GE航空公司通過F414渦扇發動機驗證機的旋轉低壓渦輪葉片成功試驗了世界上首個非靜子組件的輕質陶瓷基復合材料（CMC）部件。該驗證機設計用于進一步驗證GE公司當前與美國空軍研究實驗室（AFRL）合作開展的下一代自適應發動機技術驗證機（AETD）項目在高應力工況下的耐高溫材料。

將旋轉的CMC部件引入發動機工作溫度最高、工況最惡劣的區域，代表了GE公司和噴氣推進工業領域的重大技術突破。在F414 CMC驗證機之前，CMC的成功應用僅限于靜子件，如CFM公司研發用于空客A320neo、波音737MAX和中國商飛C919飛機的銷量最好的LEAP發動機的高壓渦輪罩環（shroud）。

F414 CMC試驗經歷了500個嚴酷的循環，驗證了輕質、耐高溫CMC材料制造的渦輪葉片的極強的耐高溫和耐久性能力，能夠將該先進材料廣泛用于GE公司自適應循環戰斗發動機和下一代商用發動機。

由于CMC制成的旋轉渦輪葉片僅為高壓渦輪葉片上使用的傳統鎳基合金重量的1/3，因此，GE公司可以減小連接到CMC系統的金屬盤的尺寸和重量。GE航空負責CMC和先進聚合物基復合材料研究的總經理Jonathan Blank表示，發動機中從鎳基合金到旋轉CMC是一個真正的巨大飛躍，但這是純機理。更輕的葉片導致更小的離心載荷，意味著輪盤、軸承和其他部件能夠更薄。CMC帶來了噴氣發動機設計的革命性的變革。

通用公司的F-136發動機(競標F-35)

GE公司的自適應循環結構是獨立地變革，將首次同時在靜子和轉子上采用CMC。2014年，GE公司完成了世界上僅有的自適應、三涵道技術驗證機——自適應多用途發動機技術（ADVENT）發動機的試驗。ADVENT發動機是世界航空史上首次同時采用CMC材料技術和從動力強勁的高壓、小涵道比戰斗機噴氣發動機向燃油高效的低壓、高涵道比商用發動機過渡的結構技術。

ADVENT結合變革性結構和材料的創新帶來了創紀錄的溫度和燃油效率。GE公司的AETD項目將建立在這些史無前例的推進能力上，實現相比當前最先進的第五代飛機燃油消耗量降低25%，航程增加30%，最大推力提高10%。

GE航空先進作戰發動機項目總經理Dan McCormick認為，將CMC從靜子件向轉子件過渡的一個關鍵挑戰是必須適應相應的應力場。F414 CMC試驗的進步提供了自適應循環發動機實現這一過渡的關鍵知識。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CMC葉片不必空氣冷卻。由于當前并不是所有的葉片均需要壓氣機級中抽取的冷卻空氣，因此，當前葉片的氣動效率能夠更高。

Blank說：“更高溫意味著更多的冷卻空氣，這降低了發動機的總體性能和效率。通過降低部件的冷卻需求，發動機能夠氣動更高效，而且燃油也更高效。由于CMC材料的溫度能力比當前服役的軍民用發動機的傳統鎳基合金要高幾百攝氏度，因此，GE公司的自適應循環發動機將比傳統發動機更具耐久性。”

自上世紀90年代早期開始研發以來，GE公司已經投入了超過10億美元開展由碳化硅陶瓷纖維和陶瓷樹脂制成的CMC材料，由GE公司位于特拉華州和北卡羅來納州的工廠通過高度復雜的工藝制造，并進一步通過獨有的涂層來進一步增強性能。GE公司位于特拉華州紐瓦克的小型CMC生產工廠制造了用于F414試驗的渦輪部件。GE公司位于北卡羅來納州阿什維爾的大型生產工廠將生產LEAP發動機的靜子部件。

譯/張小偉 中國航空工業發展研究中心

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