艺,将其打造成为了一件艺术精品。
SPF/DB制造工艺先是将风扇叶片前后表面沿边缘焊合起来,然后将叶片嵌入模具,加热到金属出现弹性的温度,后在前后表面之间充入惰性气体,呈现出叶片终形状,而初焊接到两个表面内部的附加钛合金肋条就成为了内部支撑结构。不过随着飞机制造商转入下一代新型飞机的研制,这种曾经被严格保密的特殊工艺可能会在将来失去其重要性,至少在大中型发动机上将面临复合材料的强力挑战。








































