航空发动机复合材料静子叶片研究进展
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摘要
航空发动机静子叶片作为压气机的关键部分,对整个航空发动机的性能有着重大影响。采用轻量化纤维增强复合材料叶片,对实现减重、大推重比、高燃油效率起到关键作用。首先介绍了纤维增强树脂基复合材料叶片的设计流程和设计技术进展,然后从静子叶片预成型、成型和切削加工三方面讨论了制造工艺研究状况,并强调了前期设计在航空发动机冷端一体化发展中的重要性,最后通过对国外几种典型复合材料叶片的成功应用案例和当前设计技术以及成型工艺的发展趋势的分析,凸显了2. 5D机织复合材料在未来航空发动机静子叶片发展中的地位,展望了航空发动机复合材料静子叶片的未来发展。
As a core component of compressor,the stator blades have decisive influence on the performance of aeroengine. Adopting fiber reinforced plastic composites in lightweight engine fabrication plays a key role in realizing weight reduction,large thrust-to-weight ratio and high fuel efficiency. This paper mainly presents the designing process and technical progress of fiber reinforced resin-based composite blades,and then reviews the related research on the manufacturing process of stator blades from three aspects: pre-forming,forming and cutting. In addition,underlining the importance of prophase design in the integrated development of aero-engine cold-end. Finally,by analyzing the successful foreign application of typical composite blades and according to the development trend of current design technology and molding process,the paper highlights the visible position of 2. 5 D woven composites in the development of aerospace engine stator blades in the future,and prospects for the future development of aeroengine composite stator blades.
As a core component of compressor,the stator blades have decisive influence on the performance of aeroengine. Adopting fiber reinforced plastic composites in lightweight engine fabrication plays a key role in realizing weight reduction,large thrust-to-weight ratio and high fuel efficiency. This paper mainly presents the designing process and technical progress of fiber reinforced resin-based composite blades,and then reviews the related research on the manufacturing process of stator blades from three aspects: pre-forming,forming and cutting. In addition,underlining the importance of prophase design in the integrated development of aero-engine cold-end. Finally,by analyzing the successful foreign application of typical composite blades and according to the development trend of current design technology and molding process,the paper highlights the visible position of 2. 5 D woven composites in the development of aerospace engine stator blades in the future,and prospects for the future development of aeroengine composite stator blades.
引文
[1]刘璐璐.二维三轴编织带缠绕碳纤维复合材料机匣包容性研究[D].杭州:浙江大学,2014.
[2]杨贵铭.浅析航空发动机关键技术[C]//航空发动机设计、制造与应用技术研讨会.贵州:2013.
[3]沈尔明,王志宏,滕佰秋,等.连续纤维增强复合材料在民用航空发动机上的应用[J].航空发动机,2013,7(2):90-94.
[4]罗益锋.国外碳纤维复合材料产业开发动向[C]//第十八届国际复合材料大会(18th ICCM).韩国济州岛:2011.
[5]陈巍.先进航空发动机树脂基复合材料技术现状与发展趋势[J]航空制造技术,2016(5):68-72.
[6]Lu Z X,Zhou Y,Yang Z Y,et al.Multi-scale finite element analysis of 2.5D woven fabric composites under on-axis and off-axis tension[J].Computational Materials Science,2013,79:485-494.
[7]Zhong Y,Le Q N T,Kureemun U,et al.Prediction of the mechanical behavior of flax polypropylene composites based on multi-scale finite element analysis[J].J Mater Sci,2017,52:4957-4967.
[8]杨强,解维华,孟松鹤,等.复合材料多尺度分析方法与典型元件拉伸损伤模拟[J].复合材料学报,2015,32(3):617-624.
[9]王浩.叶片流固耦合振动分析方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.
[10]Sanger N L.The use of optimization techniques to design controlled diffusion compressor blading[J].ASME J Eng Power,1983,105:256-265.
[11]Talya S,Jha R,Chattopadhyay A,et al.Development of multidisciplinary optimization procedure for gas turbine blade design[C]//Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.2006.
[12]S S Talya,J N Rajadas,A Chattopadhyay.Multidisciplinary optimization for gas turbine airfoil design[J].Inverse Problems in Engineering,2000,8(3):283-308.
[13]吴立强,尹泽勇,蔡显新.航空发动机涡轮叶片的多学科设计优化[J].航空动力学报,2005,20(5):795-801.
[14]周正贵.压气机/风扇叶片自动优化设计[M].北京:国防工业出版社,2013:5-7.
[15]迟雪,周正贵.高负荷超音压气机转子叶片优化设计[D].南京:南京航空航天大学,2014.
[16]李杰.GE公司复合材料风扇叶片的发展和工艺[J].航空工艺技术,2008(4).
[17]邵冠军.自动铺丝束CAD/CAE/CAM技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2006.
[18]李燕元,王小平,王志国,等.管道曲面构件自动铺丝路径规划[J].宇航材料工艺,2010,40(5):27-32.
[19]卢敏,周来水,安鲁陵,等.开曲面构件的多层铺丝路径生成算法[J].南京航空航天大学学报,2010,42(6):735-738.
[20]卢敏,周来水,王小平.一种基于投影法的铺丝路径优化生成算法[J].中国机械工程,2011,22(16):1993-1996.
[21]李静,杨彩云.2.5D芳纶机织物的结构设计与织造[J].产业用纺织品,2013(6):5-8.
[22]蒋云,朱建勋,张建钟,等.2.5维编织结构纤维体积含量的数值计算[J].纤维复合材料,2003,20(2):7-8.
[23]王新峰.机织复合材料多尺度渐进损伤研究[D].南京:南京航空航天大学,2007.
[24]董伟锋,肖军,李勇,等.2.5维编织复合材料弹性性能的理论研究[J].南京航空航天大学学报,2005,37(5):659-663.
[25]刘兆麟.2.5维编织复合材料的细观结构与弹性性能[J].纤维复合材料,2011(3):3-6.
[26]季乐,周光明,王新峰,等.基于Puck准则的2.5D机织复合材料压缩性能研究[J].航空计算技术,2016,46(1):23-26.
[27]刘浩龙.2.5维机织风扇静子叶片/机匣连接结构静强度分析方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2014.
[28]涂冰怡,赵明,商体松,等.航空发动机先进结构与关键制造技术[J].航空制造技术,2014,451(7):53-56.
[29]Ferreira Luz F,Amico S C,De L C A,et al.Applying computational analysis in studies of resin transfer moulding[C]//Defect and Diffusion Forum.2012:158-163.
[30]刘强,赵龙,黄峰.商用大涵道比发动机复合材料风扇叶片应用现状与展望[J].航空制造技术,2014(S):58-62.
[31]文友谊,文琼华,李帆,等.碳纤维增强树脂基复合材料微波固化技术[J].航空制造技术,2015,58(S1):61-64.
[32]马仁利,常新龙,廖英强,等.微波固化碳纤维/环氧树脂复合材料NOL环及其力学性能[J].高分子材料科学与工程,2016,32(3):96-101.
[33]刘维伟.航空发动机叶片关键制造技术研究进展[J].航空制造技术,2016(21):50-56.
[34]徐明.层合复合材料风扇机匣与叶片连接结构强度分析方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2014.
[35]张忠伟,魏莲珍,徐莹.大直径C/C开口弹性密封环的加工技术[J].航空制造技术,2013,434(14):57-60.
[36]李存尧.不同材料的静子叶片与机匣典型连接方案的分析评估[D].南京:南京航空航天大学,2015.
[37]张和善.复合材料与未来航空发动机[J].航空制造工程,1995,9(7):6-8.
[38]梁春华.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[J].航空制造技术,2008(4):32-37.
[39]宋超.航空发动机复合材料叶片设计及成形技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2014.
[40]Naeem M,Singh R,Probert D.Implications of engine deterioration for a high-pressure turbine-blade's low-cycle fatigue(LCF)lifeconsumption[J].International Journal of Fatigue,1999,21(8):831-847.
[41]李杰.LEAP-X发动机的创新性技术[J].航空科学技术,2011(4):12-14.
[2]杨贵铭.浅析航空发动机关键技术[C]//航空发动机设计、制造与应用技术研讨会.贵州:2013.
[3]沈尔明,王志宏,滕佰秋,等.连续纤维增强复合材料在民用航空发动机上的应用[J].航空发动机,2013,7(2):90-94.
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[5]陈巍.先进航空发动机树脂基复合材料技术现状与发展趋势[J]航空制造技术,2016(5):68-72.
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[14]周正贵.压气机/风扇叶片自动优化设计[M].北京:国防工业出版社,2013:5-7.
[15]迟雪,周正贵.高负荷超音压气机转子叶片优化设计[D].南京:南京航空航天大学,2014.
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[20]卢敏,周来水,王小平.一种基于投影法的铺丝路径优化生成算法[J].中国机械工程,2011,22(16):1993-1996.
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[38]梁春华.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[J].航空制造技术,2008(4):32-37.
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