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航空发动机先进结构与关键制造技术

2017-1-10 08:18| 发布者: admin| 查看: 52| 评论: 0

摘要: 航空发动机被誉为飞机的“心脏”,它的设计、材料与制造技术的进步对航空工业的发展起着关键性的作用。近年来,航空工业发达的国家都在研制高性能航空发动机方面投入了大量的资金和人力,实施了一系列技术研发计划, ...

航空发动机被誉为飞机的“心脏”,它的设计、材料与制造技术的进步对航空工业的发展起着关键性的作用。近年来,航空工业发达的国家都在研制高性能航空发动机方面投入了大量的资金和人力,实施了一系列技术研发计划,如“先进战术战斗机发动机设计(ATFE)”、“综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划”及后续的VAATE计划、英法合作军用发动机技术计划(AMET)等[1],以此来推进新一代发动机的问世。而未来第五代高性能发动机对推重比的要求已达到15~20,这些都给航空发动机的结构、材料和制造提出了更高的要求。

研究表明[2],在新一代航空发动机性能的提高中, 制造技术与材料的贡献率为50%~70%;而在发动机减重的贡献率中,制造技术和材料的贡献率占70%~80% , 这充分说明,先进的材料和工艺是航空发动机实现减重、增效、改善性能的关键技术之一。目前,航空发动机普遍采用轻量化、整体化结构,如整体叶盘、叶环结构,钛合金、镍基高温合金,以及比强度高、比模量大、抗疲劳性能好的树脂基复合材料,耐高温、抗疲劳及蠕变性能好的金属基复合材料等。本文基于国内外发展高推重比发动机的技术需求,对可能采用的新结构、新技术进行阐述和分析[3]

宽弦风扇空心叶片(钛合金或复合材料)制造技术

高效、高负荷、低展弦比一直是高性能航空发动机的关键部件——风扇的发展方向。在20世纪80年代,英国R·R公司率先研究成功了第一代宽弦空心风扇叶片, 并应用在RB211-535E4V2500发动机上[4],如图1a)所示。此种风扇叶片的优点是:弦长比原来增加了约40%;风扇转子叶片数量减少30%;转子重量减轻了10%~30%;并提高了空气流量和气动效率,抗外物撞击能力以及喘振裕度[5]。为了进一步提高叶片的性能,R·R 公司于1994年又研制了第二代宽弦空心风扇叶片,转子叶片为掠形叶片,采用钛合金三层结构SPF/DB组合工艺制成,如图1b)所示。紧接着,惠·普公司在PW4000系列发动机的基础上研制了PW4084发动机,其风扇直径达到2844mm,钛合金宽弦空心叶片数目也从38片降为22片,大大减轻了发动机风扇叶片的重量,叶片结构如图1c)。


目前,宽弦风扇叶片的材料主要为钛合金或复合材料。推重比为10一级的涡扇发动机,如F119EJ200M88等采用的都是钛合金制成的宽弦风扇叶片[6]。国外正在研究的推重比15~20 高性能发动机的风扇叶片则是采用连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料(TiMMC[7]制成。

经过对国内外各项制造工艺的研究初步得出了空心叶片的制造工艺流程[8]如下:

1)在中间芯板上以一定的形状喷涂止焊剂,然后将芯板与两层面板一起用氩弧焊焊接封边(留有进气口);

2)将焊好的层板放入与叶片型面相同的模具内,并一起放进带有加热系统的压机内,加热升温至超塑成形/ 扩散连接温度;

3)先向模腔内吹入一定压力的氩气,然后保温保压使3 层钛板内部预定部位和周边进行扩散连接(DB);

4)连接完成后再向3层板内吹入一定压力的氩气进行超塑成形(SPF);

5)两层面板在超塑成形状态下进行拉伸和扭曲变形,同时中间芯板延展变形,形成格形结构;

6)板材完全贴模成形后随炉冷却,取出零件进行表面化铣;

7)最后数控加工出叶根和叶型边缘,得到宽弦空心风扇叶片。

2为宽弦风扇叶片剖切照片,目前,宽弦风扇叶片主要采用先进的超塑成形/扩散连接工艺(SPF/DB)制造的,而SPF/DB工艺在国内发展尚不成熟,且加工工序复杂,并伴有热成形加工,因此加工叶片的精度很难得到保证。刘业胜等[9]从仿真角度,简化模型后分析得出,空心叶片的加工误差可能对叶片的性能产生很大的影响,而在工程实际中其影响效应也还需要经过大量的试验验证及经验积累,因此,急需开展宽弦空心风扇叶片扩散连接技术程化应用研究,进一步将扩散连接技术广泛应用在宽弦空心风扇叶片制造中。


整体叶盘/叶环制造及修复技术

1 整体叶盘/叶环的制造技术

整体叶盘结构是提高发动机部件效率的新型结构,即将叶片和风扇盘用一定的焊接方法连接成一体,省去常规风扇盘连接的榫齿和榫槽,大大简化结构和重量,此技术已经在先进军用发动机(如F119EJ200)的三级风扇、高压压气机的整体叶盘转子得到了验证[10]。为了进一步减重,使结构更加简单,在推重比15~20的高性能发动机上,压气机采用的是更为轻质的整体叶环结构,即将整体叶盘中的轮盘部分去掉就成为了整体叶环。目前,对整体叶环的结构设计,主要选用的是SiC长纤维增强Ti基复合材料(TiMMC)叶环代替压气机盘,采用线性摩擦焊技术将叶片直接固定在承力环上,可使压气机结构质量减轻70%,而且可以提高其高温性能。图3即为碳化硅纤维增强的Ti基复合材料整体叶环。


在制造技术方面,我国整体叶盘的制造技术已取得初步成果,如整体叶盘的五坐标数控铣、电解加工及毛坯精密铸造等工艺有较大突破[11]。而整体叶环的制造技术很少见资料报道,只有Greg Muschlitz[12]曾在某项目阶段总结报告中给出的整体叶环复合结构的制造过程,如图4所示:首先采用钛合金锻造成毛坯,在环内侧加工出环槽,将预先制成的TiMMC 复合材料环装入槽内,并用普通钛合金覆盖在复合材料环上,再进行热等静压固结,使之复合成一体,最后通过机械加工得到整体叶环。


2 整体叶盘的修复技术

整体化结构的加工和修复一直都是航空工程亟待突破的关键问题,而整体叶盘/叶环运行过程中又经常受到磨损、冲击以及冷热疲劳等作用,极易产生裂纹、腐蚀和磨损等缺陷,因此,如何对存在缺陷和损伤的叶片进行修复加工,也逐渐成为发动机设计和制造人员关注的焦点。黄艳松等[13]曾对整体叶盘的主要损伤特征及修复技术进行了研究,介绍了激光熔焊、激光熔覆、钨极氩弧焊、线性摩擦焊等5种修复技术各自的优点和特点,指出线性摩擦焊是整体叶盘叶片替换式修复的主要方法和发展方向,而激光成形修复则可以用于整体叶盘前缘损伤和型面较大面积损伤的修复。

我国对整体叶盘/叶环的研究起步晚,与国外差距较大,整体工艺不成熟,制造成本昂贵,损伤后不易修复等问题都是制约其发展的主要因素,因此我们还需投入大量精力,分布制定计划,实现整体化结构的工程应用。

双辐板涡轮盘的制造技术

随着现代航空发动机推重比的不断增大,涡轮盘的工作温度和转速也不断提高,传统的涡轮盘结构很难满足未来先进发动机的设计要求,此时双辐板涡轮盘进入了人们的视野。与传统涡轮盘相比,双辐板涡轮盘质量减轻了17%,转速提高了9%[14]

双辐板涡轮盘是由2个对称半盘零件焊接成的中空双辐板结构,具有减轻质量和提高AN2值等优势。美国PW公司对双辐板涡轮盘进行试验验证时所采用的涡轮盘结构形式。栾永先等


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