复合材料在商用发动机作动系统中的应用分析

袁 杰，王文山

（中航工业庆安集团有限公司，西安710077）

复合材料在商用发动机作动系统中的应用分析

袁 杰，王文山

（中航工业庆安集团有限公司，西安710077）

先进飞机及其发动机的需求是复合材料发展的强大推动力。基于复合材料的特点以及在航空中的应用情况，提出了发动机作动系统对复合材料的需求。根据商用发动机作动系统的定义与范围，详细论述了该系统未来发展方向对复合材料的应用需求。通过对比分析复合材料在国内外发动机作动系统中的应用现状，提出了钛基复合材料、SiC复合材料、变形记忆合金复合材料、压电功能复合材料等先进复合材料的应用发展方向，为中国商用发动机作动技术的发展提供相关建议。

复合材料；作动系统；商用飞机；商用发动机；作动器

0 引言

复合材料是将承载能力较强材料填入相对较弱材料而形成的，其中承载能力较强材料通常作为增强体，承载能力较弱材料通常作为基体。增强体的强度、刚度和其它机械特性提高了复合材料的结构负载能力，易于塑造的基体用于保持增强体的位置和方向[1]。复合材料的增强体和基体在性能上相互取长补短，产生综合效应，其性能大大优于原始组成材料。

由于复合材料具有比重小、比强度和比模量大的特点使其逐渐替代传统钢、铝合金应用在飞机上。早在20世纪50年代，玻璃纤维复合材料首次在B707客机上应用，但仅占其结构的2%。目前空客的最新型客机A380使用复合材料已占机身结构的25%，波音的先进客机B787使用复合材料则高达50%左右，全机主要结构均采用复合材料加工而成，比用铝合金材料减轻了4536 kg，油耗降低20%[1-4]。随着复合材料技术的发展，材料强度和韧性的进一步提升，其在发动机上的应用也越来越多。复合材料目前主要应用在机匣、风扇叶片、外涵道等发动机结构部位，如波音777X飞机GE9X发动机风扇叶片、风扇前机匣和后风扇框架，CFM公司的LAEP发动机风扇叶片、机匣和短舱等[5-8]。

商用发动机设计的关键技术之一就是要最大程度地减轻发动机质量，提高其燃油效率和推重比。目前发动机控制系统的质量约占发动机总质量的15～20%[9]，因此，减轻发动机控制系统的质量是发动机减重设计的重要途径之一，发动机控制系统的减重对象主要是电子控制器、燃油控制装置、作动器、油管路、机械连杆机构等作动部件。同时，未来商用发动机的发展方向也对其作动系统提出了更高要求。

本文概述了商用发动机作动系统的范围，详细分析复合材料在该系统中的应用需求，并对比其在国内外的应用现状，为发动机的减重设计与未来发展提供有效途径。

1 商用发动机作动系统概述

发动机作动系统是控制系统的执行子系统，接受控制系统的指令信号，将控制信号转换为作动器的速度和位移，调节发动机几何可调参数（如风扇/压气机可调导叶角度、压气机放气活门、高压/低压涡轮间隙、反推力装置、喷管截面积等），以改变发动机气流状态，实现对发动机工作状态控制。发动机作动系统控制回路基本结构如图1所示。图中，PLA为油门杆角度，Tt1、Pt1分别为进气道进口空气总温、总压，nH、nL分别为高、低压转子转速，Tt25为高压压气机进口空气总温，Pt3为高压气机出口空气总压，Pt6为低压涡轮出口空气总压，Tt6为低压涡轮内涵出口燃气总温，αf为风扇可调导叶角度，αc为高压压气机可调静子叶片角度，A为可调面积，Lx为位移控制变量。

商用发动机主要包括喷气式客机的涡轮风扇（涡扇）发动机、螺旋桨客机的涡轮螺旋桨（涡桨）发动机和民用直升机的涡轮轴（涡轴）发动机，其中以涡扇发动机的应用最为广泛，其控制系统也最为复杂，典型商用涡扇发动机主要调节作动部位如图2所示。

2 商用发动机作动系统对复合材料的需求分析

未来商用飞机发动机需要具备更低的燃油、更低的排放、更低的噪声和更高的推重比，发动机控制系统将面临更高的要求和挑战。为了满足这些要求，发动机作动系统将向高功重比、分布式、智能化、高频响等方向发展，新的发展方向已对复合材料产生了新的需求。

2.1 高功重比

未来商用发动机工作范围在不断扩大，并要求在全飞行包线内具有低油耗、高效率、高稳定性，为此必须采用更多的控制变量以控制发动机更多的参数，发动机控制系统将设计得更加复杂，控制变量从10～12个增加到20个以上[10]，相应调节作动的部位也就越来越多。由于发动机作动系统功率的提高，其质量将显著增加，作动系统工作介质的压力体系已从10 MPa提高到21 MPa，甚至达到28 MPa。因此，减轻作动系统的质量将是减轻发动机质量的重要途径之一。

作动系统的主要减重对象是其机械液压作动部件，例如燃油伺服控制装置、作动器、作动筒等。复合材料具备优异的综合性能，具有高比强度、高比刚度的特点，采用非金属基或金属基复合材料取代常规金属材料的部件，可实现作动系统减重。例如，可选用的复合材料有非连续增强铝基复合材料（DRA）、非连续增强钛基复合材料（DRTi）、环氧树脂基复合材料（Gr/Ep）、Al2O3f纤维增强铝基复合材料（Al/Al2O3f）、SiC纤维增强铝基复合材料（6092/SiC/17.5p、6092/SiC/25p）等，其比强度、比刚度与常规航空结构材料的对比如图3所示[11]。

2.2 分布式

当前商用发动机控制系统都采用集中式的全权限数字式电子控制（FADEC），即将数字式电子控制器集中放置在专门设计的机箱中，传感器的信号通过导线传送至数字式电子控制器，由其执行发动机控制计划和控制律，将输出信号再通过导线传送至作动器。发动机控制系统复杂性的增加，将导致FADEC的功能、指令信号、外形尺寸都大大增加，使FADEC软件更加复杂，可靠性降低，成本增高。而未来发动机分布式控制系统由中央控制器、智能传感器、智能执行机构组成，中央控制器与各智能机构之间通过数据总线进行通讯以及电源总线进行供电。分布式控制系统将集中式FADEC的部分控制律计算功能下放到智能传感器和智能执行机构，形成分布式作动系统，这样可省去大量的输入输出接口和传输电缆，大幅度减轻系统质量，提高系统可靠性[12]。

集中式FADEC的电子控制器安装在飞机设备舱内或者发动机上，飞机设备舱内的环境温度为-55～80℃，短时可达90℃；在发动机机载的情况下，电子控制器的环境温度可达120℃以上，通常采用燃油或空气作为冷却介质冷却电子控制器。而分布式FADEC的各分布式作动系统直接安装在发动机的不同作动部位，工作环境温度超过300℃，最高可达500℃，远远超出当前使用的电子器件耐温极限，不能满足分布式作动系统的使用要求。为此，需要使用耐高温电子器件，如采用SiC复合材料的电子产品，可在高于500℃的环境下可靠工作[13]。

2.3 智能化

绿色和舒适性是未来商用飞机的发展方向，这就要求发动机根据不同的飞行状况，通过自适应智能改变风扇喷管的截面积，实现发动机振动主动控制以及噪声抑制，降低发动机油耗与噪声，提高发动机性能。风扇喷管在飞机起飞与巡航阶段位置调节如图4所示。

由于形状记忆合金（SMA）复合材料（例如铜/镍合金复合材料[1]）具有形状记忆效应和超弹性行为，即SMA在低温时产生的塑形变形，在外载荷消除后通过加热可完全恢复到初始状态。因此，SMA可用于喷气式飞机发动机可调截面风扇喷管的作动器，其结构原理如图5所示。

2.4 高频响

主动控制是未来商用发动机控制系统的发展方向之一，压气机、燃烧室、涡轮间隙的主动控制可提高发动机的性能、耐久性和生存性[9]。主动控制需要高速响应的作动器，与传统的燃油作动器（如IGV、VBV、VSV等调节作动器）相比，其频谱高1个数量级的高频段。传统控制的频谱接近10 Hz，而主动控制的频谱数量级在 102～103Hz[14]。

高响应作动器主要由作动部件、阀门和喷嘴等组成，影响作动器频率响应的主要因素是驱动阀门的作动部件。目前应用的作动器阀门响应速度慢，无法满足主动控制系统要求500～1000 Hz的响应频率。因此需要高执行带宽的压电、电磁、磁致伸缩等功能复合材料，能够在低功率下工作且体积更小巧。

3 国内外应用现状分析

3.1 国外研究情况

美国以及欧洲一些航空发达国家的政府部门为了提高发动机的性能，满足高推重比发动机的需求，实施了多项发动机研究计划，并将发动机研制与新型复合材料研究紧密结合，已在商用发动机的叶片、轴、机匣、支撑框架等结构部件中广泛应用。钛基复合材料（TMC）的比强度和比刚度高、使用温度高、疲劳和蠕变性能好，可以很好地满足飞机发动机作动部件的要求，简化部件结构，具有明显的减重效果，将逐步取代常用的铝合金、高强度不锈钢以及钛合金等材料。目前TMC已首先在军用发动机的作动部件中应用，如美国F-22飞机的F119发动机的喷管作动器（用于驱动喷管调节片的运动）的活塞采用高比强度的SiC纤维增强钛基复合材料替代最初采用的沉淀硬化型不锈钢13-8 Cr-Ni后，每架飞机减重3.4 kg，且满足了其疲劳载荷和450℃高温环境下使用的要求。F119发动机喷管作动器的复合材料活塞如图6所示[15]。

商用飞机锯齿形可变截面风扇喷管最早提出于1995年，后来在美国国家航空航天局的主导下开展长期研究。2005年，波音在1架配装GE90发动机的B777飞机上试验了锯齿形风扇喷管。自2011年以来，波音“环保验证机”项目又在新一代B737和B787客机上测试了SMA可变截面风扇喷管作动系统，旨在减轻质量和降低噪声，以提升发动机性能，如图7所示。经过多年的试验验证后，新型B737MAX、B747-8和B787飞机的发动机均已使用锯齿形的SMA可变截面风扇喷管。

目前美国采用压电功能复合材料的高响应作动器已在发动机试验台上进行了试验验证，试验结果表明在无负载情况下作动器能以高达500 Hz的频率工作，也能以更高的频率进行试验[14]，为未来商用发动机的高频响作动系统的工程化应用奠定了基础。

3.2 中国研究情况

目前，复合材料在中国航空领域的应用主要集中在飞机与发动机结构件上，商用飞机的舵面和机翼以及商用发动机的叶片和机匣等结构已经普遍采用复合材料，但应用比例还较低，与国外的差距较大[16]。发动机作动系统部件的材料仍主要以传统的铝合金、高强度不锈钢以及钛合金等金属材料为主，复合材料在商用发动机作动系统中的应用研究还基本处于空白。

4 结束语

（1）先进复合材料在商用发动机作动系统中的应用，将使飞机发动机具有更低的燃油、更低的排放、更低的噪声和更高的推重比。

（2）复合材料的应用是未来发动机作动系统发展的关键需求之一。

（3）借鉴国外复合材料在发动机作动系统中的应用研究经验，制定相关可持续发展计划，可促进先进复合材料在商用发动机上的应用，推动中国新一代先进商用飞机的发展。

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Application and Analysis of Composite Materials in Actuation System for Commercial Aircraft Engine

YUAN Jie，WANG Wen-shan
（AVIC Qing'an Group Co.,Ltd.,Xi'an 710077,China）

The requirements of advanced aircraft and its engine provide a powerful driving force for the growth of composite materials.Based on the characteristics of composite material and its application in aviation,the requirements of the composite material for engine actuation were proposed.According to the definition and scope of commercial aircraft engine actuation system,the application requirement of the composite material in future Actuation system was discussed.Through the comparative analysis for application of composite materials in engine actuation system at home and abroad,the twture development direction of titanium matrix composites,SiC composites,deformation memory alloy composite,piezoelectric functional composite and other advanced composite materials was presented,which provide relevant suggestions for the development of China's commercial aircraft engine actuation technology.

composite materials;actuation system;commercial aircraft;commercial aircraft engine;actuator

V 229.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.019

2016-09-06

袁杰（1987），男，工程师，从事飞机发动机作动系统研发工作；E-mail：hbhb-2006@163.com。

袁杰，王文山.复合材料在商用发动机作动系统中的应用分析[J].航空发动机，2017，43（3）：98-102.YUANJie，WANGWenshan.Applicationand analysisofcompositematerialsinengineactuationsystemforcommercialaircraft[J].Aeroengine，2017，43（3）：98-102.

（编辑：赵明菁）