GE航空公司通過F414渦扇發(fā)動機驗證機的旋轉(zhuǎn)低壓渦輪葉片成功試驗了世界上首個非靜子組件的輕質(zhì)陶瓷基復(fù)合材料（CMC）部件。該驗證機設(shè)計用于進一步驗證GE公司當前與美國空軍研究實驗室（AFRL）合作開展的下一代自適應(yīng)發(fā)動機技術(shù)驗證機（AETD）項目在高應(yīng)力工況下的耐高溫材料。

將旋轉(zhuǎn)的CMC部件引入發(fā)動機工作溫度最高、工況最惡劣的區(qū)域，代表了GE公司和噴氣推進工業(yè)領(lǐng)域的重大技術(shù)突破。在F414 CMC驗證機之前，CMC的成功應(yīng)用僅限于靜子件，如CFM公司研發(fā)用于空客A320neo、波音737MAX和中國商飛C919飛機的銷量最好的LEAP發(fā)動機的高壓渦輪罩環(huán)（shroud）。

F414 CMC試驗經(jīng)歷了500個嚴酷的循環(huán)，驗證了輕質(zhì)、耐高溫CMC材料制造的渦輪葉片的極強的耐高溫和耐久性能力，能夠?qū)⒃撓冗M材料廣泛用于GE公司自適應(yīng)循環(huán)戰(zhàn)斗發(fā)動機和下一代商用發(fā)動機。

由于CMC制成的旋轉(zhuǎn)渦輪葉片僅為高壓渦輪葉片上使用的傳統(tǒng)鎳基合金重量的1/3，因此，GE公司可以減小連接到CMC系統(tǒng)的金屬盤的尺寸和重量。GE航空負責CMC和先進聚合物基復(fù)合材料研究的總經(jīng)理Jonathan Blank表示，發(fā)動機中從鎳基合金到旋轉(zhuǎn)CMC是一個真正的巨大飛躍，但這是純機理。更輕的葉片導(dǎo)致更小的離心載荷，意味著輪盤、軸承和其他部件能夠更薄。CMC帶來了噴氣發(fā)動機設(shè)計的革命性的變革。

通用公司的F-136發(fā)動機(競標F-35)

GE公司的自適應(yīng)循環(huán)結(jié)構(gòu)是獨立地變革，將首次同時在靜子和轉(zhuǎn)子上采用CMC。2014年，GE公司完成了世界上僅有的自適應(yīng)、三涵道技術(shù)驗證機——自適應(yīng)多用途發(fā)動機技術(shù)（ADVENT）發(fā)動機的試驗。ADVENT發(fā)動機是世界航空史上首次同時采用CMC材料技術(shù)和從動力強勁的高壓、小涵道比戰(zhàn)斗機噴氣發(fā)動機向燃油高效的低壓、高涵道比商用發(fā)動機過渡的結(jié)構(gòu)技術(shù)。

ADVENT結(jié)合變革性結(jié)構(gòu)和材料的創(chuàng)新帶來了創(chuàng)紀錄的溫度和燃油效率。GE公司的AETD項目將建立在這些史無前例的推進能力上，實現(xiàn)相比當前最先進的第五代飛機燃油消耗量降低25%，航程增加30%，最大推力提高10%。

GE航空先進作戰(zhàn)發(fā)動機項目總經(jīng)理Dan McCormick認為，將CMC從靜子件向轉(zhuǎn)子件過渡的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是必須適應(yīng)相應(yīng)的應(yīng)力場。F414 CMC試驗的進步提供了自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機實現(xiàn)這一過渡的關(guān)鍵知識。CMC低壓渦輪葉片的重量將僅為其替換的金屬葉片重量的1/3，而且第二級CMC葉片不必空氣冷卻。由于當前并不是所有的葉片均需要壓氣機級中抽取的冷卻空氣，因此，當前葉片的氣動效率能夠更高。

Blank說：“更高溫意味著更多的冷卻空氣，這降低了發(fā)動機的總體性能和效率。通過降低部件的冷卻需求，發(fā)動機能夠氣動更高效，而且燃油也更高效。由于CMC材料的溫度能力比當前服役的軍民用發(fā)動機的傳統(tǒng)鎳基合金要高幾百攝氏度，因此，GE公司的自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機將比傳統(tǒng)發(fā)動機更具耐久性?！?/p>

自上世紀90年代早期開始研發(fā)以來，GE公司已經(jīng)投入了超過10億美元開展由碳化硅陶瓷纖維和陶瓷樹脂制成的CMC材料，由GE公司位于特拉華州和北卡羅來納州的工廠通過高度復(fù)雜的工藝制造，并進一步通過獨有的涂層來進一步增強性能。GE公司位于特拉華州紐瓦克的小型CMC生產(chǎn)工廠制造了用于F414試驗的渦輪部件。GE公司位于北卡羅來納州阿什維爾的大型生產(chǎn)工廠將生產(chǎn)LEAP發(fā)動機的靜子部件。

譯/張小偉 中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心

轉(zhuǎn)載請注明：北緯40° » GE成功試驗下一代航空發(fā)動機首個陶瓷基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)件