航空發(fā)動機(jī)為什么要采用整體葉盤？

機(jī)極級技

航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的“心臟”,，也被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”,，其制造集成了現(xiàn)代工業(yè)中的很多尖端技術(shù)，涉及材料,、機(jī)械加工,、熱力學(xué)等多個領(lǐng)域。而隨著各個國家對發(fā)動機(jī)性能的要求越來越高,，處于研發(fā),、應(yīng)用中的新結(jié)構(gòu)、新技術(shù),、新工藝等依然在不斷挑戰(zhàn)現(xiàn)代工業(yè)的高峰,。而其中一個對提高航空發(fā)動機(jī)推重比起到重要作用的，就是整體葉盤,。

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整體葉盤的優(yōu)勢

在整體葉盤出現(xiàn)之前,，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片需要通過榫頭、榫槽及鎖緊裝置等連接到輪盤上,，但這種結(jié)構(gòu)逐漸無法滿足高性能航空發(fā)動機(jī)的需求,。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和輪盤一體的整體葉盤隨之被設(shè)計出來,，目前已成為高推重比發(fā)動機(jī)的必選結(jié)構(gòu)，在軍用,、民用航空發(fā)動機(jī)上都得到了廣泛應(yīng)用,，主要有以下優(yōu)點。

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1. 減重

由于輪盤的輪緣處不需要加工出安裝葉片的榫槽,，輪緣的徑向尺寸可大大減少,，從而顯著減輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量。

2. 減少零件數(shù)目

除了因為輪盤和葉片成為一體,，鎖緊裝置的減少也是重要原因,。航空發(fā)動機(jī)對可靠性的要求極為嚴(yán)苛，簡化的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對提高可靠性有很大作用,。

3. 減少氣流損失

消除了傳統(tǒng)連接方式中的間隙會造成的逸流損失,，提高了發(fā)動機(jī)工作效率，增加了推力,。

既減輕了重量又提高了推力,，如此有利于提高推重比的整體葉盤自然也不是容易摘得的“明珠”。一方面,，整體葉盤多使用鈦合金,、高溫合金等難加工材料；另一方面,，其葉片薄且葉型復(fù)雜,，這都對制造技術(shù)提出了極高的要求。另外轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)損傷時無法單獨更換,，可能導(dǎo)致整體葉盤報廢,，修復(fù)技術(shù)又是另一個難題。

02

整體葉盤的制造

目前,，整體葉盤的制造主要有三大技術(shù),。

1. 五軸聯(lián)動數(shù)控銑削加工

五軸聯(lián)動數(shù)控銑削加工由于其具有快速反應(yīng)性、可靠性高,、加工柔性好及生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短等優(yōu)點,，在整體葉盤制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，主要有側(cè)銑,、插銑和擺線銑等銑削方式,。而確保整體葉盤加工成功的關(guān)鍵因素包括：

1）具有良好動態(tài)特性的五軸聯(lián)動機(jī)床

2）優(yōu)化的專業(yè)CAM軟件

3）專用于鈦合金/高溫合金加工的刀具和應(yīng)用知識

2. 電化學(xué)加工

電化學(xué)加工法是一種優(yōu)秀的航空發(fā)動機(jī)整體葉盤通道加工方法，在電化學(xué)加工中主要有電解套料,、仿形電解加工以及數(shù)控電解加工等幾種加工技術(shù),。

由于電化學(xué)加工主要利用的是金屬在電解液中陽極溶解的特性，在應(yīng)用電化學(xué)加工技術(shù)時,，陰極部分并不會產(chǎn)生損耗,，且加工中工件不會受到切削力,、加工熱等的影響，降低了航空發(fā)動機(jī)整體葉盤通道加工后的殘余應(yīng)力,。

另外,，相比于五軸銑削加工,，電化學(xué)加工的工時大幅減少,，且在粗加工、半精加工和精加工階段均可采用,，加工后不必再進(jìn)行手工拋光,，因此，是航空發(fā)動機(jī)整體葉盤通道加工重要的發(fā)展方向之一,。

電化學(xué)加工航空整體葉盤

3. 焊接加工

對葉片進(jìn)行單獨加工,，并在后期采用電子束焊、線性摩擦焊或是真空固態(tài)擴(kuò)散聯(lián)結(jié)等焊接技術(shù)將前期加工的葉片焊接至葉盤,。其優(yōu)勢是可以用于葉片和輪盤材料不一致的整體葉盤制造,。

采用焊接式加工時對葉片焊接質(zhì)量要求較高，直接影響著航空發(fā)動機(jī)整體葉盤的使用性能和可靠性,。而且由于焊接式葉盤所用葉片實際形狀不盡一致,，受焊接精度限制各葉片在焊接后位置不盡一致，需要采用自適應(yīng)加工技術(shù)針對各葉片進(jìn)行個性化精密數(shù)控銑削,。

除此之外,，整體葉盤的修復(fù)中，焊接是十分重要的技術(shù),，其中線性摩擦焊作為一種固相焊接技術(shù),，焊接接頭質(zhì)量高、再現(xiàn)性好,，是焊接高推重比航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子部件較為可靠和可信賴的焊接技術(shù)之一,。

03

整體葉盤的應(yīng)用

1. EJ200航空發(fā)動機(jī)

EJ200航空發(fā)動機(jī)共有3級風(fēng)扇，5級高壓壓氣機(jī),。單個葉片通過電子束焊接到輪盤上形成整體葉盤,，用在第3級風(fēng)扇和第1級高壓壓氣機(jī)上。整體葉盤與其他級的轉(zhuǎn)子并未焊在一起形成多級整體轉(zhuǎn)子,，而是使用短螺栓連接,，總體來說處于整體葉盤應(yīng)用的初級階段。

2. F414渦扇發(fā)動機(jī)

F414渦扇發(fā)動機(jī)中,，3級風(fēng)扇的第2,、3級和7級高壓壓氣機(jī)的前3級采用了整體葉盤，采用電化學(xué)方法加工而成,。且GE公司還發(fā)展了一套可行的修理辦法,，在此基礎(chǔ)上,，風(fēng)扇第2、3級的整體葉盤被焊接在一起形成整體轉(zhuǎn)子,，壓氣機(jī)第1,、2級也焊成一體，進(jìn)一步降低了轉(zhuǎn)子的重量,，提高了發(fā)動機(jī)的耐久性,。

相比于EJ200，在整體葉盤的應(yīng)用上,，F(xiàn)414又前進(jìn)了一大步,。

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3. F119-PW-100發(fā)動機(jī)

3級風(fēng)扇、6級高壓壓氣機(jī)全部采用了整體葉盤,，且第1級風(fēng)扇葉片是空心的,，通過線性摩擦焊將空心葉片焊到輪盤上形成整體葉盤，使該級轉(zhuǎn)子重量減少了32kg,。

4. BR715發(fā)動機(jī)

在民用大型發(fā)動機(jī)中,，整體葉盤也已經(jīng)得到應(yīng)用。BR715發(fā)動機(jī)采用五軸聯(lián)動數(shù)控銑削技術(shù)加工整體葉盤,，用在風(fēng)扇后的二級增壓壓氣機(jī)上,，且前后兩級整體葉盤焊接在一起形成整體轉(zhuǎn)子。其在波音717上得到應(yīng)用,。