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中国复合材料叶片研制成功 将应用于C919国产发动机

2020-01-17 15:20:41 41

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C919客机将会换装国产新一代大涵道涡扇发动机

 近日江苏新扬新材料股份有限公司“航空航天用高性能复合材料及结构件的关键技术研发与产业化”江苏省科技进步一等奖,在该公司的先进事迹之中提到他们参与研制的复合材料风扇叶片已经进入试制件生产阶段,标志着中国已经掌握了这个关键技术,为国产大涵道比涡扇发动机性能升级打下了坚实的基础。

根据江苏新扬公司透露的信息,国产复合材料风扇叶片将会用于CJ系列大涵道发动机,包括CJ1000A发动机,后者是C919客机配套发动机,CJ1000A换上复合材料风扇叶片之后,性能更好,耗油率更低,可以让C919客机性能向前再迈进一步,有效增强了客机在国内外市场的竞争能力。

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C919客机现在采用进口的LEAP-X1C发动机

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它采用了复合材料风扇叶片

对于大涵道比涡扇发动机来说,风扇叶片是关键部件之一。它的作用就是将空气吸入,为燃烧室提供源源不断能量,所以风扇叶片性能好坏很大程度决定着发动机性能。从涡扇发动机原理我们可以知道,发动机涵道比越大,油耗越低,因此现代民用客机发动机涵道比呈现增加趋势。不过这样就产生一个问题,那就是发动机涵道比越大,风扇直径相应也会增加,重量随之上升,根据相关资料,风扇质量已经占据到发动机整机重量三分之一左右。风扇重量增加之后,还会带动机匣、传动系统重量上升,飞机机体和结构重量也要跟着增加,结果致飞机结构重量提高,降低飞机经济性。这样就产生一个矛盾,想提高涵道比必须采用更大风扇叶片,但是更大风扇叶片又意味着更大的重量,又会影响飞机经济性,为了解决这个问题复合材料叶片就出现了。

复合材料叶片顾名思义就是叶片采用碳纤维制成,由于碳纤维比金属轻的多,所以复合材料叶片重量要比金属叶片也要轻的多。例如比现有钛合金叶片轻一半左右,效果可以说非常显著。根据相关资料,C919客机的LEAP发动机就采用了复合材料叶片,发动机重量比采用钛合金叶片的发动机减少接近500公斤,加上机体降低重量,飞机结构重量降低1000公斤左右,这对于客机来说会产生非常大经济效益。另外一方面复合材料也要比金属更好加工,更容易制成复杂曲面,这样叶片工作的时候会更加贴和气流,提高工作效率。相比较之下金属叶片加工成复杂曲面就非常困难,从而降低发动机工作效率。不过风扇叶片工作的时候高速旋转,还要承受外力冲击,对于叶片强度、刚度要求较高,难度非常大。当年罗罗公司研制复合材料叶片迟迟未能取得突破,一度处于破产的边缘,英国政府不得不将它国产化。罗罗公司是现代民用航空发动机三大巨头之一,研制复合材料叶片都如此艰难,其中难度可想而知。

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国产CJ1000A涡扇发动机,它将用于C919客机

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CJ1000A结构示意图,它采用钛合金风扇叶片


        中国相关单位研制第一代国产大涵道比涡扇发动机的时候,考虑到国内碳纤维水平、复合材料叶片研制难度,所以没有采用复合材料叶片,仍然采用了钛合金叶片。随着国内碳纤维技术提高,已经能够量产T800级别碳纤维,从而研制国产复合材料叶片打下了坚实的基础。而江苏新扬新材料股份有限公司通过引进技术组建专业团队,突破了一系列技术难关,获取大量的数据,为国产复合材料叶片工程化铺平了道路。

        国产复合材料叶片研制成功之后,将会替代现有钛合金叶片,提高国产大涵道涡扇发动机性能,从而进一步推动国产客机、运输机性能升级。