复合材料零件 瑞士:未来的发动机

Author / Editor: Luca Meister / Lisa Saller, Lisa Saller

过去十年来乘客航空旅行增长超过50%。但由于高效发动机的出现,燃料消耗 同比增长3%。

测试飞行中搭载Rolls-Royce演示发动机的波音747-200(右二)。
测试飞行中搭载Rolls-Royce演示发动机的波音747-200(右二)。
(Photo: Rolls-Royce plc)

2011年每天有84000次航班,截至2030年这个数字预计增长到大约17万次。显然必须增强飞行器发动机的效率来进一步满足燃料增长的需求。

发动机越高效意味着发动机越大-但发动机越大也就越重,这就是使用轻型材料比如复合材料零件或铝是有益的原因。

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复合材料做成的环形填料

现在发动机从发动机进气口的大型叶片中产生的所谓旁通流中产生80%的推力。在叶片之间有空气动力填料,它们具有重要的作用:它们确保最佳的气流和密封,并免受外来物体的影响,比如冰雹和飞鸟。工作时,它们接触到强大的离心力。现在环形填料是用铝做成的。由于质量原因,精制的零件是用单个铝块冲压成型的,因此单位成本非常高。

成功的团队

在持续三年的项目中,IWK(拉博斯维尔工程与建筑学院材料工程与塑料加工研究所)加盟Rolls-Royce和奥地利公司FACC来开发用复合纤维制成的零件。这个得过奖并有部分专利权的设计减少了重量,可在大批量生产时节省成本。

作为客户,Rolls-Royce规定了要求和技术框架条件;IWK制定了概念,并设计了所有的零件和流程,FACC在项目结束之前生产了一系列试点的填料。

在开发填料期间,IWK采用数字模拟和优化组合。这包括使用有限元素法的结构模拟来确保零件功能可靠。同时使用IWK开发的软件来设计并优化生产流程。使用树脂传递模塑成型(RTM)法生产填料:这涉及插入上面工具和下面工具之间腔体并用液体树脂系统灌注的干碳纤维。

使用新材料的好处

项目目标既明确又有雄心:新填料重量至少减轻30%,但仍满足所有的机械要求,成本不超过目前的铝材料。一个发动机需要20个填料,因此预计需求每年达上千。对于纤维加强塑料产品来说这是一个大数字。

如果发动机进气口的零件用纤维加强的塑料零件代替,会提高重量轻的效果。如果复合过滤器因飞鸟影响而脱离,与传统填料相比,它会因易碎故障反应对其他的发动机结构产生较少的破坏。复合材料填料因影响而被粉碎。由于这个特点,为复合填料制作外壳是比较容易的-每个发动机的重量可减少300公斤。填料和涡轮叶片放置在发动机的转轴上-由于转动质量减少,这里减少的重量意义重大。

复合填料在成本方面也符合要求:尽管生产过程有很多过程需要手工,生产成本低于铝块冲压的成本。由于接口相同,在目前的发动机中有可能用复合纤维零件替代铝制填料。

2014年总体实现了这个项目的主要目标:打造可利用的Rolls-Royce演示发动机,在美国图森一架波音747-200上测试成功。

各种奖项

IWK及其合作伙伴FACC和Rolls-Royce在2014年巴黎欧洲JEC复合材料展中击败全球竞争对手。该团队因联合开发的环形填料获得复合材料领域一项最重要的国际大奖-航空业中备受瞩目的JEC奖。

拉珀斯维尔技术学院

IWK

CH-8640 Rapperswil

www.iwk.hsr.ch

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