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航空發動機先進結構與關鍵製造技術

航空發動機先進結構與關鍵製造技術

航空發動機被譽為飛機的「心臟」,它的設計、材料與製造技術的進步對航空工業的發展起著關鍵性的作用。近年來,航空工業發達的國家都在研製高性能航空發動機方面投入了大量的資金和人力,實施了一系列技術研發計劃,如「先進戰術戰鬥機發動機設計(ATFE)」、「綜合高性能渦輪發動機技術(IHPTET)計劃」及後續的VAATE計劃、英法合作軍用發動機技術計劃(AMET)等[1],以此來推進新一代發動機的問世。而未來第五代高性能發動機對推重比的要求已達到15~20,這些都給航空發動機的結構、材料和製造提出了更高的要求。

研究表明[2],在新一代航空發動機性能的提高中, 製造技術與材料的貢獻率為50%~70%;而在發動機減重的貢獻率中製造技術和材料的貢獻率占70%~80% , 這充分說明,先進的材料和工藝是航空發動機實現減重、增效、改善性能的關鍵技術之一。目前,航空發動機普遍採用輕量化、整體化結構,如整體葉盤、葉環結構,鈦合金、鎳基高溫合金,以及比強度高、比模量大、抗疲勞性能好的樹脂基複合材料,耐高溫、抗疲勞及蠕變性能好的金屬基複合材料等。本文基於國內外發展高推重比發動機的技術需求,對可能採用的新結構、新技術進行闡述和分析[3]

寬弦風扇空心葉片(鈦合金或複合材料)製造技術

高效、高負荷、低展弦比一直是高性能航空發動機的關鍵部件——風扇的發展方向。在20世紀80年代,英國R·R公司率先研究成功了第一代寬弦空心風扇葉片, 並應用在RB211-535E4V2500發動機上[4],如圖1a)所示。此種風扇葉片的優點是:弦長比原來增加了約40%;風扇轉子葉片數量減少30%;轉子重量減輕了10%~30%;並提高了空氣流量和氣動效率,抗外物撞擊能力以及喘振裕度[5]。為了進一步提高葉片的性能,R·R 公司於1994年又研製了第二代寬弦空心風扇葉片,轉子葉片為掠形葉片,採用鈦合金三層結構SPF/DB組合工藝製成,如圖1b)所示。緊接著,惠·普公司在PW4000系列發動機的基礎上研製了PW4084發動機,其風扇直徑達到2844mm,鈦合金寬弦空心葉片數目也從38片降為22片,大大減輕了發動機風扇葉片的重量,葉片結構如圖1c)。

目前寬弦風扇葉片的材料主要為鈦合金或複合材料。推重比為10一級的渦扇發動機,如F119EJ200M88等採用的都是鈦合金製成的寬弦風扇葉片[6]。國外正在研究的推重比15~20 高性能發動機的風扇葉片則是採用連續碳化硅纖維增強的鈦基複合材料(TiMMC[7]製成。

經過對國內外各項製造工藝的研究初步得出了空心葉片的製造工藝流程[8]如下:

1)在中間芯板上以一定的形狀噴塗止焊劑,然後將芯板與兩層面板一起用氬弧焊焊接封邊(留有進氣口);

2)將焊好的層板放入與葉片型面相同的模具內,並一起放進帶有加熱系統的壓機內,加熱升溫至超塑成形/ 擴散連接溫度;

3)先向模腔內吹入一定壓力的氬氣,然後保溫保壓使3 層鈦板內部預定部位和周邊進行擴散連接(DB);

4)連接完成後再向3層板內吹入一定壓力的氬氣進行超塑成形(SPF);

5)兩層面板在超塑成形狀態下進行拉伸和扭曲變形,同時中間芯板延展變形,形成格形結構;

6)板材完全貼模成形后隨爐冷卻,取出零件進行表面化銑;

7)最後數控加工出葉根和葉型邊緣,得到寬弦空心風扇葉片。

2為寬弦風扇葉片剖切照片,目前,寬弦風扇葉片主要採用先進的超塑成形/擴散連接工藝(SPF/DB)製造的,而SPF/DB工藝在國內發展尚不成熟,且加工工序複雜,並伴有熱成形加工,因此加工葉片的精度很難得到保證。劉業勝等[9]從模擬角度,簡化模型後分析得出,空心葉片的加工誤差可能對葉片的性能產生很大的影響,而在工程實際中其影響效應也還需要經過大量的試驗驗證及經驗積累,因此,急需開展寬弦空心風扇葉片擴散連接技術程化應用研究,進一步將擴散連接技術廣泛應用在寬弦空心風扇葉片製造中。

整體葉盤/葉環製造及修復技術

1整體葉盤/葉環的製造技術

整體葉盤結構是提高發動機部件效率的新型結構,即將葉片和風扇盤用一定的焊接方法連接成一體,省去常規風扇盤連接的榫齒和榫槽,大大簡化結構和重量,此技術已經在先進軍用發動機(如F119EJ200)的三級風扇、高壓壓氣機的整體葉盤轉子得到了驗證[10]。為了進一步減重,使結構更加簡單,在推重比15~20的高性能發動機上,壓氣機採用的是更為輕質的整體葉環結構,即將整體葉盤中的輪盤部分去掉就成為了整體葉環。目前,對整體葉環的結構設計,主要選用的是SiC長纖維增強Ti基複合材料(TiMMC)葉環代替壓氣機盤,採用線性摩擦焊技術將葉片直接固定在承力環上,可使壓氣機結構質量減輕70%,而且可以提高其高溫性能。圖3即為碳化硅纖維增強的Ti基複合材料整體葉環。

在製造技術方面,整體葉盤的製造技術已取得初步成果,如整體葉盤的五坐標數控銑、電解加工及毛坯精密鑄造等工藝有較大突破[11]。而整體葉環的製造技術很少見資料報道,只有Greg Muschlitz[12]曾在某項目階段總結報告中給出的整體葉環複合結構的製造過程,如圖4所示:首先採用鈦合金鍛造成毛坯,在環內側加工出環槽,將預先製成的TiMMC 複合材料環裝入槽內,並用普通鈦合金覆蓋在複合材料環上,再進行熱等靜壓固結,使之複合成一體,最後通過機械加工得到整體葉環。

2整體葉盤的修復技術

整體化結構的加工和修復一直都是航空工程亟待突破的關鍵問題,而整體葉盤/葉環運行過程中又經常受到磨損、衝擊以及冷熱疲勞等作用,極易產生裂紋、腐蝕和磨損等缺陷,因此,如何對存在缺陷和損傷的葉片進行修復加工,也逐漸成為發動機設計和製造人員關注的焦點。黃艷松等[13]曾對整體葉盤的主要損傷特徵及修復技術進行了研究,介紹了激光熔焊、激光熔覆、鎢極氬弧焊、線性摩擦焊等5種修復技術各自的優點和特點,指出線性摩擦焊是整體葉盤葉片替換式修復的主要方法和發展方向,而激光成形修復則可以用於整體葉盤前緣損傷和型面較大面積損傷的修復。

對整體葉盤/葉環的研究起步晚,與國外差距較大,整體工藝不成熟,製造成本昂貴,損傷后不易修復等問題都是制約其發展的主要因素,因此我們還需投入大量精力,分佈制定計劃,實現整體化結構的工程應用。

雙輻板渦輪盤的製造技術

隨著現代航空發動機推重比的不斷增大,渦輪盤的工作溫度和轉速也不斷提高,傳統的渦輪盤結構很難滿足未來先進發動機的設計要求,此時雙輻板渦輪盤進入了人們的視野。與傳統渦輪盤相比,雙輻板渦輪盤質量減輕了17%,轉速提高了9%[14]

雙輻板渦輪盤是由2個對稱半盤零件焊接成的中空雙輻板結構,具有減輕質量和提高AN2值等優勢。美國PW公司對雙輻板渦輪盤進行試驗驗證時所採用的渦輪盤結構形式。欒永先等[15]對雙輻板結構強度的進行了分析,由此可知雙輻板渦輪盤與傳統渦輪盤有很大差異,它可以使發動機結構更優,零件數量減少,可靠性和推重比都提高。它的製造過程是:首先加工出2個對稱的半盤結構,然後通過熱等靜壓或者摩擦焊等方式將2個半盤粘合在一起,利用機械加工等方式完成盤的最後成形。在加工過程中還需要需要解決以下關鍵問題:(1)保證2個半盤之間具有足夠的連接強度,避免雙輻板渦輪盤在工作中分開;(2)保證2個半盤之間的同心度,避免不同心帶來附加應力,影響渦輪正常工作;(3)處理好輪盤焊接后結合部位產生的飛邊,尤其是冷氣通道內部的飛邊。

雙輻板渦輪盤結構是一種新的結構設計方法,還有待進一步研究與優化。在航空發動機的發展進程中,新結構必須與新材料相對應[16],因此,通過今後的結構優化和新材料的使用,雙輻板渦輪盤結構必將在未來的高推重比發動機設計中有著廣泛的應用前景。

單晶空心渦輪葉片的製造技術

渦輪葉片是航空發動機的關鍵零件, 其承受溫度的能力是評價發動機性能和決定發動機壽命的重要因素。要使渦輪葉片獲得高耐溫能力, 應從兩方面進行研究:一方面是葉片高效冷卻結構的改進及鑄造工藝的發展;另一方面是葉片材質自身性能的改善或提高,這包括研究合金成分、製造方法、處理工藝等[17]

目前,用於渦輪葉片的材料已經從多晶高溫合金、定向凝固高溫合金髮展到單晶高溫合金,渦輪葉片的結構形式也由實心葉片發展到具有複雜內腔、氣膜冷卻孔和擾流柱等的空心氣冷葉片[18]。這些技術都能在很大程度上提高渦輪發動機前燃氣溫度,使渦輪發動機的綜合性能有效地提高。

5為空心渦輪葉片截面圖,在製造技術方面,單晶空心渦輪葉片形狀複雜、成形精度偏低、廢品率極高,需要精確控制葉片尺寸,而鑄造空心葉片的關鍵則是先製造出能形成葉片複雜內腔的陶瓷型芯,因此陶瓷型芯的性能是決定葉片成品率和成品質量的關鍵因素之一。多年以來發達國家對於陶瓷型芯的研究一直沒有停止過,並且將其核心技術視為高度機密不予公開。而國內陶芯的研製及精確控制其變形技術只是在近幾年剛剛起步,其中,王飛、曹臘梅等[19-20]也成功研製了普通鑄造空心葉片及單晶空心葉片用的SiO2基、Al2O3基等異型陶瓷型芯,並生產出了用於單晶空心的XD21AC21AC22型氧化鋁基陶瓷型芯,但與發達國家相比仍存在一定差距,主要是近凈形精鑄過程複雜陶瓷型芯的高溫熱變形、複雜空心薄壁變截面葉片的可鑄造性結構設計以及製造過程智能化等領域基礎研究薄弱,因此,在未來研究中,應加大對陶瓷型芯的研究力度,實現單晶渦輪葉片精確控形與嚴格控性的耦合,最終達到葉片氣動外形的近凈成形精度控制要求,以滿足未來航空發動機高效、減重、延壽和高可靠性的需求。

浮壁式燃燒室的製造技術

隨著航空發動機性能的不斷提高,燃燒室進口溫度、壓力和出口溫升逐步上升,高溫燃氣向火焰筒壁面的熱輻射強度也隨之增強,使火焰筒壁溫問題顯得越來越突出。火焰筒所使用的高溫合金材料的許用工作溫度已很難提高而新的陶瓷基複合材料現在還無法應用到火焰筒上,因此,要提高火焰筒的性能就必須改進火焰筒壁面結構,即衝擊-對流-氣膜複合冷卻的浮壁式壁面結構[21],但浮壁式結構也給火焰筒的製造技術提出了很多難題。

楊秀娟[22]等針對該火焰筒結構剛性差、薄壁易變形、尺寸穩定性極差、尺寸精度要求非常高、結構複雜等難點通過查閱資料、進行試驗和分析, 提出了浮壁式火焰筒的加工工藝路線,火焰筒外環筒體組件工藝路線的制定如圖6所示。而對於內外筒體壁上萬個衝擊孔和瓦片裝配定位孔的加工技術,於冰等[23]也曾對浮壁式火焰筒的結構特點及工藝特性進行研究,提出高速電火花小孔加工工藝方案,並開發出連續完整的加工程序。通過分析檢測報告及結果顯示,也驗證了工藝方案的可行性。

國內在浮動壁燃燒室技術研究方面已具備了一定的基礎,當前的關鍵任務就是早日實現浮動壁燃燒室在在工程實際上的應用,從而縮短國內航空發動機燃燒室研製水平與航空先進國家的差距。

結束語

本文主要介紹了當前國內外航空發動機幾個主要部件的先進結構以及關鍵製造技術,先進的結構和製造技術是高性能航空發動機技術發展的基礎,發動機技術的發展越來越依賴於材料和工藝的進步。以前在航空發動機領域一直是重設計輕製造,生產設備落後,忽視製造基礎建設和製造技術發展。製造工藝是保證發動機質量的根本,因此在以後的工作中一定要注意設計-材料-工藝密切配合,實現新一代高性能航空發動機的研製成功。

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