GE航空公司通過(guò)F414渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)的旋轉(zhuǎn)低壓渦輪葉片成功試驗(yàn)了世界上首個(gè)非靜子組件的輕質(zhì)陶瓷基復(fù)合材料（CMC）部件。該驗(yàn)證機(jī)設(shè)計(jì)用于進(jìn)一步驗(yàn)證GE公司當(dāng)前與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）合作開(kāi)展的下一代自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)（AETD）項(xiàng)目在高應(yīng)力工況下的耐高溫材料。

將旋轉(zhuǎn)的CMC部件引入發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度最高、工況最惡劣的區(qū)域，代表了GE公司和噴氣推進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的重大技術(shù)突破。在F414 CMC驗(yàn)證機(jī)之前，CMC的成功應(yīng)用僅限于靜子件，如CFM公司研發(fā)用于空客A320neo、波音737MAX和中國(guó)商飛C919飛機(jī)的銷量最好的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪罩環(huán)（shroud）。

F414 CMC試驗(yàn)經(jīng)歷了500個(gè)嚴(yán)酷的循環(huán)，驗(yàn)證了輕質(zhì)、耐高溫CMC材料制造的渦輪葉片的極強(qiáng)的耐高溫和耐久性能力，能夠?qū)⒃撓冗M(jìn)材料廣泛用于GE公司自適應(yīng)循環(huán)戰(zhàn)斗發(fā)動(dòng)機(jī)和下一代商用發(fā)動(dòng)機(jī)。

由于CMC制成的旋轉(zhuǎn)渦輪葉片僅為高壓渦輪葉片上使用的傳統(tǒng)鎳基合金重量的1/3，因此，GE公司可以減小連接到CMC系統(tǒng)的金屬盤的尺寸和重量。GE航空負(fù)責(zé)CMC和先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料研究的總經(jīng)理Jonathan Blank表示，發(fā)動(dòng)機(jī)中從鎳基合金到旋轉(zhuǎn)CMC是一個(gè)真正的巨大飛躍，但這是純機(jī)理。更輕的葉片導(dǎo)致更小的離心載荷，意味著輪盤、軸承和其他部件能夠更薄。CMC帶來(lái)了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的革命性的變革。

通用公司的F-136發(fā)動(dòng)機(jī)(競(jìng)標(biāo)F-35)

GE公司的自適應(yīng)循環(huán)結(jié)構(gòu)是獨(dú)立地變革，將首次同時(shí)在靜子和轉(zhuǎn)子上采用CMC。2014年，GE公司完成了世界上僅有的自適應(yīng)、三涵道技術(shù)驗(yàn)證機(jī)——自適應(yīng)多用途發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（ADVENT）發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)。ADVENT發(fā)動(dòng)機(jī)是世界航空史上首次同時(shí)采用CMC材料技術(shù)和從動(dòng)力強(qiáng)勁的高壓、小涵道比戰(zhàn)斗機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)向燃油高效的低壓、高涵道比商用發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡的結(jié)構(gòu)技術(shù)。

ADVENT結(jié)合變革性結(jié)構(gòu)和材料的創(chuàng)新帶來(lái)了創(chuàng)紀(jì)錄的溫度和燃油效率。GE公司的AETD項(xiàng)目將建立在這些史無(wú)前例的推進(jìn)能力上，實(shí)現(xiàn)相比當(dāng)前最先進(jìn)的第五代飛機(jī)燃油消耗量降低25%，航程增加30%，最大推力提高10%。

GE航空先進(jìn)作戰(zhàn)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目總經(jīng)理Dan McCormick認(rèn)為，將CMC從靜子件向轉(zhuǎn)子件過(guò)渡的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是必須適應(yīng)相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)。F414 CMC試驗(yàn)的進(jìn)步提供了自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)渡的關(guān)鍵知識(shí)。CMC低壓渦輪葉片的重量將僅為其替換的金屬葉片重量的1/3，而且第二級(jí)CMC葉片不必空氣冷卻。由于當(dāng)前并不是所有的葉片均需要壓氣機(jī)級(jí)中抽取的冷卻空氣，因此，當(dāng)前葉片的氣動(dòng)效率能夠更高。

Blank說(shuō)：“更高溫意味著更多的冷卻空氣，這降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能和效率。通過(guò)降低部件的冷卻需求，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠氣動(dòng)更高效，而且燃油也更高效。由于CMC材料的溫度能力比當(dāng)前服役的軍民用發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)鎳基合金要高幾百攝氏度，因此，GE公司的自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)將比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更具耐久性。”

自上世紀(jì)90年代早期開(kāi)始研發(fā)以來(lái)，GE公司已經(jīng)投入了超過(guò)10億美元開(kāi)展由碳化硅陶瓷纖維和陶瓷樹(shù)脂制成的CMC材料，由GE公司位于特拉華州和北卡羅來(lái)納州的工廠通過(guò)高度復(fù)雜的工藝制造，并進(jìn)一步通過(guò)獨(dú)有的涂層來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)性能。GE公司位于特拉華州紐瓦克的小型CMC生產(chǎn)工廠制造了用于F414試驗(yàn)的渦輪部件。GE公司位于北卡羅來(lái)納州阿什維爾的大型生產(chǎn)工廠將生產(chǎn)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的靜子部件。

譯/張小偉 中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心

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