陶瓷基复合材料(CMC)在航空发动机上的应用

2015-8-31 14:27| 发布者: 安丰贞| 查看: 1640| 评论: 0|来自: 航空制造网

摘要: 随着民用航空业对提高燃油效率的不断追求,GE航空预计在今后十年CMC的应用将增长十倍,主要原因是CMC不像金属那样在热端部件工作时需要气冷,从而提高发动机推力和效率。
      据Composites World 网站2015年7月31日报道]随着民用航空业对提高燃油效率的不断追求,GE航空预计在今后十年CMC的应用将增长十倍,主要原因是CMC不像金属那样在热端部件工作时需要气冷,从而提高发动机推力和效率。GE公司的第一个进入服役的CMC零件是LEAP发动机第一级高压压气机罩。该零件采用SiC/SiC材料,使用GE公司特有的CMC制造工艺在美国阿什维尔工厂生产。该工厂还制造GE9X发动机内外燃烧室衬套和第一及第二级喷嘴。

       这些零件不仅减少气冷需求,而且改进了耐久性。阿什维尔工厂制造完成的零件将转入先进陶瓷涂层厂(该厂由意大利表面处理专业公司Turbocoating运营)喷涂GE专用EBC涂层防止零件表面侵蚀。预计第一个零件于今年末交付。今年2月,GE公司在F414发动机上成功试验了CMC旋转零件。公司还计划探索CMC在直升机发动机和在燃气轮机和电力压气机上的应用。

          罗罗公司2013年在Trent 1000试验发动机以及环境友好发动机(EFE)项目中研究试验了SiC/SiC高压涡轮叶片,然后又进行了SiC/SiC外罩部件试验。叶片试验显示可减少重量50%。罗罗公司的先进和超风扇发动机计划将实现更高的压比,这意味着零件运行在更高温度下且增加NOx排放量,通过增加CMC的使用范围可以缓解这些问题。公司明确表示将在静态零件中使用CMC材料,如喷嘴,高压涡轮零件。

        普惠公司认为CMC用于静态零件不足以显示其价值,因此公司未来将集中精力研究CMC在旋转涡轮叶片和燃烧室中的应用。2010年普惠加拿大公司在PW200系列旋翼飞机发动机上测试了CMC燃烧室件,相对于金属零件在大功率下实现NOx排放量减少30%,小功率下CO减少20%的目标。该专利申请号为US 2014/0311152 A1,专利描述了CMC环形燃烧室的组成。虽然该燃烧室工作在最高温度下,但不需要冷却空气,因而不需要成形后进行复杂的冷却孔加工。2015年,公司展示了Ox/Ox材料制成的燃烧室模压件的热应力计算分析结果。它分析了平面和曲面板件以及360°环形件,以及它们潜在的问题,如在温度转变时边缘处分层、在温度相对低处的拉伸断裂以及伴随纤维弯折在热端和边缘形成的压力损伤。但是,研究表明增加绝缘层可减少应力。

        赛峰公司的子公司Herakles,已经开展了一系列CMC零件研究,目的是应用于2020-2030年下一代LEAP和赛峰设计的新型发动机上。2015年6月16日公司宣布它研制的第一个CMC零件——SiC尾喷管在民用喷气机上首飞。该零件与CFM56试验发动机的涡轮框后法兰相连接,与短舱有一个接合面,由中心体和一复杂的叶状混合器组成。混合器将发动机排出的热气和涵道的冷气进行最优混合,提高发动机排气系统输出量和效率。该零件长1625mm,直径为655mm,重24.5kg。2015年4月22日该零件获得欧洲航空安全局(EASA)认证可在民用飞机上使用。此外,公司还完成了其它新型民用航空发动机应用的验证,如原型CMC混合器在CFM56-5C发动机上进行地面试验,在空客直升机上进行了飞行试验;CMC后缘整流罩在A380发动机挂架上进行了飞行试验;CMC低压涡轮叶片在CFM56上进行了地面试验。

        NASA主要开展成熟的CMC应用研究,包括SiC/SiC燃烧室衬套、SiC/SiC高压涡轮导向叶片,以及Ox/Ox尾喷管在其环境可靠航空项目(ERA)中的应用。这个6年期项目的第二阶段,随着2015年各项技术集成技术验证要达到技术成熟度6级水平而达到顶峰。应用于燃烧室和导向叶片的先进环境保护涂层(EBC)正在开发中,目标是表面耐温达到1482°C,同时尾喷管服役温度目标是816°C。

       2014年夏,波音借助于CLEEN项目成功进行了Ox/Ox尾喷管地面和飞行试验。结果显示CMC相比镍具有更好的热性能,在816°C时噪声性能与金属相当或稍好。波音公司计划进一步优化设计,2015年将与罗罗公司、Orbital ATK公司、Albany 工程复合材料公司等合作将技术成熟度提高到7。与波音一起开发CLEEN喷嘴的CMC基体的AEC公司,还开展了CMC和3D编织复合材料组合技术能力研究,进一步改进零件韧性。 2014年,Composites Horizons公司在获得GE公司Passport 20发动机(庞巴迪7000和8000超远程商务机)喷嘴零件合同后,新增加了一个3252m2的CMC专业厂,并引进新的热压罐、烧结炉和CNC设备。(中国航空工业发展研究中心 任晓华)

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