航空發(fā)動機是飛機的“心臟”,也被譽為“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,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(fā)動機性能的要求越來越高,處于研發(fā)、應用中的新結構、新技術、新工藝等依然在不斷挑戰(zhàn)現(xiàn)代工業(yè)的高峰。而其中一個對提高航空發(fā)動機推重比起到重要作用的,就是整體葉盤。
在整體葉盤出現(xiàn)之前,發(fā)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(fā)動機的需求。發(fā)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(fā)動機的必選結構,在軍用、民用航空發(fā)動機上都得到了廣泛應用,主要有以下優(yōu)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(shù)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(fā)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(tǒng)連接方式中的間隙會造成的逸流損失,提高了發(fā)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(xiàn)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。五軸聯(lián)動數(shù)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(yōu)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(tài)特性的五軸聯(lián)動機床電化學加工法是一種優(yōu)秀的航空發(fā)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(shù)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(fā)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(fā)動機整體葉盤通道加工重要的發(fā)展方向之一。
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(tài)擴散聯(lián)結等焊接技術將前期加工的葉片焊接至葉盤。其優(yōu)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(fā)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(shù)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(xiàn)性好,是焊接高推重比航空發(fā)動機轉子部件較為可靠和可信賴的焊接技術之一。
EJ200航空發(fā)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。F414渦扇發(fā)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(fā)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(fā)動機的耐久性。相比于EJ200,在整體葉盤的應用上,F(xiàn)414又前進了一大步。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。在民用大型發(fā)動機中,整體葉盤也已經(jīng)得到應用。BR715發(fā)動機采用五軸聯(lián)動數(shù)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。