碳纖維航空發動機葉片制造技術

復合材料模具

碳纖維航空發動機葉片制造技術

                                                                  ----請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棄之于沙漠中，卻去采購當前一代的后繼機型——這些機型重量更輕、油耗更低，這在很大程度上要歸功于復合材料的使用。這種現象表明航空運營商從很大程度上已經為在機身減重方面的投資做好了準備，同時也顯示了他們對類似波音B787 Dreamliner及空客A350 XWB等新機型的渴求——這些機型采用的增強塑料按重量占整個飛機結構的一半左右。

    人們或許對復合材料在飛機內飾方面的廣泛應用及其對二級及主要飛機結構不斷增長的貢獻耳熟能詳，但是未必清楚這種材料目前對發動機減重帶來的效果。雖然發動機的核心部件對復合材料來說通常溫度過高，但是溫度較低的運轉前端則是復合材料最主要的潛在應用領域，主要為尺寸較大的風扇及機匣。現代噴氣式發動機通過風扇使進入進氣道的空氣穿過發動機的外涵道，然后從發動機艙尾部噴出，通過這種方式形成發動機總推動力的70-90%。剩余部分則來自于內涵道——發動機真正的噴氣部分。后者還為風扇提供驅動力。風扇的作用類似于大型的螺旋槳，只不過它的葉片數量要多得多，旋轉速度也快很多。在最新推出的一些渦輪風扇發動機上，通過外涵道的空氣量最高約是通過內涵道本身空氣量的12倍，這個比例稱為涵道比。

    傳統上，發動機風扇葉片都是由金屬制成，通常是鈦金屬，但是今天，發動機制造商可以通過復合材料來大幅降低發動機的重量。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機體或飛機系統的發動機機匣，現在也可以采用復合材料來替代金屬或金屬復合材料混合物（通常是芳綸聚酰胺材料包覆在鋁合金外面）。風扇與機匣模塊重量的減輕還可以帶來連鎖的效應，使類似主軸軸承及連接發動機與機翼相連的吊架，以及相關的機翼結構都可以變得更輕。總體上說，每臺發動機約可以節省半噸或更多的重量，在今天航空油價居高不下的情況下，這種成效非常值得擁有。

    相比金屬來說，復合材料具有更高的耐久性，尤其其耐疲勞度更強，而且可以成型成不同形狀，非常接近3-D虛擬空氣動力模型。復合材料還具有很好的抗蠕變性，這種朝外延伸的現象通過出現在金屬葉片上，主要是由葉片在2500rpm左右（巡航模式下風扇的常見轉速）轉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計的時候就比應有的大，這樣才能保證發動機的最佳性能。

市場開拓者

    雖然羅爾斯·羅伊斯（Rolls-Royce）是復合材料風扇葉片應用的開拓者（后文將詳述），但是第一家成功將一架采用復合材料葉片的商用飛機推向市場的企業是美國飛機發動機制造商——通用電氣公司（GE）。最初的GE90發動機首次于1995年開始服役于英國航空公司的波音B777長程雙引擎廣體客機上。這款發動機的涵道比為8.4，風扇直徑為10英尺，共有22個寬弦風扇葉片組成。葉片采用通過高檔碳纖維增強的增韌環氧樹脂注塑而成。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。鈦合金保護還形成了一種采用復合材料很難成形的非常必要的鋒利邊緣。這種保護前緣還可以替換，回收后還可以重新混合使用。

     GE公司此前在復合材料葉片方面擁有長達25年的開發經驗，最早可追溯到NASA贊助的項目時期。該公司稱其GE90葉片承受了一整套嚴苛的測試，包括非常關鍵的Chicken-gun測試——將鳥的尸體射向工作中的發動機，來模擬高速運轉狀態下飛鳥的撞擊。測試獲得了積極的結果，這也與飛機在實際服役中對大量體形如白鷺及加拿大鵝般大小的飛鳥的真實撞擊結果一致。在這些情況下，飛機風扇并沒有受到太大的損壞。據GE公司表示，暴露于飛機油液（燃油、液壓油等）環境中的復合葉片樣品維持了95%的基本性能。真實使用情況顯示葉片對濕度的吸收和材料的疲勞度都非常低。在葉片脫落試驗中，葉片被快速剪切掉，然后通過離心率被迅速甩出去。試驗結果驗證了復合材料機匣的性能。
    GE90的升級版——GE90-115B目前是全球功率最強勁的渦輪風扇發動機，其樣品在試驗臺架上曾輸出12.8萬磅推力（發動機的額定推力為11.5萬磅）。另外一款小型發動機——GENx為中等容量遠程飛機開發，包括波音最新推出的最節油的B787客機，目前剛投入商業運營。在GE90葉片技術的基礎上，波音公司為B787開發了直徑為111英寸、18個葉片的復合材料風扇。該風扇使這架雙噴氣發動機飛機與如若采用金屬風扇發動機的機型相比重量減輕了700磅。
制造工藝
    葉片的制造商是CFAN公司——GE與法國發動機制造商Snecma（斯奈克瑪）的合資公司。生產是在位于美國德克薩斯州圣馬科斯市（San Marcos）的一家專門的復合材料零部件工廠內進行的。這家工廠至今已經生產了兩萬多個復合材料葉片，最初為GE90-115B發動機配套風扇葉片，最近幾年也為GENx發動機生產葉片。據改公司稱，其嚴格的制造流程確保了所生產的葉片無孔隙、折皺及其他瑕疵。
   
      E90葉片采用預制件方式制造，在每個葉根部分包含幾百層單向碳纖維預浸帶和織物。葉根部分的厚度達4英寸，然后逐漸變薄，直至葉尖部分厚度為0.25英寸。鋪層采用超聲波進行切割，每一層的形狀都事先通過計算機軟件生成。碳纖維層然后通過激光投影系統進行鋪設。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，當溫度設置為150°C左右，且施加一定固結壓力時，部件開始固化。最后，接近最終形狀的部件通過五軸CNC加工中心磨削至最終尺寸。
   
    為GENx發動機開發的風扇機匣是由GKN Aerospace Services公司位于阿拉巴馬州的飛機結構件工廠生產制造的。機匣由雙軸向和三軸向碳纖維及環氧樹脂織物組成，通過風扇套管工具編制完成。套管中間關鍵部分采用了額外的三軸向層，彼此按60°鋪設，使該部分比朝向尾端的部分更厚。這種全復合材料結構據稱要優于其他發動機普遍采用的Kelvar（芳族聚酰胺）與鋁合金復合的機匣系統，后者更容易積累潮氣，從而導致兩種材料的銜接處出現腐蝕現象。

。在今年的范堡羅航空展上，通用電氣航空（GE Aviation）公司稱其正在為計劃中的GE9X發動機開發第四代復合材料風扇葉片，該發動機將用于新一代波音B777飛機上，代號為B777X。該公司還在探究將風扇機匣與進氣道整合到一個一體化裝置里，從而進一步減輕重量的可能性。

                                                                                                         ----轉自復材網

rlb

可透露一下這種葉片的使用壽命多少小時嗎？

everywhere

謝謝分享！

wly124

中國什么時候能造出來？？？？？？？？？？？？？

hurilu2010

我公司都可以做出來，而且做出來可以達到噴了油的亮度，我公司好多產品做出來不用后處理，用模壓工藝更好，只是好多客人不關注我們小公司，有意者來電18664050309

benfrp

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

全世界基本沒公司做得出，你們卻做出來了，強！中國的的飛機本來就差勁了，發動機技術更是落后，你應該去航空研究院當老大了，不過，我想你會被當瘋子！
坦白的告訴你，聽你這么說，你是有一點抽真空的技術，有點RTM技術，有點模壓技術！只是皮毛，那發動機的溫度多高你知道嗎？中國內我相信沒有一膠水能工作在200度以上，更不要說在發動機中工作了！
你說你的產品不怎么后處理，最多不就是模具光一點！其實要達到A級表面差遠了！

hanjian3927

美帝確實強大啊

自在人心

我們公司也能做得出來，我們習總都說了。