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GE成功试验下一代航空发动机首个陶瓷基复合材料旋转件

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GE航空公司通过F414涡扇发动机验证机的旋转低压涡轮叶片成功试验了世界上首个非静子组件的轻质陶瓷基复合材料(CMC)部件。该验证机设计用于进一步验证GE公司当前与美国空军研究实验室(AFRL)合作开展的下一代自适应发动机技术验证机(AETD)项目在高应力工况下的耐高温材料。

将旋转的CMC部件引入发动机工作温度最高、工况最恶劣的区域,代表了GE公司和喷气推进工业领域的重大技术突破。在F414 CMC验证机之前,CMC的成功应用仅限于静子件,如CFM公司研发用于空客A320neo、波音737MAX和中国商飞C919飞机的销量最好的LEAP发动机的高压涡轮罩环(shroud)。

F414 CMC试验经历了500个严酷的循环,验证了轻质、耐高温CMC材料制造的涡轮叶片的极强的耐高温和耐久性能力,能够将该先进材料广泛用于GE公司自适应循环战斗发动机和下一代商用发动机。

由于CMC制成的旋转涡轮叶片仅为高压涡轮叶片上使用的传统镍基合金重量的1/3,因此,GE公司可以减小连接到CMC系统的金属盘的尺寸和重量。GE航空负责CMC和先进聚合物基复合材料研究的总经理Jonathan Blank表示,发动机中从镍基合金到旋转CMC是一个真正的巨大飞跃,但这是纯机理。更轻的叶片导致更小的离心载荷,意味着轮盘、轴承和其他部件能够更薄。CMC带来了喷气发动机设计的革命性的变革。

F-136
通用公司的F-136发动机(竞标F-35)

GE公司的自适应循环结构是独立地变革,将首次同时在静子和转子上采用CMC。2014年,GE公司完成了世界上仅有的自适应、三涵道技术验证机——自适应多用途发动机技术(ADVENT)发动机的试验。ADVENT发动机是世界航空史上首次同时采用CMC材料技术和从动力强劲的高压、小涵道比战斗机喷气发动机向燃油高效的低压、高涵道比商用发动机过渡的结构技术。

ADVENT结合变革性结构和材料的创新带来了创纪录的温度和燃油效率。GE公司的AETD项目将建立在这些史无前例的推进能力上,实现相比当前最先进的第五代飞机燃油消耗量降低25%,航程增加30%,最大推力提高10%。

GE航空先进作战发动机项目总经理Dan McCormick认为,将CMC从静子件向转子件过渡的一个关键挑战是必须适应相应的应力场。F414 CMC试验的进步提供了自适应循环发动机实现这一过渡的关键知识。CMC低压涡轮叶片的重量将仅为其替换的金属叶片重量的1/3,而且第二级CMC叶片不必空气冷却。由于当前并不是所有的叶片均需要压气机级中抽取的冷却空气,因此,当前叶片的气动效率能够更高。

Blank说:“更高温意味着更多的冷却空气,这降低了发动机的总体性能和效率。通过降低部件的冷却需求,发动机能够气动更高效,而且燃油也更高效。由于CMC材料的温度能力比当前服役的军民用发动机的传统镍基合金要高几百摄氏度,因此,GE公司的自适应循环发动机将比传统发动机更具耐久性。”

自上世纪90年代早期开始研发以来,GE公司已经投入了超过10亿美元开展由碳化硅陶瓷纤维和陶瓷树脂制成的CMC材料,由GE公司位于特拉华州和北卡罗来纳州的工厂通过高度复杂的工艺制造,并进一步通过独有的涂层来进一步增强性能。GE公司位于特拉华州纽瓦克的小型CMC生产工厂制造了用于F414试验的涡轮部件。GE公司位于北卡罗来纳州阿什维尔的大型生产工厂将生产LEAP发动机的静子部件。

译/张小伟 中国航空工业发展研究中心

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