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航空发动机为什么要采用整体叶盘?

2023-02-06 12:04:53

航空发动机是飞机的“心脏”,也被誉为“工业皇冠上的明珠”,其制造集成了现代工业中的很多尖端技术,涉及材料、机械加工、热力学等多个领域。而随着各个国家对发动机性能的要求越来越高,处于研发、应用中的新结构、新技术、新工艺等依然在不断挑战现代工业的高峰。而其中一个对提高航空发动机推重比起到重要作用的,就是整体叶盘。


一、整体叶盘的优势

在整体叶盘出现之前,发动机的转子叶片需要通过榫头、榫槽及锁紧装置等连接到轮盘上,但这种结构逐渐无法满足高性能航空发动机的需求。发动机转子叶片和轮盘一体的整体叶盘随之被设计出来,目前已成为高推重比发动机的必选结构,在军用、民用航空发动机上都得到了广泛应用,主要有以下优点。

1、减重

由于轮盘的轮缘处不需要加工出安装叶片的榫槽,轮缘的径向尺寸可大大减少,从而显著减轻转子质量。

2、减少零件数目

除了因为轮盘和叶片成为一体,锁紧装置的减少也是重要原因。航空发动机对可靠性的要求极为严苛,简化的转子结构对提高可靠性有很大作用。

3、减少气流损失

消除了传统连接方式中的间隙会造成的逸流损失,提高了发动机工作效率,增加了推力。

既减轻了重量又提高了推力,如此有利于提高推重比的整体叶盘自然也不是容易摘得的“明珠”。一方面,整体叶盘多使用钛合金、高温合金等难加工材料;另一方面,其叶片薄且叶型复杂,这都对制造技术提出了极高的要求。另外转子叶片出现损伤时无法单独更换,可能导致整体叶盘报废,修复技术又是另一个难题。

二、整体叶盘的制造

目前,整体叶盘的制造主要有三大技术。

1、五轴联动数控铣削加工

五轴联动数控铣削加工由于其具有快速反应性、可靠性高、加工柔性好及生产准备周期短等优点,在整体叶盘制造领域得到广泛的应用,主要有侧铣、插铣和摆线铣等铣削方式。而确保整体叶盘加工成功的关键因素包括:

1)具有良好动态特性的五轴联动机床

2)优化的专业CAM软件

3)专用于钛合金/高温合金加工的刀具和应用知识


2、电化学加工

电化学加工法是一种好的航空发动机整体叶盘通道加工方法,在电化学加工中主要有电解套料、仿形电解加工以及数控电解加工等几种加工技术。

由于电化学加工主要利用的是金属在电解液中阳极溶解的特性,在应用电化学加工技术时,阴极部分并不会产生损耗,且加工中工件不会受到切削力、加工热等的影响,降低了航空发动机整体叶盘通道加工后的残余应力。

另外,相比于五轴铣削加工,电化学加工的工时大幅减少,且在粗加工、半精加工和精加工阶段均可采用,加工后不必再进行手工抛光,因此,是航空发动机整体叶盘通道加工重要的发展方向之一。


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