先进的设计方案必需依靠新材料技术及现代制造技术才能实现,而新材料的研发和应用与相应的制造技术也是密不可分的。
自20世纪80年代中期,西方发达国家在新型航空发动机设计中采用整体叶盘结构作为最新的结构和气动布局形式,它代表了第四代、第五代高推重比航空发动机技术的发展方向,已成为高推重比发动机的必选结构。
整体叶盘是把发动机转子的叶片和轮盘设计成一个整体,采用整体加工或焊接(叶片和轮盘材料可以不同)方法制造而成,无需加工榫头和榫槽。
整体结构优点:
叶盘的轮缘径向高度、厚度和叶片原榫头部位尺寸均可大大减小,减重效果明显;
发动机转子部件的结构大为简化;消除了分体结构榫齿根部缝隙中气体的逸流损失;
避免了叶片和轮盘装配不当造成的微动磨损、裂纹以及锁片损坏带来的故障,从而有利于提高发动机工作效率,可靠性得以进一步提升。
整体叶盘结构主要应用:
风扇及高压压气机部分。航空发动机制造公司(MTU)预测:在21世纪,随着新材料、新结构的应用水平提高,未来各种航空发动机的风扇、压气机及涡轮将全面采用整体叶盘结构。
材料:
主要有钛合金和镍基合金。钛合金材料主要用于风扇及高压压气机的前几级盘,而高压压气机后几级盘则多采用镍基高温合金。
整体叶盘制造的三大技术:
数控铣削(HSC)
线性摩擦焊(LFW)
电解加工(ECM)
1数控铣削(HSC)整体叶盘
整体叶盘数控加工工艺主要有两种,五坐标数控加工实体坯料成形工艺和叶片先焊接到盘上再进行数控机械加工去除焊缝的多余材料工艺。
美国GE和普惠公司、英国罗˙罗公司等均采用五坐标数控加工技术开展了整体叶盘研制,充分利用数控加工具有的快速反应和可靠性高的特点,保证了整体叶盘型面精度。但采用该方法从整体叶盘毛坯到叶盘零件的制造过程中,材料切除率超过90%,材料利用率较低,且综合技术难度非常大。
Delcam和600 Centre公司开发了新型整体叶盘生产方法,使型面和孔加工一次完成。叶型加工采用通常的五坐标机械加工方法。在一台配有主轴转速为24000r/min的Fanuc Robodrill T2liE机床上,配有PowerMILL CAM系统,并有Nikken130装置提供第4和第5个坐标移动。
Teleflex Aerospace 采用铣切加电加工组合方案,先用电化学加工叶片,再用铣切方法加工轮毂。为了提高效率,他们利用CAM软件,产生粗加工和精加工联合路径,从而取消了手工抛光,大大节约成本提高了效率。在加工过程中,他们还采用专利技术避免加工干涉。
2线性摩擦焊(LFW)整体叶盘
线性摩擦焊属于固相焊接方法,焊缝是致密的锻造组织,接头性能优异,工艺适应性强,可焊接材料面广,其最大的优势可实现特殊结构(如空心叶片整体叶盘结构)、异种材料的焊接;焊接过程无电弧、射线辐射等污染,是一种高效、节能、环保的绿色焊接技术。
采用线性摩擦焊加工整体叶盘与用其他加工方法相比具有突出的经济效益,受到了西方发达国家的青睐。对于线性摩擦焊技术,西方各个大的发动机公司早在20世纪80年代就开始线性摩擦焊制造技术及整体叶盘结构制造相关的试验研究工作。
线性摩擦焊技术最早出现于英国1969年专利,20世纪80年代英国剑桥焊接研究所研制的线性摩擦焊机,可焊接方形、圆形、多边形等不规则截面的金属和塑料构件。罗˙罗和MTU等公司推动和发展了这种新设备和新技术,2000年开始用于EJ200和F119等发动机部分整体叶盘的制造。
自1988年开始实施的美国综合高性能涡轮发动机技术计划(IHPTET)到2005年已基本完成,历经18年,耗资约60亿美元,研究内容涉及线性摩擦焊工艺装备、接头性能和基础研究,完成了整体叶盘的综合验证、带整体叶盘转子的两级前掠风扇的修理研究等,其成果已应用到许多军民用发动机的新型号研制和现有型号的改进改型上。
MTU等公司还利用线性摩擦焊技术进行了17-4PH、Ti-6Al-4V、 γ-TiAl模拟叶片和轮盘的焊接。
欧盟耗资近400万欧元,于2006年完成了双性能钛合金线性摩擦焊整体叶盘研制的DUTIFRISK计划,利用线性摩擦焊加工出异种钛合金的双组织、双性能整体叶盘,使得轮盘和叶片都能选用最佳使用状态的材料,从而保证最佳性能。
国外线性摩擦焊接技术已相当成熟,用于制造整体叶盘的配套技术也日趋完善,叶盘焊接后组合精加工余量很小。先将叶片夹紧在专用夹具上,并使叶片和轮盘的位置对齐,然后将叶片沿特定方向高速振动,在叶片和轮盘叶根接触面产生一个很窄的摩擦加热区,当加热区的温度达到要求的温度时即停止振动,在叶片与轮盘施加顶锻力使其焊接在一起,最后通过数控清根设备将焊后的飞边和装夹凸台去除,并将焊接接头部位加工成适合的叶型。
罗罗公司和MTU公司已用线性摩擦焊技术成功制造了宽弦空心风扇叶片整体叶盘,将为JSF的发动机提供LFW焊接的整体叶盘。
可以看出,西方发达国家在线性摩擦焊工艺技术的研究及专用设备的研制方面都已经达到工程化应用水平,而且已在先进发动机型号研制中得到成功应用。
3电解加工(ECM)整体叶盘
精密振动电解加工应用于高温合金整体盘的精密高效加工,与数控铣削方法相比有着效率高(工时可减少50%以上)、加工高强度/高硬度材料时电极(刀具)无损耗、加工薄型结构无残余应力和变形的优势。电解加工优质、高效的技术特点在批量研制中十分突出。美、德、荷、日等国家十分重视电解加工在整体结构中的作用,不间断地进行系统研究。
美国GE早在20世纪80年代末就采用数控电解加工了T700的钢制整体叶盘、F22的GE37/YF120发动机的钛制整体叶盘及F414发动机的高温合金整体叶盘。与数控铣削加工方法相比,电解加工的加工时间减少了50%~85%。在整体叶盘叶栅高效去除加工技术上,GE公司采用了效率更高的多轴数控电接触加工方式,采用成形或近成形阴极进行多坐标数控送进运动实现加工,加工出的叶片叶型仍留有一定余量,该技术已在中国申报了专利。
美国Teleflex˙Aerospace公司是支持商务与军用飞机的公司。该公司实现了密集叶栅整体叶盘等结构的五坐标数控电解加工,并具备了成熟的表面抛光等相关技术。其生产线专门为GE、罗˙罗和普惠等大公司电解加工航空整体叶盘等复杂结构件。
荷兰Philips Aerospace公司宣布将采用电解加工直径达1.1m的整体叶盘,该盘将用于联合攻击机(JSF)项目的F136发动机中。据报道,JSF项目把制造成本放在首位,从研制阶段到批量生产阶段,电解加工成为其首选。
德国MTU公司2000年后首次成功应用精密振动电解加工技术加工EJ200高温合金整体叶盘,叶盘直径为φ650mm,电解加工后叶型达到了最终精度,不需要进行后续修整。
TU研制出了世界上第一台专用于加工整体叶盘的精密振动电解加工设备,在该设备上,集成了具备世界领先水平的振动进给匹配技术、短路保护技术以及精密过滤技术。
电解加工精度一旦可以满足整体叶盘加工要求后,结合其无可比拟的高效率,将会在难加工材料整体结构制造中占据重要的地位。美国航空宇航制造公司(GKN)预测:未来5~6年内电解加工整体叶盘的市场将增长400%。