航空发动机整体叶环结构的研究进展.pdf

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1、钐论坛FORUM航空发动机整体叶环结构的研究进展DevelopmentofResearchonAeroengineBlingStructure西北工业大学动力与能源学院张国乾赵明陆山章胜商体松张国乾硕士研究生。主要从事航空发动机强度与寿命研究。高推重比是未来先进航空发动机性能的重要指标,在提高发动机可靠性和维护性的同时,减轻发动机结构重量,提高发动机的结构效率和燃气温度是提高推重比的重要途径。为此,除改进发动机设计方法外,发展和采用先进的轻质高性能材料与高结构效率的整体、轻量化结构是目前主要的发展趋势。国外(如美50航空翻造技术·2013年第9期目前,整体叶环制造工艺的不

2、成熟,碳化硅纤维高昂的制造成本及叶片损伤后不易修复等因素是阻碍整体叶环结构发展的主要因素,但随着材料技术的不断发展,科技的不断进步,整体叶环等新颖的轻质结构必将在未来航空发动机中有广泛的应用。国、欧洲按照IHPTET、UEET、ACME等)相继研发了一系列航空发动机先进制造技术,开发的风扇和压气机新结构主要包括钛合金整体叶盘(BLISC)、整体叶环(BUNG)和连续纤维增强钛基复合材料空心叶片等【l划。连续纤维增强钛基复合材料整体叶环结构在减重、承受环向载荷等方面具有明显的优点,必将成为未来先进发动机的发展方向。本文对整体叶环结构的组成、材料选择及加工制造工艺的发展展开论

3、述,希望对我国开展整体叶环研究能提供参考价值。航空发动机整体叶环结构整体叶环在整体叶盘的基础上发展起来的。整体叶盘结构‘习是采用先进的连接工艺将叶片和盘制造成一体,省去常规的叶盘联接的榫头和榫槽的一种结构。这种结构省掉了叶片榫头和榫槽连接的自重和支撑这些质量所需的结构,从而大大减轻了风扇和压气机转子的质量;没有榫槽泄漏通道,确保叶根处的流路不中断,并减少级间凹处的风阻损失,从而提高性能;无榫槽泄漏,使压气机转子温度较低,从而提高转子的寿命;省去安装边以及螺栓、螺母、锁片等连接件,从而大大减少零件的数量;没有榫槽,避免了出现榫槽损伤以及断裂等潜在故障隐患,从而大大提高可靠性

4、。对于整体叶盘使用过程中造成的损伤,可利用线性摩擦焊技术,将损坏的叶片切去后再焊上新叶片从而实现对损坏叶片的修复口】。目前,整体叶盘技术已经是一项成熟的通用技术,但减重效果更好的是整体叶环技术(4】。KeyM。。ufaclu『Ingkh酬ogyofAe啪吲。。forLarg。Ai啪n大飞庵鬼发动闰日鹤蜊造技术将整体叶盘中的轮盘部分去掉,就成为整体叶环;由于缺少了承受负荷的轮盘,整体叶环承受不了叶片的离心负荷,因此,整体叶环只能用密度较小的复合材料来制造。目前,正在研制的整体叶环是用连续单根碳化硅(SiC)长纤维增强的钛基复合材料(TiMMC)【5-7]制造的,具有强度高、

5、使用温度高及疲劳和蠕变性能好的优点,TiMMC整体叶环如图1所示。TiMMC整体叶环代替压气机盘,不仅可以扩大压气机的设计范围,而且可大幅度减轻重量,与常规轮盘和叶片结构相比,整体叶盘能减轻30%的重量,而整体叶环能减轻70%的重量[4--8]o压气机减重效果如图2所示。图1碳化硅纤维增强的T.基复合材料整体叶环强㈣常规叶盘整体叶盘整体叶环圈2钛合金整体叶盘及整体叶环结构示意图整体叶环结构的应用连续纤维增强的MMC整体叶环结构得到了世界航空发动机设计与制造商的高度关注和大力开发M2】。美国连续纤维增强的MMC在压气机整体叶环上的应用研究工作始于20世纪80年代。美国空军、

6、加雷特公司、AADC公司、GEAE公司和P·w公司在可行性研究、制造工艺、试验验证等方面开展了大量的工作。20世纪90年代初,在IHPTET研究计划下,AADC公司设计和试验了XTC一16系列核心机4级压气机的第3和第4级采用碳化硅增强的TiMMC整体叶环。该整体叶环转子的质量大大减轻,如第3级整体叶环转子的质量只有4.5kg左右,而常规镍基合金制造的同样转子的实际质量为25kg。20世纪90年代中期,在IHPTET研究计划下,GEAE公司开发和验证了TiMMC压气机整体叶环。该公司和AADC公司合作研制的ATEGG验证机XTC76/2核心机5级高压压气机采用外圈增强的M

7、MC的压气机转子,满足了高转速和高温的要求,减轻了盘的质量,降低了制造费用,改善了可维护性。IHPTET计划第二阶段在验证机高压压气机上采用了TMC整体叶环技术。IHPTET计划第三阶段中将验证的整体叶环的叶片材料是1钛铝金属间化合物,鼓为碳化硅纤维增强的钛金属基复合材料,用黏结工艺制成,其重量只有常规金属材料盘鼓结构的30%。欧洲国家的航空发动机公司从20世纪90年代开始研究高强度、大刚性、小密度的SiC纤维增强的钛合金基复合材料的整体叶环转子。德国MTU公司开发的碳化硅纤维增强的TiMMC整体叶环转子【9】,已完成了低循环

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