商用航空发动机先进复合材料风扇叶片研究进展
■ 文/王晓亮1 刘志真2 纪双英2 张卫方1
1.北京航空航天大学
2.北京航空材料研究院
现代商用飞机“飞得更高、更快和更安静”的需求，对发动机的动力和效率提出了新的要求。在气动设计技术、结构设计技术和复合材料技术发展的基础上，大涵道比商用发动机应用复合材料风扇叶片，可以进一步提高商用飞机的推重比和燃油效率，降低噪声和有害气体排放，增加舒适性和经济性。
一、复合材料转子叶片的研究进展
飞机为了增大发动机的涵道比和效率，必须采用更大尺寸的风扇，这使得风扇段的质量占发动机总质量的比例增加。例如，通用电气（General Electric Company，GE）公司的C F6-80C2发动机，主要用于
B o e i n g747-400、767-200/300和空
客A330-200/300，其涵道比为5:1，
风扇质量占C F-6发动机总质量的
20%；GE公司最新研制的GEnx-1发
动机涵道比为10:1，风扇质量占发动
机总质量的30%；下一代单通道飞机
用的发动机需要更高的涵道比以及
更大的风扇尺寸，风扇段质量大约为
2722kg，占发动机质量的35%。
因此，降低风扇段的质量是降低
发动机质量和提高发动机效率的一
个关键手段，采用更大、更轻风扇部
件的趋势是未来发动机应用复合材
料的一个重要的驱动力。叶片每减少
1k g，风扇机匣需要相应地减少1k g，
传动系统也将减少1k g，同时，发动机
结构和飞机的机翼/机身结构分别减
少0.5k g，因此，这种由于风扇结构减
重引起的叠代效应对飞机减重非常
重要。采用复合材料可以减轻风扇及
发动机质量，提高比刚度、疲劳性能、
损伤和缺陷容限等，发动机采用先进
复合材料是同时实现更高涵道比和
减重的唯一途径[1]，这也为扩大复合
材料在发动机上的用量提供了最大
的机遇。
与金属钛合金叶片相比较，复合
材料叶片具有以下一些明显优势：复
合材料叶片数量比钛合金叶片数量减
少50%，减轻质量66%；高效率、低噪
声；较低燃油消耗率；在抗振特别是
抗颤振方面，优于钛合金叶片；抗鸟
撞能力得到了适航当局的认可。
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目前，复合材料叶片制造和应用技术在国外商用发动机上已趋于成熟，如应用复合材料的G E90发动机（图1）已经成功累计飞行800万小时。复合材料风扇叶片从第二代掠形风扇转子叶片（预浸料类）发展到第四代（3D编织+RTM成形，RTM成形是一种闭模液体成形技术，该工艺避免了预浸料法的原材料准备、质量控制、储存和铺层等工序），并且在下一代的新型发动机上也将被采用。下面对第二代、第三代、第四代复合材料风扇转子叶片的技术创新、持续改进和实际应用等3个方面分别进行简单介绍。
1.第二代掠形复合材料风扇转子叶片
采用预浸料成形第二代掠形大流量宽弦复合材料风扇转子叶片的典型发动机是GE90发动机。
随着复合材料技术的发展，复合材料叶片技术在20世纪90年代已日趋成熟。1991年12月份，美国G E公司和法国S N E C M A公司各自出资50%成立了CFAN合资公司，开始为GE90发动机生产宽弦复合材料风扇叶片。1995年，装载了G E90复合材料风扇叶片的波音777飞机正式投入航线运营使用。G E90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，噪声更低[2-3]，G E公司研发的这种新型掠形复合材料风扇叶片使现代涡扇发动机的风扇叶片达到了一个新的水平。
G E90-115B发动机用复合材料叶片是综合考虑空气动力学、航空力学、低周疲劳循环和高周疲劳循环等因素而制备的，复合材料风扇叶片高1.219m，叶根宽0.304m，弦长0.61m，风扇转子直径3242m m，风扇叶尖速度达360～390m/s。该叶片是由400层8551-7/IM7（Hexcel
公司提供）的增韧环氧/碳纤维预浸
带制成，从叶根到叶尖逐渐减薄。叶
片压力面涂有聚氨酯防腐涂层，叶片
吸力面涂有一般的聚氨酯防护涂层，
为了防止工作中复合材料叶片胶层
开胶，在前缘增加钛合金包边，钛合
金包边用3M A F191胶进行粘接，
而在叶尖和后缘处用芳纶细线进行
缝合，叶片根部的三角形榫头承受
压力的面涂有低摩擦系数的耐磨材
料。经过11年的运行，累计890万小
时的飞行，G E90-115B发动机仅有
3片复合材料叶片被更换下来，这证
明复合材料叶片适用于严格的商业
飞行需求。另外，复合材料叶片低密
度的优点使复合材料实心叶片比当
时流行的钛合金空心叶片轻66%、而
强度高100%。
GE90发动机用第二代后掠宽弦
复合材料叶片主要采用IM7/8551-7
预浸料热压成型，22片叶片质量约为
349kg，大约占发动机总质量的8%。
IM7/8551-7复合材料的特点如下：
中模量碳纤维；高温固化环氧树脂
（177℃），长期使用温度93
。
C；极其优异
的韧性和损伤容限。IM7/8551-7复合
材料室温冲击后压缩强度性能如表1。
G E90发动机复合材料叶片主要
试验和认证为：疲劳——高周疲劳和
图1 GE90发动机及其复合材料风扇叶片
表1 IM7/8551-7复合材料室温冲击后压缩强度性能(准各向同性铺层)
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低周疲劳；可操作性——喘振和旋转失速裕度，叶片振动；自动除冰系统；吞鸟试验——2.5磅、5.5磅和8磅的单鸟及鸟群；外物吞咽试验——冰雹、水和冰块；叶片包容性试验；过载试验——2倍过载，即超速141%；雷击试验。
G E90发动机复合材料叶片主要检测要求为：全部的无损检测；楔形榫槽耐磨性及防腐蚀性能检测；吸湿量的检测。
GE90服役11年，1998年10月4号选择Gray Heron（~3 lbs）进行单个鸟撞试验，2002年9月9号选择Canadian Goose（~8 lbs）进行鸟群吞入试验，发动机均能正常工作。实验结果表明，吞入单个鸟或鸟群对复合材料叶片影响并不大。经过一定载荷条件破坏后，GE90发动机复合材料叶片主要测试要求为：低周疲劳循环后的剩余强度；高周疲劳循环后的剩余强度；剩余静强度；通过显微图像检测不能目视的破坏面积；叶片在一定载荷条件下的吸湿量；频率和外形变形尺寸。
G E90-94B为B o e i n g 777提供动力的最可靠的发动机，与同类产品比较，燃料效率提高20%，有害气体（N O x）排放量降低85%，噪音降低55%，维护成本降低16%，飞行可靠性提高50%，航程增加19%。G E90-115B 与G E90-94B相比较，推力增加22%，载重增加6%，维护成本和可靠性与GE90-94B基本相当。
2.第三代掠形复合材料风扇转子叶片
采用预浸料成形第三代掠形大流量宽弦复合材料风扇转子叶片的典型发动机是GEnx发动机（图2）[4-5]。
GEnx发动机（GE公司）为Boeing 787和747-8等飞机提供动力，在材料（I M7/8551-7）和热压成形工艺不变
的情况下，提高了G E90叶片技术。与
G E90发动机相比较，G E n x发动机最
明显的特征是包容环和某些导管也采
用复合材料，这使得复合材料在发动
机上的用量进一步加大[6-7]。
GEnx发动机为波音787提供动
力，其优越性表现在：发动机仅包含18
片复合材料叶片，只有CF6-80C2的一
半；航程增加20%；降低50%的NO x排
放和着陆噪声；燃油效率提高20%；与
CF6-80C2推动的767-300ER相比，每
架飞机每年节约640 000加仑燃油。
目前，GEnx发动机使用998kg复
合材料，大约占发动机总质量的15%。
GE公司考虑在GEnx发动机上使用更
多的复合材料，包括转子叶片、风扇、
后风扇机匣、导流叶片和其它的传动
部件，GEnx发动机通过将这些部件改
用复合材料，预计每台GEnx发动机能
够再减轻质量136kg。
此外，飞机风扇叶片采用复合材
料，可以减少冒罩的联动装置，提高吸
入气流的效率；叶根燕尾状、可活动
的连接处加T e f l o n耐磨层。由于其摩
擦系数低，不需要润滑剂，正常的维护
仅需要目视检查。
3.第四代掠形复合材料风扇转子
叶片(3-D编织经RTM成形类)
采用3-D编织、经R T M成形第
四代掠形大流量宽弦复合材料风扇
转子叶片的典型发动机是L E A P-X
发动机[8]。
进入2000年以来，航空发动机对
高损伤容限复合材料的强烈需求牵引
着复合材料技术的迅速发展。以G E90
和GEnx发动机复合材料叶片为例，其
采用预浸料技术，仅仅通过提高树脂
的韧性达到提高复合材料损伤容限的
目的。随着复合材料设计技术、三维编
织技术、RTM树脂及其增韧和定型技
术、复合材料虚拟制造和复合材料考
核验证等技术的不断成熟，这些先进
技术驱动着发动机用复合材料不断地
创新并在航空制件中得到广泛应用，
如LEAP-X1C发动机（图3）最显著的
特征就是采用3D编织结构的R
T M液
态成形技术制备的叶片和包容环。
图2 GEnx发动机及其复合材料风扇叶片
Advanced Materials Industry 38
LEAP-X1C发动机RTM复合材料叶片具有3D编织经R T M成形、良好的安全寿命、掠形宽弦叶片、减重、降噪、维护成本降低的特点。L E A P-X1C发动机复合材料包容环则具有3D编织和液态（RTM或RFI）成形、减重、降噪、优异的抗疲劳特性特点。
L E A P-X1C发动机同时采用液态成形技术制备的叶片和包容环，每台发动机将减轻质量450kg，CFMI公司声称“没有先进材料，就不可能制造出这种发动机”。
2008年7月13日，CFMI公司在第46届法恩巴勒航展开幕前一天，发布启动了新一代动力装置L E A P-X发动机，作为B737/A320系列飞机的配置。与C F M I目前主流生产的“技术嵌入”式发动机C F M56系列（目前安装在空客A320系列飞机和波音737N G 系列飞机）相比，L E A P-X这一先进的下一代发动机燃油消耗可减少16%，二氧化碳排放量可减少16%，氮氧化物排放量不足其60%，且更为安静。LEAP-X发动机采用SNECMA公司研制的先进碳纤维复合材料风扇叶片以及通用电气公司研制的先进陶瓷基复合材料涡轮部件。
2008年11月4日，LEAP-X发动
机在第7届中国国际航空航天博览
会上首次公开亮相。根据研制计划，
LEAP-X发动机将于2012年总装首台
验证机，2016年取得适航证。2009年，
LEAP-X发动机的核心及和风扇已经
完成气动机性能试验，开始进行整机
测试。
2009年12月21日，在中国总理温
家宝、法国总理弗朗索瓦.菲永的共
同见证下，中航工业商用飞机发动机
有限责任公司与CFMI公司在北京签
订谅解备忘录，计划在中国合资建立
用于LEAP-X1C发动机总装和试车
的生产线。LEAP-X1C发动机将拥
有18片风扇叶片，其数量比CFM56-
5C减少一半，是CFM56-7B的3/4。
LEAP-X1C发动机与目前最好的
CFM56发动机相比较，具有以下优
点：降低噪声10～15dB，比目前规范
降低50%；节省燃料20%；减少叶片数
量，维护成本降低10%；按照2008年
的规范，N O x气体排放量降低60%。
L E A P-X发动机的吞鸟/鸟撞测试
按照3Q2008完成。
随着复合材料技术的不断进步和
创新，复合材料叶片也在不断进行持
续创新(图4）。RTM成形技术，在复合
材料液体成形领域具有巨大的优势并
不断得到广泛的应用。与其它成形工
艺方法相比较而言，RTM成形技术还
具有以下优点：良好的表面质量；可
以制备形状复杂、尺寸精确的制件；
可以严格控制纤维体积含量；较好
的集成性，可以实现结构/功能一体
化；低成本制造。对于制造大型复杂
整体结构件，RTM工艺具有突出的优
势，R T M工艺也是实现复合材料制
造过程中的材料-设计-制造-验证
一体化的一种低成本制造技术。随着
3-DW和RTM技术的进步，复合材料
叶片的数量和质量都在不断减少，从
单一的通过树脂增韧达到提高复合材图3 LEAP-X1C民用航空发动机采用了第四代叶片
图4 持续创新的复合材料叶片
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料损伤容限，过渡到同时采用高韧性树脂与3D编织结构的方法协同作用，在提高叶片损伤容限的同时又能减小复合材料的尺寸和数量。不同类型复合材料叶片的性能对比见表2。
二、复合材料在静子叶片上的应用
随着3D编织和R T M成形技术的不断进展，复合材料在发动机静子叶片上也得到广泛的应用。
1.单一式复合材料静子叶片
随着复合材料技术的发展，先进复合材料技术被引入机匣结构中，复合材料在静子叶片上也得到广泛的应用（图5）。采用2D编织结构（纤维：T700），经RTM工艺方法（环氧树脂：P R520），制备出单个的复合材料静子叶片，再将若干个这种单一式的叶片单元组成风扇机匣。
2.组合式复合材料静子导向叶片
随着编织技术的进一步发展，可以采用3D编织技术，制造组合式复合材料静子叶片，再将组合式复合材料叶片单元组合成风扇机匣（图6）。
三、下一代新型无限大涵道比发动机
随着发动机涵道比的进一步提高，各种新型发动机和复合材料叶片的研究也在进行中[9]。
罗.罗公司的齿轮传动发动机、Snecma的直接驱动发动机和MTU的齿轮涡扇发动机，均采用新型的叶片（图7）。因此，可以认为，新型复合材料叶片技术的研究会进一步深入，复合材料叶片的应用也会进一步扩大。
根据Rolls-Royce (Derby,U.K.) 2007年对商用发动机市场的预测，在2007-2016年，新的发动机需求将达
表2 不同复合材料叶片的性能比较
GE90GEnx LEAP-X1C
18
71
4.23
—
图6 复合材料组合式静子叶片的应用
图5 复合材料单一式静子叶片的应用
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新材料产业 NO.11 2010
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到60 100台份，价值在3100亿美元。K.Aainsqatsi等人预测发动机将以每年1700台份增长，期望2008-2017年涡喷和涡扇发动机年均增长率将达到25.9%，平均每年产出发动机将达到7055台份。因此，可以看出，商用发动机需求市场巨大[1]。
我国刚刚突破小涵道比涡扇发动机，并且在可靠性等方面还有待完善，大涵道比涡扇发动机项目则起步不久。通过先期研究和论证，我国建立了大涵道比涡扇发动机验证平台，开启了技术研究和整机集成的验证，但
是由于民用大推力涡扇发动机在安全性、经济性、可靠性及环境等方面的突出要求，使国产发动机面临着陡峭技术台阶和复杂系统工程的挑战，所以在这方面还需要广泛的技术研究和长期的技术积累。
中国商用飞机有限责任公司计划于2014年实现C919飞机的首飞，于2016年适航取证，投入使用。在我国小涵道比涡扇发动机技术都仍然不是非常完善的情况下，这种采用大涵道比涡扇发动机的商用客机的首飞，无疑
是一项艰巨的任务。而我国复合材料
图7 复合材料叶片在新型发动机上的应用
叶片在设计、材料、工艺和考核等方面均存在技术难度较大、周期长、技术储备太低的问题，所以建议相关机构要尽早开展研究。
四、结语
纵观国外高性能航空发动机复合材料叶片的现状及发展，以及综合高性
能涡轮发动机技术(IHPTET)、超高效发动机技术（UEET）、先进军用发动机
技术（AMET）等先进研究计划验证的风扇与叶片技术，树脂基复合材料是实现发动机提高效率的关键技术，复合材料叶片必将具有更大的应用前景。但我国在材料、设计、验证考核和适航认证等方面尚存在巨大的差距。因此，建议以我国大飞机研制为契机，加快发动机用先进复合材料的设计、制备、综合验证及其相关配套技术的发展，形成复合材料在商用发动机应用领域的技术集成和知识创新，提升我国商用飞机在国际市场上的竞争力。
10.3969/j.issn.1008-892X.2010.11.008
参考文献
[1]Chris R.Aviation Outlook:Composites in commercial aircraft jet engines[J]..High Performance Composites.2008（9）.[2]http://www.ge.aviation.
[3]梁春华.高性能航空发动机先进风扇和压气机叶片综述[J].航空发动机.2006，32（3）：48-53.[4]李杰.GE复合材料风扇叶片的发展和工艺[J].航空发动机.2008，34（4）:54-56.
[5]Galib H，Abumeri，Latife H. Kuguoglu Composite Fan Blade Design for Advanced Engine Concepts NASA/ TM—2004-212943.
[6]Michael M.GEnx更多采用复合材料的发动机[J].国际航空.2006(5)：42-43.[7]陈亚莉.GEnx发动机在材料应用上的创新[J].工程与技术.2007(4)：54-55.
[8]Luycker E D，Morestin F，Boisse P.Simulation of 3D Interlock composite performing[J].Composite Structure. 2009（88）：615-623.
[9]Turbofan Engine composites poised for a decade of growth[EB/OL]. https://www.doczj.com/doc/c57700485.html,/wiki/Turbofan Engine composites poised for a decade of growth.