超級大坑:航發覆合材料風扇,英國失敗退出,美國30年苦工突破

最近有個消息,中國某個企業研發了一款複合材料風扇試驗品,直徑在2米左右,可以作為中國大飛機發動機的風扇部件,這也是中國幾十年來,第一次報道複合材料風扇葉片,而世界各國先進客機使用的先進大涵道比渦輪風扇發動機,報道的首當其衝就是風扇,除了風扇葉片尺寸足夠大,視覺效果好之外,還有很多深層的原因。

從世界範圍來看,徹底搞定大推力民用航空發動機的複合材料風扇葉片的公司,其實只有一家,這就是美國GE公司,這是世界最重磅的航空發動機大魔王,而航空發動機另外兩巨頭,面對複合材料和風扇的組合,直接敗退下來,最慘的是英國羅羅公司,因為研製RB-211三軸發動機出問題,最終導致公司破產,複合材料風扇就是其中之一!

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研發一款發動機讓公司破產,羅羅公司就遭遇這樣的慘劇

大家都知道,民用航空發動機要求省油,所以增加外涵道的做功能力至關重要,為此增加涵道比和風扇尺寸是不二選擇,為此航空發動機設計師不斷增加風扇尺寸,最大增加到了3.4米,和波音737機身一樣,就鳥撞失敗的英國RB-211發動機來説,真是一個慘痛的教訓。

RB211採用一級跨聲速風扇,無進口導流葉片,增壓比為1.5,風扇轉子由33片鈦合金葉片、鈦合金輪盤、傳動軸與保持軸等組成,重約380kg,外徑2.16m,葉片長0.7m,在葉高2/3處有減振凸台,風扇轉子轉速為3860r/min,

每個葉片產生的離心力約為550kN,巨大尺寸的風扇約產生全部推力的3/4,

這就是世界發動機廠特別重視風扇的原因!

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為了讓風扇用上覆合材料,美國人努力了30年!

而在研製之初,英國羅羅公司設計師採用了碳纖維複合材料製造風扇葉片,具有多種優點,材料輕,振動小,顫振特性好,但是誰都想不到,一隻小鳥擊碎了英國人的美夢,鳥撞試驗中風扇開裂解體,最終沒有通過發動機適航條例,所以羅羅公司不得不重頭使用鈦合金製造風扇葉片,重量大大增加,但是通過了!

英國人在風扇玩複合材料失敗之後,從此繞路走,他們從70年代的RB-211發動機到後來的TRENT發動機,都不再考慮複合材料這個選項,全部使用空心鈦合金,效果也不錯,美國PW發動機公司也如出一轍,不給自己惹麻煩,但是大魔王GE公司則不吃這一套,既然有強大的性能優勢,那就迎頭趕上!

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波音777的成功大部分要歸功於GE公司的巨無霸發動機GE90

GE公司從上世紀60年代和英國羅羅公司同步開發複合材料風扇技術,TF-39發動機和英國羅羅公司RB-211一樣鳥撞失敗,連0.68公斤鳥撞考試都沒有通過,但是GE公司並沒有像英國羅羅公司一樣,從此放棄,而是不斷加大投資力度,一點點嘗試,先後在F103(風扇葉片)、QC-SEE(風扇葉片),複合材料風扇葉片的UDF項目上不斷努力,而且通過了吞鳥3.63公斤,遠超適航條例的1.6公斤!

最終在90年代中期,終於在GE90發動機上攻克難關,在波音-777飛機發動機選型中,由於GE公司發動機架構先進,而且採用了超大型複合材料風扇葉片,比競爭對手更省油,而且潛力更大,在多次競標中,輕鬆取得了對羅羅公司和PW公司的優勢!在公眾對復材風扇最擔心的鳥撞問題,GE90發動機取得了無與倫比的優勢,通過了3.62公斤模擬大鳥撞擊試驗,而且裝機飛行的波音-777飛機也遭遇到30多次鳥撞,但是都沒有造成機毀人亡的悲劇,最大一次遭受1.362公斤鳥撞,而發動機仍然完好,沒有停車,繼續飛行!

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