复合材料发动机

虽然采用复合材料的速度在燃气涡轮发动机尚未达到十年前的期望,他们优良的比强度和刚度仍然亚博网站下载一如既往的诱人的。事实上,在竞争激烈的市场的重大奖项是成功开发的品质值得添加动力这样的追求。

先进的复合系统的挑战意识到应用程序增加了近年来的更专注于降低成本。介绍了这些材料的速度将由他们的成本效率,而不是他亚博网站下载们的技术优点。

在现代航空发动机使用pmc

聚合物基复合材料的使用(pmc)在航空航天应用可以追溯到40年代初,70年代初期的大规模的碳纤维生产使他们严重的竞争对手与金属复杂的轻质结构。完整的机身现在可以生产的私营军事公司,他们是必不可少的现代直升机。温度要求限制他们使用发动机,但大多数的现代航空燃气轮机PMC的发动机舱,一个组件,占体重的25%左右和20%的发电厂的成本。其他PMC部分在当前引擎包括风机叶片、出口导向叶片,旁路导管、鼻锥纺纱,三点核心引擎,环填料和可变导叶响了。

间和cmc航空航天应用

密集型行业和学术界研究陶瓷和金属基复合材料(CMC和MMC)系统通过80年代,由IHPTET等主要政府资助的研究项目在美国,已经实现了第一个MMC和CMC组件名示威者和发展引擎。军事应用的cmc的加力燃烧室喷嘴花瓣已经接近生产。

为什么使用复合材料?

直到最近,这两个专业,相互关联的,司机对复合材料的应用在发动机减重和性能改进。MMC压缩机鼓有潜力为80%重量储蓄超过传统的阀瓣和叶片装配和PMC组件通常提供20 - 30%重量储蓄。cmc的主要优势,以及将重量的好处,是能够操作非冷却温度的金属。循环效率的提高,减少冷却空气涡轮翼面和海豹,导致显著的燃油消耗率的好处。例如,金属密封的更换CMC先进技术将产生250000美元的储蓄的波音777飞机在15年。应用于燃烧室赚cmc“绿色票”,即重新分配的冷却气流的控制大大有助于减少有害排放。

在当今竞争激烈的航空发动机市场,主要产品鉴别器是成本驱动。典型的成本节约的20 - 30%由pmc取代现任金属零件,因此,提供额外的刺激,这些材料的广泛应用。亚博网站下载与这些令人印象深刻的优势,似乎很难理解为什么复合材料不主导最新的民用和军用发动机。亚博网站下载

燃气涡轮发动机的进化

飞机燃气涡轮发动机开发最初的军事应用40年代和50年代后第一个民用应用程序。冷战时期军事需求推动技术的发展和公民引擎受益于剥离和随之减少开发成本。今天的市场是非常不同的。军事市场,在最好的情况下,稳定一段时间后急剧下降,新产品开发周期等EJ 200 2000年欧洲战斗机引擎已经大大扩展。民用市场是高度竞争的三个主要的引擎制造商劳斯莱斯(通用电气,普拉特和惠特尼和)争夺市场份额。

客运量持续增长产生一个巨大的民用航空运输产品的潜在市场。目前航空公司回到利润。减少座位销售回报,然而,他们必须获得设备以尽可能低的价格。app亚博体育因为这些因素,今天的主要产品鉴别器是成本驱动的初始采购成本和拥有成本。新技术是至关重要的实现所需的性能目标,但现在它必须有助于成本的目标。

材料技术的进步亚博网站下载

亚博网站下载材料技术是基本的重要的燃气涡轮发动机。引擎的最终效率是有限的操作温度,因此,它需要材料高温性能。亚博网站下载不断地努力减少排放加重了这一需求。发动机重量是另一个重要的因素,影响燃料消耗和军用飞机敏捷性,从而刺激低密度材料的需求。亚博网站下载

成功的航空航天复合材料属性

复合材料的属性提供一个良好的匹配这些一般要求。从广义上讲,有四个主要成功因素所需的复合应用程序:

• 克服文化障碍取代现任金属部件
• 有一个合适的机会在一个引擎项目
• 开发的相关技术
• 提供足够的技术自信服务介绍。

劳斯莱斯冒险进入碳纤维增强复合材料

碳纤维的引入在60年代看到劳斯莱斯的第一次主要的练习将复合材料纳入引擎,与海菲尔RB211风扇叶片。当时,劳斯莱斯的信心在使用一个相对较新的,事后来看,未经证实的材料主要旋转组件是基于这样的事实,它有一个全面了解材料的层压水平。然而,缺乏足够的经验,将这些知识转化为时间尺度内的风扇叶片应用RB211强加的计划。制造问题重复性和鸟耐冲击最终导致切换到一个钛组件。这样的事件是非常昂贵的。在一个竞争激烈的市场上,引擎开发成本需要严格控制,确保盈利和风险最小化。这往往会推动设计文化,主要是进化。在这种环境下,材料的改变一个组件从一个熟悉的合金复合时,才发生金属部分已经到了一个极限的重量和/或成本或温度的能力。

这个进化过程的一个很好的例子是pmc的方式被越来越多地用于发动机短舱。由于需要减肥与现有铝设计,首次应用于复合材料相对简单的部分如RB211 524罩门,图1所示。应用逐步蔓延在这个地区的引擎,pmc现在主导发动机舱。技术的逻辑扩展发生在旁通管军事(通用电气F414)和公民(劳斯莱斯Tay)引擎。

引入新的发动机项目

阶跃变化引擎设计,最优车辆目标,新材料的应用技术,相对很少发生。亚博网站下载例如,劳斯莱斯的特伦特和通用电气的GE90启动之后才在90年代早期以前的引擎,RB211 524飞机,分别对自己过去15年的各种品牌。的原因,这样的车辆提供良好的机会来增加复合渗透是发动机启动之前详细的发展计划,这是遍及所有组件的成本。Post-certification资格组件新材料在临时的基础上,相反,是非常昂贵的。亚博网站下载

这个问题体现在玻璃增强环氧扇鼻子转轮现在所有劳斯莱斯民用发动机上使用(图2)。虽然这似乎是一个相对简单的组件的材料和制造过程,进入服务的实现成本和重量的好处必须等到认证测试项目的成本(循环疲劳和鸟的影响)可能是由推出的下一个变体RB211引擎。亚博网站下载

碳纤维增强环氧树脂的使用风扇出口导流叶片是一个最近的例子,需要一个机会来获得复合应用程序中,图3所示。虽然证明的材料和制造工艺,并经过发动机有限接触,这个特定亚博网站下载的应用程序等待启动一个新的引擎设计能收获潜在的成本和重量。进一步的资格测试明确的服务操作该组件将包括广泛的应变仪正向/反向推力和侧风荷载作用下的调查之后,标准的150小时修改批准的发动机测试花费超过150万美元,显然不合理的为这个组件。

综合集成

金属被用于航空发动机发明以来,因此,他们所需的相关技术集成到引擎,例如关节的设计,防止腐蚀的方法和组件的生活方法,都是非常成熟的。复合材料显然不赞同这亚博网站下载种奢侈品。尽管一些材料和制造工艺已实施了近三十年,日亚博网站下载常所需的全套技术,成功的应用程序还没有到位。事实上,这是常有的事,一个潜在的高度有益的应用程序不能尝试,直到特定的引擎集成技术已经交付。

未来的复合应用程序

展望更远的未来,一个领域的应用程序,它会产生最大的效益的成本和重量减少大型静态结构位于立即在民用发动机风扇。根据发动机的配置,该组件可以携带一个多样性的主要结构载荷包括发动机质量,向前的推力,着陆的逆冲断层和不平衡力引起的风机叶片的损失。

应对这艰巨的责任,至关重要的是,复合组件至少相当于完整性金属等效各向同性。这意味着开发一个完整的理解应用程序的振动特征,力量在静态下,疲劳和动态加载功能(尤其是关节和半径等),确定一个人生哲学,发展合适的濒死经历的技术,加上众多等技术必不可少的关键部件。示范项目等组件进行内主要的航空发动机公司,但由于需要生成应用程序技术的全套上面所描述的那样,这样的组件不太可能看到2005年前的服务操作。

设计参数

正如已经指出的那样,适当的材料和制造工艺技术的许多潜在的pmc已经到位。亚博网站下载从设计师的角度来看,从工作与各向同性材料过渡到复合材料会出现乍一看是相对简单的。亚博网站下载与广泛的矩阵类型覆盖温度高达300°C和选择不同优势和增强纤维的刚度可供选择,设计师似乎材料每一次在这个温度制度。绊脚石,然而,他常常会发现进行了初步设计,除非该组件是前一个复合的“重复”部分,有很多未知的潜在行为引擎。这些未知,或者引擎集成的问题,可能会有很高的风险。在这种情况下,风险只能通过技术示范被侵蚀,承诺的基础上,将被授予感知风险和潜在的回报之间的平衡。

米利的推动法和

在这一领域更高层次的“示范”活动仍然需要高温pmc的应用,与矩阵如PMR 15日军事引擎的静态结构组成。由储蓄的潜力相当大的重量相对传统铸钛零件,所有主要的制造商已经做了一个重大投资这项技术的发展,支持大型各自政府的注资。因为信息关于这些项目的限制,很难精确详细讨论它们,但所有公司似乎已经达到进一步昂贵的发展引擎的运行需要“证明”技术。

原因亨德环复合吸收

虽然对聚合物复合材料的信心继续增长的不断的积累新的应用程序和与现任部分飞行小时,高亚博网站下载温复合材料还没有生产做出重大突破。这是如此,遭受和金属/陶瓷基复合材料相似的信誉问题15年前经历了由单晶高温合金技术。

陶瓷基复合材料

基于陶瓷复合材料包括陶瓷纤维和基质提供潜在的应用在温度超出了最好的金属。与经验的好处与聚合物复合材料侵蚀的问题关于这些材料的适航性已经被逐步引入解决“故障安全”,适度加载,静态部分军事台发动机测试。亚博网站下载排气喷嘴的花瓣在SiC / SiC EJ200发动机已经被证明是成功的,加力燃烧室火焰稳定器在SiC /氧化铝军事演示发动机经历了严格的评估。这些成功后,一个全尺寸燃烧室桶在SiC /氧化铝材料完好无损的从一个高压力、高温度上升,军事循环钻井平台测试。迄今为止,CMC的最复杂的应用技术在航空发动机行业是劳斯莱斯排气导向叶片制造的先进纺织处理过程涉及编织或针织化学蒸汽渗透紧随其后。

金属基体混合涂料网站

把最后间,大多数相关飞机引擎的系统是连续陶瓷纤维增强钛。间将在压缩机的主要航空发动机应用光盘和鼓,非常高的纤维的性能可以利用给予实质性的减少重量(超过70%),而不需要介绍了纤维成复杂的形状。重量储蓄来自消除常见的金属中心网络和中心,箍强度和刚度增强碳化硅纤维环相反,图4所示。

处理技术

加工技术先进的阶段,相当多的照顾和关注,高质量的组件可以产生具有优良的纤维注册表和疲劳行为相当于典型的样本数据。与这项技术捕获相关的风险适当Petroski在他的设计范式的话说:“风险最大的阶段是不创新的飞跃,但几年后当大胆已成为常规,托付给少勤学好问的头脑和更大的竞争压力下的执行。常规过程能力还有待确定,确实有标准得到满足保证足够的使用寿命。与过程开发组件的重大努力正在解决问题行为和宽容缺陷如纤维破损/最终分布。这个迭代过程将需求进一步重大投资和亲密的合作供应商和终端用户产生一个可靠的制造能力之前,验证生活方法,当然组件成本接受最终用户。降低成本是一个主要的挑战了。相当大的投资技术发展的速度是恢复密切相关的成本效益的解决方案。特别鼓励供应行业的急性意识这一关键问题。的基础上大幅的成本削减计划已经到位,主要供应商预计粗糙数量级成熟的生产成本,打击距离之内劳斯莱斯等价的目标与现任整体部分。

结论

最后,信息研究人员在这个领域,它必须欣赏,除了先进的版本的cmc和间质,必要的材料和流程已经存在。亚博网站下载没有集中精力在应用问题可用的材料今天,该行业可能会失去耐心在先进复合材料和投资于替代技术和设计解决方案。亚博网站下载

主要作者:茱莉亚王博士

材料来源:世界,亚博网站下载卷。5。324 - 1997年6月27日6页。

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