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陶瓷基復合材料技術是GE噴氣推進技術的核心
發布日期:2019-04-28  來源:geaviation  瀏覽次數:411
 
   GE航空公司慶祝其成立100周年,并解釋了陶瓷基復合材料技術如何成為其21世紀噴氣式飛機推進戰略的核心。
  2001年,國防分析研究所(InstituteforDefenseAnalysis)的科學家評估了航空用陶瓷基復合材料(CMCS)工業化所需的巨大挑戰。
 
  他們直截了當地總結道:“未來可能會有更多的豬在飛,而不是陶瓷。”
 
  今天,通用航空公司的CMC技術領導人以及該公司的全球研究中心舉起這份報告并微笑著。
 
  經過二十年的共同努力,數百位通用電氣技術專家,包括超過15億美元的投資,帶來了多么大的不同。
 
  CMCS代表了GE航空公司在其漫長的歷史中最積極的技術努力之一。
 
  回報簡直是變革性的。
 
  由CMCS制造的GE渦輪罩現在運行在最暢銷的LEAP渦扇領域,該領域由CFM International(通用電氣和Safran飛機發動機的50/50合資公司)生產,為數百架單通道商用噴氣式飛機提供動力。
 
  CMC組件正在為通用電氣的軍事設計帶來好處,其中包括一臺達到了有史以來最高噴氣式發動機溫度的演示引擎。
 
  GE還成功地對CMC旋轉部件進行了測試。
 
  隨著2018年通用電氣航空公司在阿拉巴馬州亨茨維爾的CMC業務盛大開幕,該公司慶祝了另一個CMC里程碑:為建立美國第一個完全整合的CMC供應鏈所做的長達十年的努力,其中包括由四個相互關聯的GE生產基地組成的網絡。
 
  與此同時,通用電氣在北卡羅來納州阿什維爾的新CMC部件組裝廠已經生產了4萬多個CMC渦輪罩。
 
  該廠還為GE9X高推力發動機制造了五種不同的CMC熱段組件。
 
  CMCS由碳化硅(SiC)、陶瓷纖維和陶瓷樹脂組成,通過復雜的工藝制造,并通過專有涂層進一步增強。
 
  CMCs是金屬合金密度的三分之一,重量的三分之一。
 
  由于CMCS比金屬合金具有更高的耐熱性,因此需要較少的空氣從噴氣式發動機的流道中轉移到熱段部件上冷卻。
 
  通過在流道中保持更多的空氣而不是冷卻部件,發動機在更高的推力下更有效地運行。
 
  總之,CMCs帶來了更好的燃油效率,更低的排放和更好的耐用性。
 
  在噴氣推進的歷史上,渦輪發動機材料溫度能力的平均增長率約為每十年50華氏度。
 
  使用CMCS,通用電氣在10年內將噴氣式發動機的溫度提高了150華氏度。
 
  隨著CMCS進一步填充通用電氣發動機的核心,預計它們將使發動機推力增加25%,燃料燃燒提高10%。
 
  CMC帶來的好處是誘人的,但幾十年來,這種復雜的材料系統的工業化給私營企業帶來了巨大的挑戰。
 
  由于制備困難,CMCs也具有脆性。
 
  自20世紀70年代初以來,美國政府一直在資助CMC的研究,而通用電氣的科學家從那時起就一直在與這項技術搏斗。
 
  上世紀80年代,通用電氣為大型陸基燃氣輪機開發了CMCS,并于1986年申請了第一項CMC專利。
 
  在25年的時間里,該公司成功地在多個工業燃氣輪機應用中運行了CMC渦輪導流罩。
 
  到本世紀頭十年中期,通用電氣的全球研究中心(GRC)將其CMC的重點轉移到了噴氣發動機上。
 
  GRC能源和推進技術部前負責人、后任GE航空CMC項目負責人的Sanjay Correa回憶道:
 
  “隨著技術的進步,這艘船開始轉向噴氣式發動機。”
 
  由于它們減輕了重量,CMCS在發動機飛行方面具有更大的潛力。“。
 
  在同一時期,通用航空公司致力于示范CMCS在發動機和建立供應鏈。
 
  到2018年,該公司在俄亥俄州埃旺代爾(零部件開發)、特拉華州紐瓦克(低速生產)、北卡羅來納州阿什維爾(全速生產)和阿拉巴馬州亨茨維爾(原材料)建立了CMC生產基地。
 
  GE和Safran與日本Nippon Carbon(CMC原材料的領先生產商和創新者)的合資企業在建立亨茨維爾工廠方面發揮了重要作用。
 
  作為通用電氣最新的CMC生產基地,亨茨維爾工廠由兩個占地100英畝的工廠組成。
 
  其中一家生產SiC陶瓷纖維,這是美國第一家大批量生產企業。
 
  在美國空軍的資助下,這座工廠提高了美國生產溫度為2,400華氏度的碳化硅陶瓷纖維的能力。
 
  鄰近的工廠使用SiC陶瓷纖維制造單向CMC預浸料,這是一種用樹脂體系預浸漬的增強織物,這是制造CMC組件所必需的。
 
  亨茨維爾公司去年開始提供原材料。
 
  與此同時,CMC對通用電氣和CFM發動機的需求在過去十年中增長了20倍。
 
  這只是個開始。
  亨茨維爾第一年生產的六噸CMC原料到2028年可能增長十倍。
 
  隨著供應鏈的建立,GE航空公司繼續提高CMC的生產率和車間生產率,這兩個因素都是快速降低總成本曲線的關鍵因素。
 
  通用電氣在CMC生產、鑄件和涂層方面的進步將促進CMC在新發動機以及商用和軍用噴氣發動機的大規模GE和CFM基地的替換部件中的更大份額。
 
  Evenale實驗室的CMC負責人喬納森·布蘭克(JonathanBlank)表示,數字分析技術正以同樣的方式提高噴氣式推進效率,同樣的技術也在完善通用電氣的CMC生產流程。
 
  “我們將使我們的學習制度化,進一步發展材料和工藝模型的穩健性,并推動數字化工具深入我們的工藝,使分析成為這項垂直集成技術的一種生活方式。”
 
  通用電氣的CMC故事與歷史上的航空敘事相似。
 
  材料的不斷進步可以追溯到賴特兄弟的第一架由木材、鋼和帆布組成的動力飛機。
 
  更快、更有能力的飛機推動了金屬合金的引入,如鋁、鈦和其他高溫金屬。
 
  在噴氣推進工業中,通用電氣在噴氣發動機核心內部引入了一些世界上最先進的金屬合金,包括單晶合金。
 
  工程部副總裁加里·默瑟(Gary Mercer)表示:
 
  化學和新材料的加工都是提高熱效率、燃料燃燒和排放的基石。
 
  上世紀90年代,當通用電氣為GE90渦扇風機引入碳纖維復合材料風扇葉片時,飛機制造商更積極地追求大型復合材料結構,以減輕飛機重量并提高耐久性。
 
  有了CMCS,通用電氣的旅程將超越噴氣式發動機,以支持更廣泛的航空航天需求,包括太空旅行,那里的操作環境可能最為極端。
 
  旅程將“火箭”通用電氣航空公司進入世界一流的CMC供應商的作用,為一個快速發展的航空航天環境,直到二十一世紀。
 
  Mercer說:
 
  他說:“我們與社區管理公司處於第一代。
 
  當你想到未來的飛行,光和熱是兩個常數。
 
  隨著超音速、高超聲速和可重復使用航天器的重新出現,很容易看出CMCS將如何為未來的推進和機身增加價值。“
 
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