后掠大流量宽弦风扇叶片技术综述（一）

    新型风扇叶片的优越性

    GE公司研发的新型弯曲前缘后掠大流量宽弦复合材料风扇叶片使现代涡轮风扇发动机的风扇叶片达到了一个新的水平。应用新复合材料技术使GE90系列发动机更轻、燃油效率更高，风扇叶片在服役中的表现优异，运转效率更高、噪声更低。

    用碳纤维复合材料制造的风扇叶片比钛合金夹芯结构的风扇叶片轻，在抗振特别是抗颤振性能方面也优于钛合金，抗鸟击能力和低噪声指标也获得适航当局的合格批准。装有高韧环氧复合材料风扇叶片的GE90发动机已装于波音777飞机，并在1995年投入航线运营使用。此项技术在十多年的使用时间里表现出色，无需例行的在役维护。

    新型弯曲前缘后掠式大尺寸风扇有许多优势，如可设计较低的风扇转速、减轻风扇重量和改进气动特性等，从而提高了发动机的涵道比，降低了噪声。同时弯曲前缘后掠式宽弦风扇叶片结构可使外来物通过风扇叶片的离心作用而被甩入风扇涵道，防止其进入低压压气机，增强了发动机的抗外物损伤能力。这也是弯曲前缘后掠式宽弦风扇叶片结构广泛应用于新型大型涡扇发动机上的主要原因。

    除GE公司的GE90和GEnx发动机外，各新型发动机如发动机联盟（由GE和P&W携手组成）研制的GP7200发动机和英国R·R公司研制的TRENT900和TRENT1000发动机的风扇叶片虽然材料各异，但形状都是弯曲前缘后掠式宽弦结构。

    在新型大推力涡轮风扇发动机上应用该项新技术，为新一代宽体和大型飞机的用户所带来的是更高的效率、更低的运营成本、更大的收益、同时继续保持高水平的安全性和可靠性。

    在新一代发动机GEnx上的发展

    新型弯曲前缘后掠大流量宽弦复合材料风扇叶片技术在GE公司的新一代涡轮风扇上获得了进一步的发展。与GE90发动机相比，新一代GEnx涡轮风扇发动机的风扇叶片数更少（GE90-115B有22片风扇叶片，而GEnx的风扇叶片数为18个），进一步降低了风扇的重量同时叶片运转效率也更高。由于降低了滑过风扇叶片的空气阻力，因而发动机的噪声也更低。GEnx在叶片燕尾板处还使用了特氟隆耐磨垫。

    由于复合材料风扇叶片可以减重，GE公司要求GEnx发动机的风扇机匣也采用复合材料，但早期试用单缠绕的复合材料机匣的强度不够高，后改用复合材料纤维编织法制成的编织品，在编织品中心铺上第三编织层使强度问题得以解决。机匣采用这种3/10英寸（0.76cm）厚的三轴编织物与二维编织物混编的编织物技术制成。编织采用了自动化工艺。

    复合材料风扇机匣源于GE在波音787的前身“音速巡航者”的开发工作，采用了100多块壁板进行冲击试验以验证设计；试验表明，复合材料风扇机匣对外物的抗打伤能力超过了铝机匣。

    作为世界上唯一采用复合材料风扇机匣和风扇叶片的涡轮风扇喷气发动机，GEnx的耐久性更高，重量更轻，使用成本更低，其噪声水平优于目前投入使用的任何一型GE民用发动机。另外，GEnx还采用了一种新型燃烧室，通过提高点火前的油气混合效率，大幅降低了氮氧化物（NOx）的排放水平。

    GEnx是GE公司最可靠、最畅销的宽体飞机发动机CF6系列的新一代后继型涡轮风扇发动机，与CF6发动机相比，GEnx极大地改善了油耗和有效载荷性能，现已被正在研制的3种新型宽体飞机选作动力装置，目前订单数已超过800台。

    GEnx发动机的成功很大程度上归功于其技术品质，以及波音777飞机使用的GE90发动机在全球的出色表现。正是在这个GE90发动机的衍生型发动机上，GE公司将复合材料技术推向了极致。

    金属基复合材料风扇叶片

    美国P&W公司在复合材料风扇叶片的研究上走了一条与GE公司不同的道路，他们正在研制的一种新型复合材料风扇叶片即连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料风扇叶片。碳化硅纤维增强的钛基复合材料可使风扇叶片的强度提高50%，硬度也比普通的钛合金更高。

    碳化硅纤维增强钛基复合材料空心叶片是一种用超塑成形/扩散连接工艺制成的风扇叶片，其重量轻、刚性好、耐撞击破坏强度高，可使发动机的风扇级再减重约14%。

    金属基复合材料风扇叶片的制造过程如下：

    首先将碳化硅纤维(SCS-6)和钛合金(Ti-6Al-4V)制成钛面板，经X射线、超声波、金相和尺寸检查合格后将它加工成楔形板，再用超塑成形/扩散连接工艺将它制成成形板。

    然后对成形板进行尺寸和无损检测，以确保金属基复合材料有效连接和成形、内部无缺陷、表面无裂纹、增强纤维无任何变化，并保证蒙皮与芯板的连接缝、扩散连接面的连接质量。

    再将检查合格的成形板，按风扇叶片尺寸要求制成叠板组件，用超塑成形/扩散连接工艺成形。

    叶片蒙皮厚度从根部到叶尖递减。蒙皮的制造方法是将单向排列的SCS-6纤维与钛交织成织物(用钛箔控制纤维间隔)按照厚度要求确定蒙皮层数，最后在热等静压罐内扩散结合。

    （全文完）