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整體葉盤——發動機結構設計的新寵兒
來源:中國航發航材院       發布時間:2019-06-12

  團結就是力量,不僅適用于生活中,在航空發動機零部件的設計研發中也得到了充分體現。葉片和渦輪盤是發動機最為關鍵的零部件,隨著發動機推重比持續增加,對葉片和渦輪盤的性能也提出更為苛刻的要求。為了滿足性能要求,通過將葉片和渦輪盤結合在一起——整體葉盤逐漸成為結構設計的新寵兒。

  較之傳統的結構,整體葉盤在減重、降低應力和提高性能等方面具有優勢,可以顯著提高發動機的可靠性。
  

整體葉盤的優勢

       1. 大大減少了零件數量,簡化了結構,使整體葉盤減重效益達到30%以上;

       2. 消除了零件連接和裝配引起的外力,避免零件間的磨損,降低對其他零件的負荷;

       3. 提高了氣動效率,有效降低熱機械疲勞風險,改善壓氣機氣動穩定性。

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整體葉盤的應用實例

  整體葉盤結構的設計始于20世紀60年代,早期主要用于小型渦軸發動機壓氣機結構,憑借著在小型發動機上的成功應用,整體葉盤結構得到快速推廣,逐漸應用于大型發動機的風扇和壓氣機系統。

  如今,許多國外航空發動機使用整體葉盤作為典型結構,如EJ200F119F135等,溫度相對較低的風扇和高壓壓氣機前段一般采用鈦合金,溫度相對較高的高壓壓氣機后段一般采用鎳基高溫合金。

  2000年開始,英國RR公司與德國MTU公司合作研制EJ200發動機,三級風扇和五級高壓壓氣機轉子全部采用整體葉盤結構。
  

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EJ200發動機風扇整體葉盤
  

  F119發動機的三級風扇和六級高壓壓氣機轉子也全部采用整體葉盤結構,第1級風扇葉片制成空心結構,并焊接到盤上形成整體葉盤。
  

  基于整體葉盤結構在軍用發動機上的成功應用,逐漸將這一先進的結構設計用于民用發動機領域。
  

       1. TRENT XWB發動機中壓壓氣機采用鈦合金整體葉盤結構;
  

       2. GEnx高壓壓氣機第1級、第3級和第5級采用整體葉盤結構;
  

       3. PW1000G三級風扇均采用整體葉盤結構,高壓壓氣機除第8級轉外,其余七級均采用整體葉盤結構。
  

  隨著整體葉盤結構設計和加工能力的提升以及工程應用經驗的積累,其應用技術也不斷發展成熟。

整體葉盤的未來發展

  即使是同一級的整體葉盤,每個零件承受的溫度和外力也相差很多。為了滿足不同環境下的不同性能需求,未來整體葉片的設計將采用更為靈活的方案。目前,科學家提出了雙性能整體葉盤(Dual-property Blisk)和雙合金整體葉盤(Dual-alloy Blisk)的思路,改變傳統設計所追求的均勻組織,通過設計創新與工藝創新的融合,優化整體葉盤的結構設計,實現性能的最優化配置。

  隨著整體葉盤葉片增材制造修復技術的發展和日趨成熟,修復后的葉片強度與原葉片相當,使整體葉盤零件煥發新的生命力,克服了整體葉盤工程應用的技術障礙。

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