航空發(fā)動(dòng)機(jī)為什么要采用整體葉盤？

機(jī)極級(jí)技

航空發(fā)動(dòng)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(gè)領(lǐng)域。而隨著各個(gè)國(guó)家對(duì)發(fā)動(dòng)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(gè)對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)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(shì)

在整體葉盤出現(xiàn)之前，發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的需求。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和輪盤一體的整體葉盤隨之被設(shè)計(jì)出來，目前已成為高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的必選結(jié)構(gòu)，在軍用、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上都得到了廣泛應(yīng)用，主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

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?yàn)檩啽P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(dòng)機(jī)對(duì)可靠性的要求極為嚴(yán)苛，簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)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(huì)造成的逸流損失，提高了發(fā)動(dòng)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(duì)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(shí)無法單獨(dú)更換，可能導(dǎo)致整體葉盤報(bào)廢，修復(fù)技術(shù)又是另一個(gè)難題。

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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(dòng)數(shù)控銑削加工

五軸聯(lián)動(dòng)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(diǎn)，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(dòng)態(tài)特性的五軸聯(lián)動(dòng)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(shí)

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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(dòng)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(shí)，陰極部分并不會(huì)產(chǎn)生損耗，且加工中工件不會(huì)受到切削力、加工熱等的影響，降低了航空發(fā)動(dòng)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(shí)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(dòng)機(jī)整體葉盤通道加工重要的發(fā)展方向之一。

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電化學(xué)加工航空整體葉盤

3. 焊接加工

對(duì)葉片進(jìn)行單獨(dú)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(shì)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(shí)對(duì)葉片焊接質(zhì)量要求較高，直接影響著航空發(fā)動(dòng)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(shí)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(duì)各葉片進(jìn)行個(gè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件較為可靠和可信賴的焊接技術(shù)之一。

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03

整體葉盤的應(yīng)用

1. EJ200航空發(fā)動(dòng)機(jī)

EJ200航空發(fā)動(dòng)機(jī)共有3級(jí)風(fēng)扇，5級(jí)高壓壓氣機(jī)。單個(gè)葉片通過電子束焊接到輪盤上形成整體葉盤，用在第3級(jí)風(fēng)扇和第1級(jí)高壓壓氣機(jī)上。整體葉盤與其他級(jí)的轉(zhuǎn)子并未焊在一起形成多級(jí)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(jí)階段。

2. F414渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

F414渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，3級(jí)風(fēng)扇的第2、3級(jí)和7級(jí)高壓壓氣機(jī)的前3級(jí)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(jí)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(jí)也焊成一體，進(jìn)一步降低了轉(zhuǎn)子的重量，提高了發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)

3級(jí)風(fēng)扇、6級(jí)高壓壓氣機(jī)全部采用了整體葉盤，且第1級(jí)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(jí)轉(zhuǎn)子重量減少了32kg。

4. BR715發(fā)動(dòng)機(jī)

在民用大型發(fā)動(dòng)機(jī)中，整體葉盤也已經(jīng)得到應(yīng)用。BR715發(fā)動(dòng)機(jī)采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削技術(shù)加工整體葉盤，用在風(fēng)扇后的二級(jí)增壓壓氣機(jī)上，且前后兩級(jí)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。