航空发动机的新结构及其强度设计

② 叶身型面尺寸的一致化。由于整体叶盘的 叶身一般都用数控加工， 各叶片的叶身型面一致性 很好， 各叶片的自振频率很接近， 加上没有了榫头连 接处的机械阻尼， 使得叶片的振动问题更为严重， 盘 片耦合振动问题也更为突出。可以按某一规律设计 两种或 多 种 叶 身 型 面 来 采 用“错 频 ”技 术 ， 但 对“错
第 ２０ 卷 第 ２ 期 ２００７ 年 ５ 月
燃气涡轮试验与研究 Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．２
Ｍａｙ，２００７
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航空发动机的新结构及其强度设计
江和甫， 古远兴， 卿 华
（中国燃气涡轮研究院， 四川 成都 ６１０５００）
摘 要： 本文首先对航空发动机结构发展进行了回顾， 指出今后 １０～２０ 年内发动机 结 构 和 材 料 应 用 方 面 的 发 展 趋 势 ； 接着对推重比 １０ 一级发动机中采用的新结构及其强度设计技术进行了详细分析 ， 预测了推重比 １２～１５ 一级发动机中 可能出现的新结构及强度问题； 最后分析了发动机结构及材料与强度设计的相互依存关系。 关键词： 航空发动机； 结构； 材料； 强度设计 中图分类号： Ｖ２３ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７２－ ２６２０ （２００７） ０２－ ０００１－ ０４
Ｎｅｗ Ｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ｅ ａｎｄ Ｓｔｒ ｅｎｇｔｈ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｅｒ ｏｅｎｇｉｎｅ
ＪＩＡＮＧ Ｈｅ－ ｆｕ， ＧＵ Ｙｕａｎ－ ｘｉｎｇ， ＱＩＮＧ Ｈｕａ
（Ｃｈｉｎａ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１０５００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｉｅｗｓ ｅｎｇｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｈｉｓｔｏｒｙ， ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅ－ ｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． Ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅｓｉｇｎ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｂｙ ｅｎｇｉｎｅｓ ｗｉｔｈ １０：１ ｔｈｒｕｓｔ／ｗｅｉｇｈｔ ｒａｔｉｏ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｉｎ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｒｕｓｔ／ｗｅｉｇｈｔ ｒａｔｉｏ ｏｆ １２￣１５：１ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｎｇｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅｓｉｇｎ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ； ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｍａｔｅｒｉａｌ； ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅｓｉｇｎ
３ 推重比 １０ 发动机中的新结构及其强度设计
目前， 作为第四代战斗机动力装置的推重比 １０ 发动机已投入使用， 其典型代表机种为美国的 Ｆ１１９ 发动机。推重比 １０ 发动机中采用了很多新结构， 也
引发了新的强度设计技术， 主要有： （１） 整体叶盘。在 Ｆ１１９、ＥＪ２００ 等发动机中， 都
采用了整体叶盘的风扇、压气机转子结构。在它们的 验证机和初期生产批发动机上， 只是部分级采用了 整体叶盘， 不过在后来， 风扇、压气机各级都采用了 整体叶盘结构， 其工艺有线性摩擦焊、数控铣加振动 光饰、数控电化学加工， 但尚未见采用双性能整体机 械加工叶盘的可靠报道。整体叶盘引起的强度问题 主要有：
今后十至二十年内， 发动机结构和材料应用方 面的发展趋势大致为：
（１） 组合件零件化， 如： 整体叶盘、整体叶环、大 型精铸件、大型复合材料构件。
（２） 大量使用轻质高强金属材料， 如： ＴｉＡｌ 系、 ＴｉＡｌＮｂ 系等低塑性金属间化合物。
（３） 各类复合材料用量逐步增加， 并在转动件 上应用； 陶瓷类材料开始应用于重要零件， 如火焰 筒、涡轮叶片。
收稿日期： ２００６－ １２－ ２９ 作者简介： 江和甫（１９４０－ ）， 男， 江苏江阴人， 研究员， 中国燃气涡轮研究院总设计师， 从事航空发动机研究工作。
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燃气涡轮试验与研究
第 ２０ 卷
表 １ 近 ５０ 年航空发动机结构、材料和强度专业的主要进步 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｍａｔｅｒｉａｌ， ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｆｉｆｔｙ ｙｅａｒｓ
１ 引言
航空发动机的发展是空气动力学、传热传质、燃 烧 、固 体 力 学 、材 料 学 、电 子 技 术 等 多 个 学 科 共 同 发 展的结果。航空发动机作为一种高温、高速旋转机械 产品， 结构强度设计对其性能和可靠性有着十分重 要的影响， 而结构强度设计又与材料及制造技术密 切相关。本文分析了发动机结构的发展趋势及其对 强度分析技术提出的研究方向， 以及强度分析技术 发展与材料的相互依存、相互推动关系。
任何新型材料的应用和新结构的采用， 都要向 强度设计技术提出新的要求， 都伴随着强度设计技 术新的进步。特别是增长发动机寿命、降低全寿命成 本和提高推重比的需求， 向强度设计技术提出了更 高的要求， 这些都极大地推动了强度设计技术的发 展。应力分析技术及强度理论的进步也促进了结构 设计的优化和材料性能的充分利用。
④ 焊接整体叶盘焊接区对强度寿命的影响。 由于焊接区的强度一般低于基体， 焊接部位的选择 及接头结构形式对叶盘强度和工艺的可实现性有重 大影响。我们在这方面的研究还很不够。
（２） 气冷单晶涡轮叶片。为了使涡轮叶片能在 １ ９５０ Ｋ 的涡轮进口燃气温度下可靠工作， 必须采用 可在 １ ３４３ Ｋ 下可靠工作的第二代单晶材料， 并采 用复杂的内冷结构和大量气膜孔（导向叶片 １ ０００ 个 以上， 转子叶片 ５００ 个左右）。其强度设计除与热分 析所提供的温度场的准确度密切相关外， 其难度主 要在于：
２ 航空发动机结构发展回顾及趋势
航空燃气涡轮发动机问世 ５０ 多年来已经取得 了巨大的进步， 军用发动机的推重比从 ２ 左右提高 到 １０； 民用发动机的耗油率从 １ 左右降低到 ０．５ 左
右， 排气污染和噪声均有大幅度降低； 涡轮前燃气温 度从 １ ０００ Ｋ 左右提高到 ２ ０００ Ｋ 左右； 发动机寿命 从几百小时增长至上万小时。结构、材料和强度专业 与其它专业一起为这些进步做出了巨大贡献， 专业 自身也有了巨大进步。５０ 多年来， 航空发动机的结 构、材料和强度专业的主要进步简述于表 １。
第２期
江和甫等： 航空发动机的新结构及其强度设计
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频”技术的研究， 特别是它对常见的谐振振动的减振 效果的研究还很不够， 离工程应用还有很大差距。
③ 叶身修理技术引起的材料性能不均匀。整 体叶盘的可修性是制约其应用的重大障碍。目前较 为可行的修理方案是： 局部损伤轻的打磨， 稍重的打 磨后激光堆焊， 严重的切除叶片后用激光焊接一个 新叶片。焊接部位的材料性能不可能与原基体材料 性能相同， 必须研究其对叶片可靠性的影响。
１９８０ 单晶； 热障涂层； 数控加工； 自动真空焊 主动间隙控制； 焊接整体转子； 热障涂层叶片； 粉末合金盘； 复合材料机匣； 双腔燃烧室； 浮壁燃烧室
１９９０ 金属间化合物； 近净成形； 先进涂层； 低应力零件用陶瓷 整体叶盘； 刷式密封； 单晶叶片； 大型整体精铸机匣； 推力矢量喷管； 陶瓷调节片； 反转涡轮
③ 带隔热涂层叶片。我们已开发了带隔热涂 层叶片的强度分析方法， 但其可信程度尚待验证。
④ 再结晶对强度的影响。单晶材料的晶界强 化元素极少， 一旦发生局部再结晶， 其界面强度极 低， 甚至只有基体强度的十分之一左右， 因此对单晶 叶片的再结晶必须严格控制。但有些工艺因素， 例如 钎焊， 可能难以完全避免再结晶， 需要通过强度分析 判断设计上允许存在再结晶的区域。
（３） 大型整体精铸机匣。在第四代发动机中， 为 减少零件数量、降低制造成本、提高可靠性， 中间机 匣、后机匣等都采用整体大型精铸件。为了提高生产 效率， 需要利用强度分析手段支持制定合理的铸件 验收标准， 由此引出了下列研究课题：
① 低周疲劳寿命预估。
② 局部铸造缺陷对强度和寿命的影响。 ③ 与工艺协调的结构、强度优化技术。 （４） 复合材料构件。在第三代发动机中， 已成功 应用复合材料制造外涵机匣。在第四代发动机中， 将 进一步扩大其应用， 如进气机匣、风扇机匣及整流叶 片。在民用发动机中， 复合材料已开始用于制造大型 风扇转子叶片， 但其结构的强度设计技术及修理后 的强度问题还需要深入研究。 （５） 低塑性金属间化合物构件。在第四代发动 机中， 已开始使用金属间化合物制造零件， 如 Ｎｉ３Ａｌ、Ｔｉ３Ａｌ、γ－ ＴｉＡｌ 等。在 ＩＨＰＴＥＴ 计划中， 已进行 了 γ－ ＴｉＡｌ 制压气机转子的可靠性试车。这些金属间 化合物的共有特点是塑性比较低， 需要研究这类材 料的强度设计准则。 （６） 陶瓷构件。纤维增强 ＳｉＣ 基复合材料等陶 瓷材料， 由于其低密度、耐高温等特点， 已有用于加 力衬筒、喷管调节片等的实例。由于陶瓷复合材料具 有强度可设计性， 其结构设计及工艺设计与强度设 计的结合更为紧密， 因此需要加强分析技术、优化技 术及设计准则的研究。 （７） 粉末涡轮盘及其它构件。在第四代发动机 中， 普遍采用第二代粉末合金（如 Ｒｅｎｅ８８ＤＴ 等）制造 涡轮盘及挡板。在 Ｆ１１９ 发动机中， 粉末合金还用来 制造压气机后面级的轮盘。由于我国粉末盘制造工 艺与西方国家有异， 需要在研究强度分析技术的基 础上制定与我国制造技术相应的强度设计准则。在 粉末合金构件中特别需要研究下列课题： ① 锻造零件的区域性能差异。我国的粉末盘 采用热等静压制坯、经预处理后锻造成形的工艺流 程， 锻件材料性能存在区域性差异。这就要求强度设 计根据盘体各部位的实际性能实现结构优化。 ② 夹杂的影响。在粉末合金构件中不可避免 夹杂的存在， 对于锻造盘内夹杂的分布及形态特点 有待摸清。要求强度设计能在考虑夹杂的情况下预 测低周疲劳寿命。目前正在研究的根据夹杂概率分 布预测寿命的方法还有待进一步改进、完善并形成 相应的设计准则。 ③ 损伤容限设计技术的应用。Ｒｅｎｅ８８ＤＴ 和 ＦＧＨ９６ 都 是 具 有 较 低 裂 纹 扩 展 速 率 的 第 二 代 粉 末 合金， 其屈服强度比较低， ＦＧＨ９６ 的屈服强度还不 如第一代合金 ＦＧＨ９５ 的屈服强度， 必须利用其低裂 纹扩展速率的特点， 采用损伤容限设计技术， 才能充 分利用材料， 减轻结构重量； 这对我们还是一个新的