航发科普
整体叶盘——发动机结构设计的新宠儿
来源:中国航发航材院       发布时间:2019-06-12

  团结就是力量,不仅适用于生活中,在航空发动机零部件的设计研发中也得到了充分体现。叶片和涡轮盘是发动机最为关键的零部件,随着发动机推重比持续增加,对叶片和涡轮盘的性能也提出更为苛刻的要求。为了满足性能要求,通过将叶片和涡轮盘结合在一起——整体叶盘逐渐成为结构设计的新宠儿。

  较之传统的结构,整体叶盘在减重、降低应力和提高性能等方面具有优势,可以显著提高发动机的可靠性。
  

整体叶盘的优势

       1. 大大减少了零件数量,简化了结构,使整体叶盘减重效益达到30%以上;

       2. 消除了零件连接和装配引起的外力,避免零件间的磨损,降低对其他零件的负荷;

       3. 提高了气动效率,有效降低热机械疲劳风险,改善压气机气动稳定性。

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整体叶盘的应用实例

  整体叶盘结构的设计始于20世纪60年代,早期主要用于小型涡轴发动机压气机结构,凭借着在小型发动机上的成功应用,整体叶盘结构得到快速推广,逐渐应用于大型发动机的风扇和压气机系统。

  如今,许多国外航空发动机使用整体叶盘作为典型结构,如EJ200F119F135等,温度相对较低的风扇和高压压气机前段一般采用钛合金,温度相对较高的高压压气机后段一般采用镍基高温合金。

  2000年开始,英国RR公司与德国MTU公司合作研制EJ200发动机,三级风扇和五级高压压气机转子全部采用整体叶盘结构。
  

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EJ200发动机风扇整体叶盘
  

  F119发动机的三级风扇和六级高压压气机转子也全部采用整体叶盘结构,第1级风扇叶片制成空心结构,并焊接到盘上形成整体叶盘。
  

  基于整体叶盘结构在军用发动机上的成功应用,逐渐将这一先进的结构设计用于民用发动机领域。
  

       1. TRENT XWB发动机中压压气机采用钛合金整体叶盘结构;
  

       2. GEnx高压压气机第1级、第3级和第5级采用整体叶盘结构;
  

       3. PW1000G三级风扇均采用整体叶盘结构,高压压气机除第8级转外,其余七级均采用整体叶盘结构。
  

  随着整体叶盘结构设计和加工能力的提升以及工程应用经验的积累,其应用技术也不断发展成熟。

整体叶盘的未来发展

  即使是同一级的整体叶盘,每个零件承受的温度和外力也相差很多。为了满足不同环境下的不同性能需求,未来整体叶片的设计将采用更为灵活的方案。目前,科学家提出了双性能整体叶盘(Dual-property Blisk)和双合金整体叶盘(Dual-alloy Blisk)的思路,改变传统设计所追求的均匀组织,通过设计创新与工艺创新的融合,优化整体叶盘的结构设计,实现性能的最优化配置。

  随着整体叶盘叶片增材制造修复技术的发展和日趋成熟,修复后的叶片强度与原叶片相当,使整体叶盘零件焕发新的生命力,克服了整体叶盘工程应用的技术障碍。

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