圖1  碳纖維增強樹脂基復合材料風扇葉片

 

　　碳纖維增強樹脂基復合材料具有輕質、比強度高、比剛度大等特征，可替代傳統鈦合金等材料在民用航空發動機上應用。在氣動設計、結構設計和復合材料技術發展的基礎上，大涵道比商用發動機應用復合材料風扇葉片，可以進一步提高商用飛機的推重比和燃油效率，降低噪聲和有害氣體排放，增加舒適性和經濟性。采用復合材料可以減輕風扇及發動機質量，提高比剛度、疲勞性能、損傷和缺陷容限等，航空發動機采用先進復合材料是同時實現更高涵道比和減重的唯一途徑，這也為擴大復合材料在發動機上的使用提供了大的機遇。

表1  發動機冷端件使用的樹脂基復合材料密度、比模量和比剛度與金屬材料之比

 

　　與金屬鈦合金葉片相比較，復合材料葉片具有以下一些明顯優勢：復合材料葉片數量比鈦合金葉片數量減少50%，減輕質量66%；高效率、低噪聲；較低燃油消耗率；在抗振特別是抗顫振方面，優于鈦合金葉片；抗鳥撞能力得到了適航當局的認可。

圖2  LEAP-X1C發動機

 

　　在商用發動機領域，借助于在機匣、風扇葉片及涵道等部位引入輕質的碳纖維增強樹脂基復合材料，CFM公司的LAEP發動機涵道比上升到10。LEAP是CFM國際公司在CFM56的基礎上研制的新一代大涵道比渦扇發動機，用于新一代150-200座級單通道客機，這一發動機是針對下一代飛機進行改造的產品，具有更好的燃油經濟性和更低的二氧化碳排放量。CFM-56有24個風扇葉片，重量達到120公斤，而LEAP采用了寬弦后掠三維成型復合材料葉片，邊緣用鈦合金加強，數量只有18個，葉片總重量只有70公斤左右，而且結構牢固，抗鳥撞能力強，制造成本卻相對較低。由于葉片數量減少，加上采用了后掠設計，可以降低了葉片通道之中激動的強度，從而提高發動機的進氣流量，增加推力，降低油耗。我們C919客機上采用了LEAP-X1C發動機，這也是C919選用的唯一國外啟動動力裝置。

 

　　圖3  GEnx航空發動機

 

　　通用電器GEnx(General Electric Next-generation)發動機是一款先進的雙轉子軸流式大涵道渦輪風扇發動機，使用于波音787、747-8。此外，GEnx也是作為CF6的替代產品，GEnx運用了一些在GE90渦輪風扇發動機中的技術，包括復合材料制造的風扇葉片以及更小的體積的核心組件。風扇葉片采用三維氣動技術設計，是一種高流量后掠型葉片，這種第三代復合材料葉片（帶鈦前緣）重量輕、耐久性好、效率高、噪聲低。葉片數由GE90的22片減為18片，重量明顯降低，巡航耗油率比CF6-80E1A4發動機降低了15.4%。