现代航空发动机整体叶盘及其制造技术_黄春峰

心的
斗机Ｆ－ ２２
ＢＲ７１５
低压压气机。两级均为钛合
两级焊接成一
民 金整体叶盘
整体转子
ＭＤ－ ９５
Ｆ１１０－ ＧＥ－ １２９Ｒ 军 Ｆ１００－ ＰＷ－ ２２９Ａ 军
第 １～３级 风 扇 第 ２～３级 风 扇
焊接成整体转
子， 改进型
Ｆ－ １５／Ｆ－ １６
推重比 １０ ９
生产厂家
欧洲喷气涡轮公 司 ， １９８８年 开 始 研 制 ， １９９５年 已 生 产 ２０台
的发动机， ６级轴流高压压气机整体叶盘的第１、２级为 钛合金， 叶片和轮盘用线性摩擦焊将其焊成一体； 第３～ ６级为粉末高温合金， 叶片与轮盘的焊接采用了锻接扩 散连接技术。有的Ｆ１１９压气机转子还采用ＡＬＬＯＹ－ Ｃ型 阻燃钛合金整体叶盘。ＡＬＬＯＹ－ Ｃ型钛合金不但具有良 好的阻燃性能， 而且具有良好的高温变形、冷轧、延展、 焊接和铸造性能， 其钣金成形延展率可达４０％～５０％。
提 高 ２０４．５℃
机的压气机上大量采用整体叶盘结构， 尔后又陆续将 点， 它能进一步降低转子的重量， 提高发动机耐久性。
这 一 技 术 应 用 到ＣＴ７、ＣＦＥ７３８、ＧＥ２３Ａ、ＹＦ１２０、Ｆ４１４和
Ｆ１１０－ ＧＥ－ １２９改型为Ｆ１１０－ ＧＥ－ １２９Ｒ时， 即将３级
Ｆ１１０发动机上。ＹＦ１２０的２级风扇和５级高压压气机全 风扇全改成宽弦叶片、整体叶盘结构， 零件数减少了２／
采用了整体叶盘， 第１、２级用Ｔｉ１７合金制成， 且焊成一 弦比、前掠叶片的特点， 整体叶盘由高强度钛合金制
体， 第３级采用Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８镍基合金制成 ， 使 压 气 机 的 成， 叶尖直径约为５０８～６３５ｍｍ， 空气流量约为１００ｋｇ／ｓ。
重量减轻３．６３ｋｇ。Ｆ４０４整台发动机５级整体叶盘转子比 试验结果表明该风扇不仅减轻了重量， 而且比常规风
部采用整体叶盘结构的转子， 风扇叶片采用低展弦比 ３。由于风扇效率与空气流量提高， 使发动机推力增加
叶片， 其中第１级为空心叶片。
５．９％。如维持原推力， 则热端部件寿命由４０００ＴＡＣ循环
Ｆ４１４的第２、３级风扇采用低展弦比叶片的串列转 （ 战术空间循环） 提高到６０００ＴＡＣ循环。
子采用惰性气体焊接的钛合金 （ Ｔｉ１７） 整体叶盘结构 ，
常规叶盘连接的零件减少了４８４个， 与原型机Ｆ４０４相 扇的效率高４％， 其中尖部效率提高８％， 失速裕度提高
比， 其推重比由７．５提高到９．１。由几个整体叶盘前后串 ３％～５％， 因而使发动机抗流场畸变能力提高８０％。目前
起焊成一体的设计， 是Ｆ４１４优于ＥＪ２００发动机的显著特 ＧＥ公司已将其安装到ＩＨＰＴＥＴ验证机上进行了评估， 并
美 国 ＧＥ 公 司 ， １９９１ 年 开 始 研 制 ， １９９５ 年 已 生 产 １０台
美 国 Ｐ＆Ｗ 公 司 ，
＞ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ０
１９９５年 已 生 产 １４台
最大推力 ６２ ２７０～ ８８ ９６０Ｎ
宝 马 － Ｒ·Ｒ 公 司 ， １９９１年 开 始 研 制 ，１９９５ 年已生产８台
美 国 ＤＧＥ公 司 美 国 Ｐ＆Ｗ 公 司 ， １９９９年 定 型 并 投 产
在Ｆ１００－ ＰＷ－ ２２９发动机改型（ Ｆ１００－ ＰＷ－ ２２９Ａ） 中 的第２～３级全部采用整体叶盘结构。改型后的发动机在 保持推力不变的情况下， 涡轮进口温度降低４９℃， 发动 机 的 可 靠 性 和 寿 命 得 到 提 高 。 在 ＰＷ７０００ 发 动 机 方 案 中， ５级高压压气机全部采用大后掠、高效率叶片的整 体叶盘结构转子。９０年代初， Ｐ＆Ｗ公司还研究了带后 掠叶片的整体叶盘结构的两级风扇， 其尺寸和流量与 Ｆ１１９的风扇的基本相同， 目前该叶片为后掠实心叶片， 但将来可能采用空心的金属叶片或复合材料叶片。该
（ ２） 航空发动机整体叶盘结构在研究发展中也存 在一些问题。
·整体叶盘加工困难， 只有制造技术发展到一定 水平后， 整体叶盘的应用才成为可能。
·发动机在使用过程中， 转子叶片常遇到外物打 伤或因振动叶片出现裂纹， 整体叶盘要更换叶片非常 困难， 有可能因为一个叶片损坏而报废整个整体叶盘。 因此风扇的第１、２级一般不用整体叶盘结构， 整体叶盘 叶片的修理技术也是整体叶盘扩大应用必须解决的关
１ 整体叶盘结构的特点
（ １） 整体叶盘是航空发动机的一种新型结构部件， 它与常规叶盘连接相比有以下特点：
· 不需叶片榫头和榫槽连接的自重和支撑这些重 量的结构， 减轻了发动机风扇、压气机、涡轮转子的重 量 。 英 国 Ｒ·Ｒ 公 司 在 发 动 机 中 采 用 整 体 叶 盘 结 构 后， 与传统的叶片、轮盘分体结构相比， 重量可减轻 ５０％； 若 采 用 金 属 基 复 合 材 料 （ ＭＭＣ） 的 整 体 叶 环 （ Ｂｌｉｎｇ） ， 则可减重 ７０％。
Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： Ｅｎｇｉｎｅ ｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ｅ Ｉｎｔｅｇｒ ａｌ ｂｌｉｓｋ Ｎｏｎｔｒ ａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ ｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏ－ ｇｙ
现代航空发动机的结构设计和制造技术是发动机 研制、发展、使用中的一个重要环节， 为满足以 Ｆ１１９、 Ｆ１２０、ＥＪ２００ 为 标 志 的 第 ４ 代 战 斗 机 用 发 动 机 以 及 未 来高推比新概念发动机的性能要求， 除采用先进技术 减少飞机机体结构、机载设备的重量外， 关键是要求发 动机的推重比达到 １０ 这一级， 重点突破发动机部件的 气动、结构设计、材料、工艺等方面的关键技术。其中， 在发动机风扇、压气机、涡轮上采用整体叶盘（ Ｂｌｉｓｋ） 结 构（ 包括整体叶轮、整体叶环） 是重要措施。
键问题。 ·由于整体叶盘的叶型复杂， 精度要求高， 叶型
薄， 受力后变形大， 所以机械加工非常困难， 又因为齿 数多、齿密， 所以加工量非常大。因此叶型加工是整体 叶盘制造的主要工序。
２ 整体叶盘结构的应用
随着航空制造技术的不断发展， 近年来整体叶盘 结构在新研制航空发动机中已得到广泛应用（ 表 １） 。 ２．１ 美国整体叶盘的应用
· 由于省去了安装边和螺栓、螺母、锁片等连接 件， 零件数量大大减少， 避免了榫头、榫槽间的微动摩 损、微观裂纹、锁片损坏等意外事故， 使发动机工作寿 命和安全可靠性大大提高。
·如整体叶盘叶片损坏， 为避免拆换整个转子， 将 整体叶盘与其他级用螺栓相连， 形成可分解的连接结 构。
·由于高压压气机叶片短而薄， 叶片离心力较小， 轮缘径向厚度小， 采用整体叶盘结构减重不显著。例如 Ｆ４１４发动机的高压压气机， 前３级采用整体叶盘后重量 只 减 少 ３．６３２ｋｇ； 而 两 级 风 扇 采 用 整 体 叶 盘 减 重 ２０．４３ｋｇ， 因此ＥＪ２００发动机的高压压气机仅第一级采 用整体叶盘结构。
ＧＥＳＦＡＲ
军
试验风扇
第１级风扇
采用带前掠叶 片的整体叶盘
美 国 ＧＥ 公 司 ， １９９６ 年试验成功
Ｐ．Ａ．Ｔ
民
验证核心机
第 ８、９级 高 压 压 气 机
民用发动 机核心机
法 国 ＳＮＥＣＭＡ公 司
基准发动机
民
第 １～４级 和 １～５级 压 气 机
利 用 ＰＷ６０００、 ＰＷ４０００、Ｆ１１９ 的 成熟技术
专题综述
现代航空发动机整体叶盘及其制造技术
Ｍｏｄｅｒ ｎ Ａｅｒ ｏｅｎｇｉｎｅ Ｉｎｔｅｇｒ ａｌ Ｂｌｉｓｋ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ ｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
中国燃气涡轮研究院 黄春峰
［ 摘要］ 整体叶盘是现代航空发动机的一种新型 结构部件， 对于提高其性能具有重要作用。本文主要介 绍了航空发动机整体叶盘结构的特点、应用现状、发展 趋势及其制造技术。
美国ＧＥ公司最早在２０世 纪７０年 代 就 在Ｔ７００发 动
专题综述
发动机型号 ＥＪ２００
Ｆ４１４－ ＧＥ－ ４００ Ｆ１１９－ ＰＷ－ １００
表１ 国外航空发动机整体叶盘的应用情况
军民用
应用范围
特点
发动机用途
第３级 风 扇 和 第１级 高 压 压 气 单独整体 叶 盘 ， ９０年代欧
军 机。焊接式结构（ ８０年代用电子 与 其 他 级 用 短 螺 洲 战 斗 机
９０年代ＧＥ公司还研究 了 一 种 前 掠 叶 片 的 整 体 叶
且两个整体叶盘还焊接在一起形成整体转子， 使风扇 盘 结 构 风 扇 ， 并 在 前 掠 气 动 研 究 试 验 台 （ ＧＥＳＦＡＲ） 上
转子重量比Ｆ４０４减轻了２０．４１ｋｇ； 高压压气机前３级也 成功地进行了试验。这种新型风扇部件具有高速、小展
关键词： 发动机结构 整体叶盘 特种加工 制 造技术
［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ Ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｂｌｉｓｋ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃ－ ｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ ａｎｄ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｉｔｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃ－ ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｔｕｓ， ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄｓ ａｎｄ ｍａｎ－ ｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ ｂｌｉｓｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．
２００６ 年第 ４ 期·航空制造技术 ９５
专题综述
将用于改进现役发动机， 如Ｆ４１４等。 ８０年代初， 美国Ｐ＆Ｗ公司开始在ＰＷ５０００发动机上
使用和验证风扇压气机整体叶盘结构， 目前已应用到 Ｆ１１９和Ｆ１００发 动 机 上 。Ｐ＆Ｗ公 司 为 先 进 战 术 战 斗 机 ＡＴＦ／Ｆ２２研制的推重比为１０的Ｆ１１９－ ＰＷ－ １００发动机， ３ 级风扇、６级高压压气机的转子， 全部采用了整体叶盘， 是唯一一种在风扇与压气机中全部采用整体叶盘结构
束焊， １９９４年后用线性摩擦焊） 栓连接
ＥＦ２０００
第２、３级风扇钛合金焊接式结 几 个 整 体 叶 盘
军 构， 高压压气机前３级为整体式 前后串起， 焊接 成 Ｔ／Ａ－ １８Ｅ／Ｆ
结构， 用电化学加工
整体
军
高压压气机。第１、２ 级为钛 合金， 第５、６级为粉末高温合金， ６级都是焊接式结构
第１级风扇是空 第四代战
·原轮缘的榫头变为鼓筒； 盘变薄， 其内孔直径变 大； 消除了盘与榫头的接触应力， 同时也消除了由于榫
９４ 航空制造技术·２００６ 年第 ４ 期
头安装角引起的力矩产生的挤压应力； 减轻了盘的重 量， 提高了叶片的振动频率。
· 整体叶盘可消除常规叶盘中气流在榫根与榫槽 间缝隙中逸流造成的损失， 使发动机工作效率增加， 从 而使整台发动机推重比显著提高。
风 扇 效 率 比 当 时 的ＩＨＰＴＥＴ基 准 风 扇 的 效 率 高５０％左 右， 每级风扇的压比比ＩＨＰＴＥＴ基准风扇的高３０％， 不 久将装到ＩＨＰＴＥＴ验证机发动机上进行试验验证。
美 国 联 合 攻 击 机 ＪＳＦ 的 升 力 风 扇 也 采 用 了 整 体 叶 盘结构， 这是迄今为止最大的整体叶盘， 外径１．２７ｍ， 毛 坯 重 １ ５００ｋｇ， 成 品 重 １００ｋｇ。 艾 利 逊 公 司 １９９８ 年 在 ＸＴＣ１６／１Ａ核心机上试验了涡轮整体叶盘， 这是用锻接 工 艺 将 单 晶 Ｌａｍｉｌｌｏｙ叶 片 粘 接 在 粉 末 冶 金 盘 上 的 ， Ｌａｍｉｌｌｏｙ转子 叶 片 比 常 规 气 膜 冷 却 叶 片 少 用３０％的 冷 却空气， 寿命增加１００％， 整体叶盘结构减少重量２５％～ ３０％。 据 《航 空 周 刊 》 最 新 报 道 ， 美 国Ｐ＆Ｗ公 司 在 ＩＨＰＴＥＴ计 划 下 成 功 完 成 了ＸＴＣ６７／１ 先 进 发 动 机 核 心 机 的试验。ＸＴＣ６７／１核心机压气机的第１级转子、第３级静 子叶片采用了比强度高的γ钛铝合金整叶片盘， 目的用 于验证ＩＨＰＴＥＴ计划第三阶段的性能目标， 推重比要比 Ｆ１１９发动机提高１００％， 涡轮进口温度提高２０４．５℃， ４级 压气机的压比比Ｆ１１９的６级压气机压比还要高。该核心 机在美国空军阿诺德工程发展中心的Ｊ１试验台上进行 了６批次试验， 截至２００３年４月累计时数２８ｈ。另外， 为满
Ｂ－ ７Ｅ７
最大推力 ２６６ ８９０Ｎ
美 国 Ｐ＆Ｗ公 司
ＸＴＣ６７／１核 心 机
推重比比
军
压 气 机 第 １级 转 子 、第 ３级 静 子 叶片采用整体叶盘， 材料为γ钛
验 证 ＩＨＰＴＥＴ第 三阶段性能目标
铝合金， 采用摩擦焊技术
军用发动 Ｆ１１９ 高 １００％ ， 美 国 Ｐ＆Ｗ 公 司 ， 机核心机 涡 轮 进 口 温 度 ２００３年４月试验成功