航空發動機為什么要采用整體葉盤？

機極級技

航空發動機是飛機的“心臟”，也被譽為“工業皇冠上的明珠”，其制造集成了現代工業中的很多尖端技術，涉及材料、機械加工、熱力學等多個領域。而隨著各個國家對發動機性能的要求越來越高，處于研發、應用中的新結構、新技術、新工藝等依然在不斷挑戰現代工業的高峰。而其中一個對提高航空發動機推重比起到重要作用的，就是整體葉盤。

4 ?. M, |1 L& e0 @5 f! [" u8 v5 O

01

整體葉盤的優勢

在整體葉盤出現之前，發動機的轉子葉片需要通過榫頭、榫槽及鎖緊裝置等連接到輪盤上，但這種結構逐漸無法滿足高性能航空發動機的需求。發動機轉子葉片和輪盤一體的整體葉盤隨之被設計出來，目前已成為高推重比發動機的必選結構，在軍用、民用航空發動機上都得到了廣泛應用，主要有以下優點。

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，從而顯著減輕轉子質量。

2. 減少零件數目

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。航空發動機對可靠性的要求極為嚴苛，簡化的轉子結構對提高可靠性有很大作用。

3. 減少氣流損失

消除了傳統連接方式中的間隙會造成的逸流損失，提高了發動機工作效率，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，其葉片薄且葉型復雜，這都對制造技術提出了極高的要求。另外轉子葉片出現損傷時無法單獨更換，可能導致整體葉盤報廢，修復技術又是另一個難題。

" E2 N* x. N5 U5 @) H0 x) W# \

02

整體葉盤的制造

目前，整體葉盤的制造主要有三大技術。

1. 五軸聯動數控銑削加工

五軸聯動數控銑削加工由于其具有快速反應性、可靠性高、加工柔性好及生產準備周期短等優點，在整體葉盤制造領域得到廣泛的應用，主要有側銑、插銑和擺線銑等銑削方式。而確保整體葉盤加工成功的關鍵因素包括：

1）具有良好動態特性的五軸聯動機床

2）優化的專業CAM軟件

3）專用于鈦合金/高溫合金加工的刀具和應用知識

2. 電化學加工

電化學加工法是一種優秀的航空發動機整體葉盤通道加工方法，在電化學加工中主要有電解套料、仿形電解加工以及數控電解加工等幾種加工技術。

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

另外，相比于五軸銑削加工，電化學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，加工后不必再進行手工拋光，因此，是航空發動機整體葉盤通道加工重要的發展方向之一。

電化學加工航空整體葉盤

3. 焊接加工

對葉片進行單獨加工，并在后期采用電子束焊、線性摩擦焊或是真空固態擴散聯結等焊接技術將前期加工的葉片焊接至葉盤。其優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量要求較高，直接影響著航空發動機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，需要采用自適應加工技術針對各葉片進行個性化精密數控銑削。

除此之外，整體葉盤的修復中，焊接是十分重要的技術，其中線性摩擦焊作為一種固相焊接技術，焊接接頭質量高、再現性好，是焊接高推重比航空發動機轉子部件較為可靠和可信賴的焊接技術之一。

03

整體葉盤的應用

1. EJ200航空發動機

EJ200航空發動機共有3級風扇，5級高壓壓氣機。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級風扇和第1級高壓壓氣機上。整體葉盤與其他級的轉子并未焊在一起形成多級整體轉子，而是使用短螺栓連接，總體來說處于整體葉盤應用的初級階段。

2. F414渦扇發動機

F414渦扇發動機中，3級風扇的第2、3級和7級高壓壓氣機的前3級采用了整體葉盤，采用電化學方法加工而成。且GE公司還發展了一套可行的修理辦法，在此基礎上，風扇第2、3級的整體葉盤被焊接在一起形成整體轉子，壓氣機第1、2級也焊成一體，進一步降低了轉子的重量，提高了發動機的耐久性。

相比于EJ200，在整體葉盤的應用上，F414又前進了一大步。

2 P% d/ x9 E. Z! \

3. F119-PW-100發動機

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

4. BR715發動機

在民用大型發動機中，整體葉盤也已經得到應用。BR715發動機采用五軸聯動數控銑削技術加工整體葉盤，用在風扇后的二級增壓壓氣機上，且前后兩級整體葉盤焊接在一起形成整體轉子。其在波音717上得到應用。