试论典型发动机的复合材料结构损伤与修理

曹西雷

摘要：航空领域应用了大量的复合材料，在民用航空发动机上就有相当多的复合材料结构。由于复合材料和普通金属材料在性能上和损伤机理上都有很大区别，因此其维护修理有自己独有的方法与流程。本文将以民用航空发动机PW4000复合材料结构的损伤修理办法为例，探讨典型发动机中复合材料结构的损伤机理和修理技术。

关键词：典型发动机；复合材料结构；损伤；修理

材料科学的发展使复合材料在航空领域获得广泛应用，包括作为核心部件的发动机在内，飞机部件对复合材料的使用比例越来越高，相应的就产生了一定的维护与修理问题。复合材料的结构修理从机理上就跟普通金属材料有很大区别，是一门极具特点的技术，而发动机作为飞机上最重要的核心部件，其复合材料结构又具有自己的特点，因此相关的损伤机理和修理技术都需要仔细研究，谨慎对待。

1. 复合材料损伤

复合材料损伤的类型繁多、模式复杂，而且经常出现多种损伤混杂在一起的现象，因此无论是检测还是评价都比金属材料损伤困难。

1.1损伤类型

复合材料的损伤类型可以按两种方法进行分类，分别是损伤原因和可修性。

1.1.1按损伤原因分类

（1）制造缺陷

制造缺陷是在生产过程中产生的缺陷，产生原因包括工艺不合理、材料不合格、人为操作不当等。这种缺陷产生的损伤中常见的有表面损伤、孔隙、分层和脱胶。

（2）使用损伤

使用损伤是飞机服役过程中，人为操作出现失误所造成的损伤，包括表面划伤与凹陷、分层、脱胶、边缘损伤、穿透损伤。这类损伤往往是可以避免的。

（3）环境损伤

环境损伤同样产生于飞机服役的过程中，但并非人为引起，而是由于各个部件所处的工作环境影响而产生的一些难以避免的损伤，发动机中复合材料结构的损伤往往属于这一类。这类损伤包括腐蚀坑、分层、穿透损伤、表面氧化等，其中分层在以纤维类进行增强的复合材料结构部件中较为常见，这点我们下文的例子中会提到。

1.1.2按可修性分类

（1）许用损伤

意即不用立即进行修理的损伤，对飞机总体结构的完整性几乎没有影响，不进行修理飞机也可以正常服役。但需要注意的是，这种损伤有规定的修理时间，务必要在这个时间之内完成永久性修理。

（2）可修损伤

会对飞机的正常服役产生影响，飞机的完整性和功能性都会因这类损伤而受到限制，因此必须立即修理。这类损伤通常并没有严重到对飞机部件造成永久性损害，因此由维修人员进行修补即可。

（3）不可修损伤

无法通过现有的技术水平和方法进行维修的损伤，即使勉强修理，修理后的部件也不能达到要求的功能指标了，是损伤中较为严重的一类。这类损伤只能对损伤部件进行更换或返厂处理。

1.2损伤检测

只有发现损伤才能进行修理，因此通过无损检测找到复合材料结构的损伤部位是修理工作的前提，需要根据具体损伤情况进行可修不可修的判断和修理方案的确定。目前复合材料结构损伤检测中常用的无损检测法有如下几种：

1.2.1. 目视检测

以目测的方法来发现某些直接可见的损伤，包括各种物体撞击造成的损伤，或者肉眼可见的凹坑等。发动机进气锥中卷入异物时所造成的损伤就可以用这种方法发现。

1.2.2. 荧光检测

该检测法对检测人员的经验水平要求很高，具体方法是以小锤等工具敲击复合材料结构的部件，利用细微的声音差异来判别损伤情况。

1.2.3. 射线检测

对一些复杂或夹层结构，可以用X射线进行检测。因为X射线的穿透性极强，所以对复合材料结构的一些内部损伤可以直接成像显示出来，直观而又简便。

1.2.4. 超声检测

使用超声波反射检测技术，不但能确定损伤的位置，还能判明损伤类型、损伤深度等多重信息，大部分损伤都可以依靠这种方法检测出来，因此该方法目前在复合材料结构的损伤检测工作中应用最广。

2. 典型发动机的复合材料结构修理（PW4000）

接下来将以PW4000发动机为例分析典型发动机中的复合材料结构，并研究其可能出现的损伤与修理方法。这种航空发动机由美国普惠公司生产，在多种型号的民用飞机上都有使用，是典型发动机的一种。该发动机使用复合材料的结构比较集中，基本都是位于发动机前部的冷端部件，具体包括进气锥、风扇的出口导叶、出口整流罩、机匣防磨板与内衬板等。

2.1进气锥的损伤与修理

PW4000沿用当初JT9D发动机的结构形式，为椭球形构造，前部为前锥盖，后部为后锥体，内部的防冰功能由高压压气机提供，因为其可以引出热空气。在材料成分上则以环氧树脂为基体，再用高强度的凯夫拉纤维加强。

这种发动机的进气锥有一个特点就是尺寸较大，这使得其更易被外物击伤，所幸其构造为椭球形，因此能够以离心力将误入的外物甩出，有效规避外物飞入发动机核心的危险。由于易被外物击伤，所以这种发动机进气锥的损伤形式有多种，常见的有锥体表面裂纹、局部凹坑掉块和纤维分层等。这些损伤中有些是不可修复的，比如大尺寸的裂纹、纤维严重分层，这类损伤都只能通过换件来解决，而诸如小尺寸裂纹、局部凹坑掉块之类的损伤则可以进行修理，具体修理方法是先用环氧树脂对损伤处进行填充，等树脂完全固化后再对填充处用砂纸进行打磨，直到气动表面恢复为止。

2.2风扇出口导叶的损伤与修理

PW4000型发动机的减重效果非常好，这跟它的风扇出口导叶使用了复合材料有很大的关系。PW4000发动机所使用的风扇出口导叶在复合材料构成上以环氧树脂为基体，以碳纤维进行增强，这使得其风扇的出口机匣在重量上比金属出口导叶的风扇出口机匣轻了50%。

发动机的风扇出口导叶在各方面的性能要求很高，因为其受高速气流的冲击很大。值得注意的是，这种靠纤维增强的复合材料本身就容易产生分层的损伤，虽然通过在导叶前缘粘接钛合金薄片的方式可以使风扇出口导叶分层报废的几率大大降低，但是这个部件的损伤率依然是PW4000型发动机的诸多复合材料结构部件中最高的。在其损伤中，导叶前缘的磨损、小面积的剥层分层都属于不太严重的类型，前者可以对前缘的钛合金片进行更换，后者可以在出现剥层的部位用环氧树脂和碳纤维补片。而裂纹、严重击伤等重大损伤则无法修理，当出现这类损伤时，风扇出口导叶整根都要更换。

2.3风扇出口整流罩的损伤与修理

风扇出口整流罩的安装位置是核心机匣的前端，其复合材料构成与前面提到的进气锥并无区别，结构上则非常简单，但采用了和风扇出口导叶类似的防冲击、防分层方式——在前缘粘接了不锈钢薄片。

与其他型号发动机的铝合金整流罩相比，PW4000发动机结构简单、抗冲击性强的复合材料风扇出口整流罩无论是损伤率还是报废率都是相当之低的。这种风扇整流罩偶尔会发生的损伤基本只有局部的纤维剥落而已，这种损伤只要用环氧胶对多层纤维布进行粘接补片就可以轻易地修补。

2.4其他复合材料结构的损伤与修理

PW4000发动机的其他复合材料结构中以风扇机匣的防磨板和位于出口机匣内侧的整流板比较容易产生损伤。其中防磨板的耐磨性能很高，但其自身韧性不够高，受到发动机运转时那强大的离心力影响，非常容易产生裂纹，在修理上也比较困难。

3. 结语

我国目前在航空发动机的自主生产研发上进展缓慢，因此航空发动机的维修问题在未来一段相当长的时间里仍会是技术重点，而其中复合材料结构的维修技术也会越来越重要。本文以PW4000型发动机为例对相关维修技术进行了分析与研究，希冀能为维修技师们提供一定的帮助，不只增长其对航空发动机中复合材料结构部件的维修经验，更为国产航空发动机的研发提供一定的理论参考。

4. 参考文献

[1]中国航空研究院.复合材料结构设计手册[M].北京：航空工业出版社，2001.

[2]陈祥宝.复合材料结构损伤修理[M].北京：化学工业出版社，2001.

[3]Wang J，etc.Battle damage repair of a helicopter composite frame-to-skin junction-A sole external repair approach[J].Composite Structures，2010（4）.

[4]蔡文海，金延中.复合材料结构的损伤与修理[J].维修与改造，2004（7）.

[5]姚磊江，童小燕，董善艳.损伤复合材料层板胶接修理强度分析[J].机械科学与技术，2005（5）.