大飞机发动机关键制造技术

体中关键结构件的特点，参照国 涵道比涡扇发动机特点的结构件， 而 降 低 了 叶 片 重 量 和 制 造 成 本，
际上各家大涵道比发动机制造商 最 大 风 扇 转 子 直 径 已 达 3242m m， 并为机匣和风扇盘减重提供了空
在制造技术方面取得的成果和后 风扇叶尖速度已达 457m / s。大型 间（如图 3 所示）。
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键构件的制造技术提出了更高的 匣包容环，这些是相对于小涵道 风扇叶片成功应用于 Trent 系列发
要求。结合大飞机发动机各单元 比军用涡扇发动机而言，最具有大 动机。其内部结构强度更高，从
片的材料相同，整体叶盘的减重优 去除余量，再用数控铣削技术加工 口的加工问题，目前主要通过微细
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电火花、微细电化学和聚焦等离子 整体涡轮导向叶片是降低制造成本， 系统中的重要环节，对保证发动机
等加工技术实现。
提高涡轮热力学性能的一种新结构。 热力学实施效果有着重要的作用，
该构件所涉及的关键制造技术主要 目前采用的密封结构包括了篦齿封
3.2 涡轮关键制造技术
涉及金属间化合物多联整体涡轮导 严、刷丝封严、指尖封严等多种形
涡轮单元体中的主要结构件 向叶片精密铸造技术和金属间化合 式，其制造技术多与钎焊技术、装
包括的技术有单晶高温合金涡轮叶 成，即可满足使用环境的要求，又 造技术有相当多的联系。
片的精铸技术、保持组织稳定匀化 可以起到减重的作用，相关的关键
在国外大飞机发动机的发展历
的热处理技术、表面耐高温涂层的 制造技术主要为钛合金筒体的热成 程中，制造技术发挥着关键的作用，
制备技术、气膜冷却孔的优质加工 型技术和特征结构的精密制备技术。 影响着发动机的性能、研制周期、
续的发展，对这些结构件所采取 宽弦空心风扇叶片目前主要由钛
GE 公司采用了完全不同的技
的关键制造技术简述如下。
合金材料制成，具有叶身长、叶 术 途 径，GE90 以 及 正 在 研 发 的
弦宽、扭转角大、空心、无凸台 Leap-x 发动机均采用了复合材料制
2 风扇和压气机单元体的重要部件 等特点，并需达到气动性能先进、 造风扇叶片（图 4），并在叶片前缘
其中最为典型的单元体即风扇单元 匣包容环为铝制机匣外缠绕的一 容能力严重影响飞行安全，大涵道
体和压气机单元体，本文重点阐述 种或多种复合材料环带，主要作 比涡扇发动机风扇叶片尺寸和重量
这两种单元体中重要构件的关键制 用为防止断裂的叶片对飞机造成 大，需要特别注意包容性设计。在
造技术。
损害，其特点为重量轻、强度高、 保证相同包容性能的条件下，尽量
音公司和欧洲的空客公司占据了大 1 大涵道比发动机的结构特点简析 尺寸很大的单级轴流式风扇和多级
型民用飞机的市场。这些不同系列
大飞机发动机多为大涵道比涡 增压级，共同由多级低压涡轮驱动
和不同功用的军用和民用大飞机， 扇发动机，其在结构上具有大涵道 （在三转子发动机中，增压级被中
大部分选用大涵道比涡扇发动机作 比、零件整体化、轻量化等特点， 压压气机替代，并单独由中压涡轮
它们派生发展的特种飞机（如预警 的核心技术。本文结合国际
指挥、空中加油、信息中继、电 上先进大飞机发动机的结构
子对抗等），和部分中远程轰炸机。 特点，对其主要单元体所采
图1 GP7200 发动机的结构
目前具有大型飞机研制能力的有美 用的制造技术进行综合阐述。
国、欧洲和俄罗斯，其中美国的波
组成的核心机外，都设计有流量和
为单晶高温合金复合冷却空心涡 物匀质稳定热处理技术等。
配技术和涂层制备技术相关。
轮 叶 片、 高 温 合 金 粉 末 涡 轮 盘 和
金属间化合物多联整体涡轮导向 3.3 喷口关键制造技术
4 小结
叶 片， 其 共 同 的 特 点 为 高 温 性 能
喷口单元体中的主要构件为
上述的各单元体主要构件的关
好、疲劳强度高。
热载荷最大，最易产生影响发动机 特点，其相关的关键制造技术主要 小涵道比涡扇发动机有显著区别的
安全的故障的构件，在此方面，需 为炭炭及炭陶复合材料的坯料制备、 大涵道比涡扇发动机特有结构外，
要综合运用多项制造技术，才能满 数控加工与特种加工成型等技术。 其他多种结构的制造技术均与军用
足大飞机发动机的使用要求。主要 喷口的钛合金筒体由高温钛合金制 小涵道比涡扇发动机类似结构的制
大涵道比涡扇发动机中的其他
单元体的重要构件，尽管在结构和
特点上相对风扇和压气机单元体，
较易借鉴军用小涵道比涡扇发动机
势不能完全发挥出来。
的研究经验，但仍需进行深入的针
为了避免整体毛坯的缺点，各 对性研究才能突破关键制造技术，
发动机制造商均投入了很大力量 其中在某些重要件的研制中有时还
来研发采用焊接技术为主导工艺 需进行新材料研制。限于篇幅，对
为动力。目前国际上能够自主研制 并尽可能多地采用复合材料、钛合 驱动）；内、外涵的气流由共同或
和生产大型军用和民用航空发动机 金、单晶合金等耐高温轻质材料。 单独的喷管（通常为不可调的收敛
的公司主要为美国的 GE 和 PW 公 与军用小涵道比涡扇发动机相比， 喷管）喷出并产生推力。
司、英国的 R • R 公司，以及这些公 大涵道比涡扇发动机具有风扇、中
相对于军用小涵道比涡扇发
司投资和参与的 CFMI、和 IAE 等 介机匣、低压涡轮和涡轮后承力机 动机，大飞机发动机各单元体中
少数几家公司。
匣等部件结构尺寸及重量大的特 的关键构件更强调安全性、可靠
大涵道比涡扇发动机的对高安 点。典型的大涵道比涡扇发动机， 性和使用寿命，并需要考虑全寿
全可靠性、长寿命、节能环保、良 除高压压气机、燃烧室、高压涡轮 命周期内的制造成本，从而对关
包容性好。
采用复合材料包容环，以减轻机匣
2.1 风扇构件关键制造技术
大 型 钛 合 金 风 扇 宽 弦 空 心 叶 片 制 造 重量。
风扇单元体中的关键构件为 技术
G E 公 司 C F6-80C2 发 动 机
大型宽弦空心风扇叶片和风扇机
作为大飞机发动机的标志性构 较 早 地 采 用 了 复 合 材 料 包 容 环。
的整体叶盘加工技术以及提高加 这些单元体中重要构件的关键制造
工效率的电加工技术，已经开发 技术仅进行简要的说明。
成功并应用的技术主要包括线性
摩擦焊接、电子束焊接以及热锻 3.1 燃烧室关键制造技术
接 技 术， 采 用 电 解 或 电 火 花 进 行
燃烧室单元体wenku.baidu.com的主要构件为
毛坯料粗加工或中加工，再用数 高温合金浮动壁燃烧室和雾化喷嘴。
炭炭及炭陶复合材料调节片和密封 键制造技术仅是大飞机发动机制造
涡轮叶片制造技术
片，以及高温钛合金筒体。
技术中的一部分，从这些关键制造
单晶高温合金复合冷却空心涡
炭炭及炭陶复合材料调节片和 技术中看出，除了大型宽弦空心风
轮叶片是发动机中工况最为恶劣， 密封片具有耐高温和热稳定性好的 扇叶片、复合材料包容环等与军用
李志强，中航工业北京航空制造工程研究所总工程师，自然科学研究员。 1986年毕业于毕业于西工大，清华大学硕士，北京科技大学在读博士，美 国佛罗里达州立大学访问学者。主要从事航空制造技术和专用工艺装备技 术研究，主持装备预先研究、国防基础科研、民用飞机科研以及国家重大 安全基础研究项目共30余项。重点研究方向为钛合金超塑成形/扩散连接技 术、飞行器用复杂结构成形技术等，近5年，主持编制了多项航空制造技术 的发展规划。共发表论文60余篇，申请专利10余项，获国家科技进步奖二 等奖1项，部委级科技进步奖12项。
大飞机发动机关键制造技术
中航工业集团北京航空制造工程研究所 李志强 李晶 韩野
大型飞机是指起飞总重超 过 150 吨的大型运载类 飞 机， 包 括 军 民 用 大 型
好的维修维护性能等方面的 要求是对一个国家制造技术 能力的挑战，也是一个国家
运输机、150 座级的干线客机及由 保持竞争力和技术垄断优势
成形 / 扩散连接为关键技术的钛合 图 5 所 示 ） 仍 采 用 C F6-80C2 的
金整体空心结构的第二代（见图 2）， 结构，即在铝制机匣上缠绕多层
典型的工艺方法是将钛合金毛坯切 凯芙拉编织条带，与以前的设计
削加工成两个半叶片，再用真空扩 相 比， 重 量 可 减 轻 50%。P W 公
散工艺连接成一个整体空心平板叶 司 的 P W4084 发 动 机 和 R • R 公
压气机的叶片和整体叶盘主要由钛 频振动产生的，焊接处的材料并 减少气膜冷却所需的空气量，降低
合金制成，高压压气机和整体叶盘 未熔化，不会出现一般焊接中易 NOX 的排放量。采用钎焊方式将由
主要由高温合金制成，薄壁机匣由 发生的脱焊现象，也看不出焊缝， 电解或化学加工的薄片连接成整体
高强阻燃钛合金制成，在此主要介 且其强度优于母材，并可将两种 的浮动瓦片，再进行耐热涂层的制
关键制造技术
抗振能力较强、质量较轻、加工 采用了钛合金包边以提高叶片的耐
大涵道比涡扇发动机相对于小 成本较低等要求，该类风扇叶片 冲刷性能。
涵道比涡扇发动机，在外形尺寸、 的制造技术成为了大飞机发动机 风扇机匣包容环制造技术
结构形式等方面均有显著的区别， 制造中的主要技术难点。风扇机
风扇机匣对叶片断裂后的包
身，然后在真空炉内通过蠕变、弯 司 的 遄 达 800 及 后 续 该 系 列 发
扭初步成形，最后经超塑成形加工 动机也采用凯芙拉包容环，即在
成最终叶型，相同的工艺还用来制 铝合金机匣上铣出许多纵横交错
造风扇出口导向叶片（OGV）。
的深槽，在这种称为“等格栅铝
目 前 R • R、P W 两 家 公 司 在 环”上缠上多层由凯芙拉织成的
绍下述关键制造技术。
不同材料的叶片与轮盘焊接在一 备，从而制成的多孔层板浮动壁，
整体叶盘制造技术
起，以达到减重和提高性能的效 能够达到更好的冷却效果。而燃烧
整体叶盘结构是将叶片和轮盘 果，其加工过程如图 6 所示。
室火焰筒上大量的冲击气膜孔则根
设计成整体结构，省去传统连接中
另外一种加工整体叶盘的技术 据不同的深径比，由电火花和激光
控加工将整体叶盘加工至最终尺 浮动壁燃烧室制造技术
寸的方法缩短加工周期一半以上。
浮动壁燃烧室是在火焰筒筒体
2.2 压气机关键制造技术
线 性 摩 擦 焊 接（L F W） 法 属 上连接涂有碳化硅陶瓷基复合材料
压气机单元体中的主要构件为 于固态连接技术，工件焊接处的 涂层的多孔层板结构的浮动瓦片，
叶片、整体叶盘和薄壁机匣。低压 高温是通过两配合面间的相互高 并采用冲击气膜冷却技术，可以
绝大部分大涵道比涡扇发动机中 条带，然后用环氧树脂包住，形
均采用了大型钛合金风扇宽弦空 成重量轻、厚度大、韧性好的包
心叶片。R • R 公司的第二代空心 容环。
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至要求尺寸的方法进行加工。
3 其他单元体重要构件的关键制造技术
传统的加工方法是采用机械加工将 薄壁机匣制造技术
全燃烧，可以降低燃烧室污染物的
整体毛坯直接加工出整体叶盘，这
高强阻燃钛合金压气机薄壁机 排放量，也是减排措施中的重要组
种加工方法的材料利用率低、加工 匣由于结构复杂、加工中易变形等 成部分。高温合金雾化喷嘴在制造
周期长，不仅成本高，而且由于盘、 特点，目前通常采用先用电解技术 过程中主要需要解决精密微小喷油
件，钛合金宽弦空心风扇叶片的制 它是在铝制机匣上围有一圈铝制
造技术极为关键，一直是各大航空 的 蜂 窝 层， 然 后 包 了 65 层 芳 胺
发动机制造厂商研究和发展的重点， 布形成厚轮缘，在芳酰胺轮缘外，
目前已从采用活性扩散焊工艺的蜂 再包一层芳酰胺树脂的保护芳酰
窝内芯结构的第一代发展为以超塑 胺 层。G E90 发 动 机 包 容 环（ 如
的榫头等结构，该结构的采用使发 途径是先将单个叶片用电子束焊接 技术进行制备。
动机结构简化，重量减轻、零件数 成叶片环，再用电子束焊接技术将 雾化喷嘴制造技术
减少，并且避免了榫头气流损失， 锻造的轮盘辐板与叶片环焊接成整
雾化喷嘴采用气动的方式，使
提高了发动机的推重比和可靠性。 体叶盘结构。
燃料在很短的时间内充分雾化并完