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轻质高强风扇叶片的加工制造技术管帽

风扇叶    
2020年02月23日

2016-05-16 10:07:48来源: 贤集网

复合材料风扇叶片目前较为成熟的是树脂基碳纤维增强复合材料(CFRP),已经在通用电气(GE)公司的GEnx、GE9X,CFM公司的LEAP,罗·罗(Rolls-Royce)公司的TrentXWB等多个型号发动机上开始应用。此类叶片的常用制造工艺多为热压罐固化预浸料法或树脂传递模塑成形(RTM)法。不过热压罐固化预浸料法的工艺成本相对较高,近年来通过对碳纤维三维编织后再以专门开发的树脂传递模塑成形(RTM)工艺制叶片的方法获得了较高的重视。

比较典型的如CFM公司LEAP发动机的风扇叶片(仅重4.2kg),斯奈克玛公司(SNECMA)在叶片制造中与AlbanyEngineeredComposites公司合作发展了一种碳纤维三维编织技术,比起传统的二维复合材料编织,它可以在多个方向(以及局部区域)上显著增强零件的强度;总长达数英里的碳纤维经过三维编织机编织后,再用水刀切削为精确的纤维预成形体,然后在RTM模具中注射树脂并进行热压固化,从而实现叶形毛坯件的成形。

这个叶片成型过程需要24h完成,此后再进行钛合金包边等并完成LEAP风扇叶片的最终加工和安装。除了树脂基复合材料外,轻金属基/陶瓷基复合材料(MMC)风扇叶片的研发也一直在深入开展,与CFRP叶片相比,MMC制作的叶片具有更好的比强度与比刚度,耐冲击(冰雹、鸟撞等外物打伤)和抗冲蚀(沙子、雨水等)能力也要更强。

例如,通用电气公司在F136发动机上的技术验证表明,SiC颗粒增强复合材料制作的低压涡轮叶片比以前的镍基合金叶片大幅减重,同时耐高温性好,减少了对冷却气体的使用,从而显著改善发动机的推力和使用效率。普惠公司也曾为PW4084发动机进行了基于碳化硅连续纤维增强钛基复合材料(TMC)的风扇叶片研究和试验工作,采用超塑成形/扩散连接工艺来制造空心叶片,其重量轻、刚性好、耐撞击破坏强度高,可使发动机的风扇级进一步减重。

纤维增强钛基复合材料的综合性能,如强度、高温性能等都比较好,因此在发动机上多种类型的零件都有较好的应用前景。不过,在为单通道飞机(如A320neo)开发最新的PW1217发动机上,普惠公司Hamilton Sundstrand 公司合作测试了3 种不同材料的风扇叶片:传统的钛合金、 复合材料和多种金属综合类型。测试后普惠公司指出, 对于单通道飞机而言, 风扇直径相对较小, 复合材料即使是三维增强型的复合材料叶片, 为了提高强度 (例如防鸟撞)也要做的相对较厚, 从而会降低发动机的气动性能。

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