纤维增强树脂基复合材料部件在航空涡扇发动机上的应用

随着气动热力学、结构力学和材料科学等的飞速发展，较高的性能、良好的经济性、极好的环保特性和很高的可靠性已经成为运输机用大涵道比涡扇发动机研制的主要目标，而较高的推重比、较低的油耗、较少的信号特征、极高的可靠性已经成为战斗机用小涵道比加力涡扇发动机研制的主要目标。

研究表明，在不改变目前航空涡扇发动机结构布局的前提下，上述目标要想取得突破，创新的材料和新颖的结构方案是极其关键的因素。树脂基复合材料以其具有：（1）制件质量轻、强度高，具有突出的比强度和比模量；（2）制件成型方便，成本较低；（3）成型工艺成熟等明显优势，并已经成为航空涡扇发动机设计与制造商所青睐的高性能冷端部件的重要候选材料，已经广泛地应用在大涵道比涡扇发动机和小涵道比加力涡扇发动机的外涵机匣、转子叶片、静子叶片、包容机匣以及发动机短舱和反推力装置等部件上。

纤维增强树脂基复合材料部件的开发和应用

纤维增强树脂基复合材料在航空涡扇发动机上的应用研究始于20世纪50年代。目前，英国的R·R公司、美国的GEAE公司和P&W公司、德国的MTU公司和法国的SNECMA公司都进行了大量的开发和验证工作，也都取得了很大的进展，已经将树脂基复合材料成功地应用到部分大涵道比和小涵道比航空涡扇发动机上。

1 GEAE公司

为了减轻发动机质量，降低生产成本，GEAE公司已经将先进的纤维增强树脂基复合材料应用到航空涡扇发动机的较多低温部件中，如外涵机匣、风扇转子叶片、包容机匣。公司还进行了应用于静子叶片、风扇框架、整流罩、叶冠等部件的大量开发和研究工作。

（1）外涵机匣。

20世纪70年代，在NASA赞助的安静清洁短途试验发动机（Quit Clean Short Haul Experiment Engine）研究计划下，GEAE公司开发了PMR-15聚酰亚胺树脂基复合材料外涵机匣，积累了一些经验和数据。20世纪70年代末、80年代初在空军材料试验室合同（F3361578-C-5086）下，GEAE公司作为主合同商与Rohr工业公司合作，选择TF34发动机的复杂的多种金属复合而成的机匣，验证了涡扇发动机复合材料风扇机匣低成本制造技术。

20世纪80年代，GEAE公司在NASA和美国海军的资助下，按照NAS3-21854号合同，选择碳纤维增强的PMR-15聚酰亚胺树脂基复合材料设计、制造和验证了F404发动机外涵机匣。F404发动机复合材料外涵机匣的壳体由实心复合材料层板组成，两端分别与钛合金法兰边铆接；所选的材料为联合碳化物公司的T300纤维织成的石墨纤维布，再用PMR-l5为基体的化学制剂浸泡制造外涵机匣的基本原理是在1个钢制圆筒模具外表面上，用真空热压袋制出圆柱形碳纤维增强的PMR15复合材料层压板壳。圆筒模具要便于铺设Gr/PMR预浸料，并且要保证完成的零件流道表面与模型一致。根据不同的强度、刚度和结构要求，层压板在厚度、材料方向上要有各种变化。成型之后，外涵壳体要切成上下2个半圆筒体，前后钛安装边铆接到位，纵向复合材料安装边及其他所有零件都装上，组成一台外涵机匣。经试验验证，该机匣满足了设计要求，并成功地替代了F404发动机的原钛合金机匣。经试验和使用验证，与原钛合金机匣相比，F404发动机复合材料外涵机匣质量。