大型飛機是指起飛總重超過150噸的大型運載類飛機，包括軍民用大型運輸機、150座級的干線客機及由它們派生發(fā)展的特種飛機（如預(yù)警指揮、空中加油、信息中繼、電子對抗等），和部分中遠程轟炸機。目前具有大型飛機研制能力的有美國、歐洲和俄羅斯，其中美國的波音公司和歐洲的空客公司占據(jù)了大型民用飛機的市場。這些不同系列和不同功用的軍用和民用大飛機，大部分選用大涵道比渦扇發(fā)動機作為動力。目前國際上能夠自主研制和生產(chǎn)大型軍用和民用航空發(fā)動機的公司主要為美國的GE和PW公司、英國的R·R公司，以及這些公司投資和參與的CFMI、和IAE等少數(shù)幾家公司。
大涵道比渦扇發(fā)動機的對高安全可靠性、長壽命、節(jié)能環(huán)保、良好的維修維護性能等方面的要求是對一個國家制造技術(shù)能力的挑戰(zhàn)，也是一個國家保持競爭力和技術(shù)壟斷優(yōu)勢的核心技術(shù)。本文結(jié)合國際上先進大飛機發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點，對其主要單元體所采用的制造技術(shù)進行綜合闡述。
1 大涵道比發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點簡析
大飛機發(fā)動機多為大涵道比渦扇發(fā)動機，其在結(jié)構(gòu)上具有大涵道比、零件整體化、輕量化等特點，并盡可能多地采用復(fù)合材料、鈦合金、單晶合金等耐高溫輕質(zhì)材料。與軍用小涵道比渦扇發(fā)動機相比，大涵道比渦扇發(fā)動機具有風(fēng)扇、中介機匣、低壓渦輪和渦輪后承力機匣等部件結(jié)構(gòu)尺寸及重量大的特點。典型的大涵道比渦扇發(fā)動機，除高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪組成的核心機外，都設(shè)計有流量和尺寸很大的單級軸流式風(fēng)扇和多級增壓級，共同由多級低壓渦輪驅(qū)動（在三轉(zhuǎn)子發(fā)動機中，增壓級被中壓壓氣機替代，并單獨由中壓渦輪驅(qū)動）；內(nèi)、外涵的氣流由共同或單獨的噴管（通常為不可調(diào)的收斂噴管）噴出并產(chǎn)生推力。
相對于軍用小涵道比渦扇發(fā)動機，大飛機發(fā)動機各單元體中的關(guān)鍵構(gòu)件更強調(diào)安全性、可靠性和使用壽命，并需要考慮全壽命周期內(nèi)的制造成本，從而對關(guān)鍵構(gòu)件的制造技術(shù)提出了更高的要求。結(jié)合大飛機發(fā)動機各單元體中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的特點，參照國際上各家大涵道比發(fā)動機制造商在制造技術(shù)方面取得的成果和后續(xù)的發(fā)展，對這些結(jié)構(gòu)件所采取的關(guān)鍵制造技術(shù)簡述如下。
2 風(fēng)扇和壓氣機單元體的重要部件關(guān)鍵制造技術(shù)
大涵道比渦扇發(fā)動機相對于小涵道比渦扇發(fā)動機，在外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式等方面均有顯著的區(qū)別，其中最為典型的單元體即風(fēng)扇單元體和壓氣機單元體，本文重點闡述這兩種單元體中重要構(gòu)件的關(guān)鍵制造技術(shù)。
2.1 風(fēng)扇構(gòu)件關(guān)鍵制造技術(shù)
風(fēng)扇單元體中的關(guān)鍵構(gòu)件為大型寬弦空心風(fēng)扇葉片和風(fēng)扇機匣包容環(huán)，這些是相對于小涵道比軍用渦扇發(fā)動機而言，最具有大涵道比渦扇發(fā)動機特點的結(jié)構(gòu)件，最大風(fēng)扇轉(zhuǎn)子直徑已達3242mm，風(fēng)扇葉尖速度已達457m/s。大型寬弦空心風(fēng)扇葉片目前主要由鈦合金材料制成，具有葉身長、葉弦寬、扭轉(zhuǎn)角大、空心、無凸臺等特點，并需達到氣動性能先進、抗振能力較強、質(zhì)量較輕、加工成本較低等要求，該類風(fēng)扇葉片的制造技術(shù)成為了大飛機發(fā)動機制造中的主要技術(shù)難點。風(fēng)扇機匣包容環(huán)為鋁制機匣外纏繞的一種或多種復(fù)合材料環(huán)帶，主要作用為防止斷裂的葉片對飛機造成損害，其特點為重量輕、強度高、包容性好。
大型鈦合金風(fēng)扇寬弦空心葉片制造技術(shù)
作為大飛機發(fā)動機的標志性構(gòu)件，鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片的制造技術(shù)極為關(guān)鍵，一直是各大航空發(fā)動機制造廠商研究和發(fā)展的重點，目前已從采用活性擴散焊工藝的蜂窩內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的第一代發(fā)展為以超塑成形/擴散連接為關(guān)鍵技術(shù)的鈦合金整體空心結(jié)構(gòu)的第二代，典型的工藝方法是將鈦合金毛坯切削加工成兩個半葉片，再用真空擴散工藝連接成一個整體空心平板葉身，然后在真空爐內(nèi)通過蠕變、彎扭初步成形，最后經(jīng)超塑成形加工成最終葉型，相同的工藝還用來制造風(fēng)扇出口導(dǎo)向葉片（OGV）。
目前R·R、PW兩家公司在絕大部分大涵道比渦扇發(fā)動機中均采用了大型鈦合金風(fēng)扇寬弦空心葉片。R·R公司的第二代空心風(fēng)扇葉片成功應(yīng)用于Trent系列發(fā)動機。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度更高，從而降低了葉片重量和制造成本，并為機匣和風(fēng)扇盤減重提供了空間。
GE公司采用了完全不同的技術(shù)途徑，GE90以及正在研發(fā)的Leap-x發(fā)動機均采用了復(fù)合材料制造風(fēng)扇葉片，并在葉片前緣采用了鈦合金包邊以提高葉片的耐沖刷性能。
風(fēng)扇機匣包容環(huán)制造技術(shù)
風(fēng)扇機匣對葉片斷裂后的包容能力嚴重影響飛行安全，大涵道比渦扇發(fā)動機風(fēng)扇葉片尺寸和重量大，需要特別注意包容性設(shè)計。在保證相同包容性能的條件下，盡量采用復(fù)合材料包容環(huán)，以減輕機匣重量。
GE公司CF6-80C2發(fā)動機較早地采用了復(fù)合材料包容環(huán)。它是在鋁制機匣上圍有一圈鋁制的蜂窩層，然后包了65層芳胺布形成厚輪緣，在芳酰胺輪緣外，再包一層芳酰胺樹脂的保護芳酰胺層。GE90發(fā)動機包容環(huán)仍采用CF6-80C2的結(jié)構(gòu)，即在鋁制機匣上纏繞多層凱芙拉編織條帶，與以前的設(shè)計相比，重量可減輕50%。PW公司的PW4084發(fā)動機和R·R公司的遄達800及后續(xù)該系列發(fā)動機也采用凱芙拉包容環(huán)，即在鋁合金機匣上銑出許多縱橫交錯的深槽，在這種稱為“等格柵鋁環(huán)”上纏上多層由凱芙拉織成的條帶，然后用環(huán)氧樹脂包住，形成重量輕、厚度大、韌性好的包容環(huán)。
2.2壓氣機關(guān)鍵制造技術(shù)
壓氣機單元體中的主要構(gòu)件為葉片、整體葉盤和薄壁機匣。低壓壓氣機的葉片和整體葉盤主要由鈦合金制成，高壓壓氣機和整體葉盤主要由高溫合金制成，薄壁機匣由高強阻燃鈦合金制成，在此主要介紹下述關(guān)鍵制造技術(shù)。
整體葉盤制造技術(shù)
整體葉盤結(jié)構(gòu)是將葉片和輪盤設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)，省去傳統(tǒng)連接中的榫頭等結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的采用使發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡化，重量減輕、零件數(shù)減少，并且避免了榫頭氣流損失，提高了發(fā)動機的推重比和可靠性。傳統(tǒng)的加工方法是采用機械加工將整體毛坯直接加工出整體葉盤，這種加工方法的材料利用率低、加工周期長，不僅成本高，而且由于盤、片的材料相同，整體葉盤的減重優(yōu)勢不能完全發(fā)揮出來。
為了避免整體毛坯的缺點，各發(fā)動機制造商均投入了很大力量來研發(fā)采用焊接技術(shù)為主導(dǎo)工藝的整體葉盤加工技術(shù)以及提高加工效率的電加工技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)成功并應(yīng)用的技術(shù)主要包括線性摩擦焊接、電子束焊接以及熱鍛接技術(shù)，采用電解或電火花進行毛坯料粗加工或中加工，再用數(shù)控加工將整體葉盤加工至最終尺寸的方法縮短加工周期一半以上。
線性摩擦焊接（LFW）法屬于固態(tài)連接技術(shù)，工件焊接處的高溫是通過兩配合面間的相互高頻振動產(chǎn)生的，焊接處的材料并未熔化，不會出現(xiàn)一般焊接中易發(fā)生的脫焊現(xiàn)象，也看不出焊縫，且其強度優(yōu)于母材，并可將兩種不同材料的葉片與輪盤焊接在一起，以達到減重和提高性能的效果。
另外一種加工整體葉盤的技術(shù)途徑是先將單個葉片用電子束焊接成葉片環(huán)，再用電子束焊接技術(shù)將鍛造的輪盤輻板與葉片環(huán)焊接成整體葉盤結(jié)構(gòu)。
薄壁機匣制造技術(shù)
高強阻燃鈦合金壓氣機薄壁機匣由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工中易變形等特點，目前通常采用先用電解技術(shù)去除余量，再用數(shù)控銑削技術(shù)加工至要求尺寸的方法進行加工。
3 其他單元體重要構(gòu)件的關(guān)鍵制造技術(shù)
大涵道比渦扇發(fā)動機中的其他單元體的重要構(gòu)件，盡管在結(jié)構(gòu)和特點上相對風(fēng)扇和壓氣機單元體，較易借鑒軍用小涵道比渦扇發(fā)動機的研究經(jīng)驗，但仍需進行深入的針對性研究才能突破關(guān)鍵制造技術(shù)，其中在某些重要件的研制中有時還需進行新材料研制。限于篇幅，對這些單元體中重要構(gòu)件的關(guān)鍵制造技術(shù)僅進行簡要的說明。
3.1 燃燒室關(guān)鍵制造技術(shù)
燃燒室單元體中的主要構(gòu)件為高溫合金浮動壁燃燒室和霧化噴嘴。
浮動壁燃燒室制造技術(shù)
浮動壁燃燒室是在火焰筒筒體上連接涂有碳化硅陶瓷基復(fù)合材料涂層的多孔層板結(jié)構(gòu)的浮動瓦片，并采用沖擊氣膜冷卻技術(shù)，可以減少氣膜冷卻所需的空氣量，降低NOX的排放量。采用釬焊方式將由電解或化學(xué)加工的薄片連接成整體的浮動瓦片，再進行耐熱涂層的制備，從而制成的多孔層板浮動壁，能夠達到更好的冷卻效果。而燃燒室火焰筒上大量的沖擊氣膜孔則根據(jù)不同的深徑比，由電火花和激光技術(shù)進行制備。
霧化噴嘴制造技術(shù)
霧化噴嘴采用氣動的方式，使燃料在很短的時間內(nèi)充分霧化并完全燃燒，可以降低燃燒室污染物的排放量，也是減排措施中的重要組成部分。高溫合金霧化噴嘴在制造過程中主要需要解決精密微小噴油口的加工問題，目前主要通過微細電火花、微細電化學(xué)和聚焦等離子等加工技術(shù)實現(xiàn)。
3.2 渦輪關(guān)鍵制造技術(shù)
渦輪單元體中的主要結(jié)構(gòu)件為單晶高溫合金復(fù)合冷卻空心渦輪葉片、高溫合金粉末渦輪盤和金屬間化合物多聯(lián)整體渦輪導(dǎo)向葉片，其共同的特點為高溫性能好、疲勞強度高。
渦輪葉片制造技術(shù)
單晶高溫合金復(fù)合冷卻空心渦輪葉片是發(fā)動機中工況最為惡劣，熱載荷最大，最易產(chǎn)生影響發(fā)動機安全的故障的構(gòu)件，在此方面，需要綜合運用多項制造技術(shù)，才能滿足大飛機發(fā)動機的使用要求。主要包括的技術(shù)有單晶高溫合金渦輪葉片的精鑄技術(shù)、保持組織穩(wěn)定勻化的熱處理技術(shù)、表面耐高溫涂層的制備技術(shù)、氣膜冷卻孔的優(yōu)質(zhì)加工技術(shù)、端蓋的無相變釬焊技術(shù)等。
粉末渦輪盤制造技術(shù)
高溫合金粉末渦輪盤，也是重要的高溫部件，其使用工況與渦輪葉片相同，因此對其性能和壽命的要求更高，要求具有高屈服強度、良好的疲勞性能和高溫性能，并具有良好的熱成型性能，使其能與單晶高溫合金渦輪葉片共同組成不同部位具有不同性能的雙合金整體渦輪葉盤。目前該構(gòu)件制造時主要包括快速凝固粉末冶金制坯技術(shù)、成型時的高效復(fù)合數(shù)控加工技術(shù)、與渦輪葉片連接的熱鍛接技術(shù)等多項關(guān)鍵制造技術(shù)。
金屬間化合物多聯(lián)整體渦輪導(dǎo)向葉片制造技術(shù)
利用金屬間化合物制成的多聯(lián)整體渦輪導(dǎo)向葉片是降低制造成本，提高渦輪熱力學(xué)性能的一種新結(jié)構(gòu)。該構(gòu)件所涉及的關(guān)鍵制造技術(shù)主要涉及金屬間化合物多聯(lián)整體渦輪導(dǎo)向葉片精密鑄造技術(shù)和金屬間化合物勻質(zhì)穩(wěn)定熱處理技術(shù)等。
3.3 噴口關(guān)鍵制造技術(shù)
噴口單元體中的主要構(gòu)件為炭炭及炭陶復(fù)合材料調(diào)節(jié)片和密封片，以及高溫鈦合金筒體。
炭炭及炭陶復(fù)合材料調(diào)節(jié)片和密封片具有耐高溫和熱穩(wěn)定性好的特點，其相關(guān)的關(guān)鍵制造技術(shù)主要為炭炭及炭陶復(fù)合材料的坯料制備、數(shù)控加工與特種加工成型等技術(shù)。噴口的鈦合金筒體由高溫鈦合金制成，即可滿足使用環(huán)境的要求，又可以起到減重的作用，相關(guān)的關(guān)鍵制造技術(shù)主要為鈦合金筒體的熱成型技術(shù)和特征結(jié)構(gòu)的精密制備技術(shù)。
3.4 附件系統(tǒng)關(guān)鍵制造技術(shù)
附件系統(tǒng)單元體中的主要構(gòu)件為高強鋼大功率傳動齒輪和高DN值軸承，以及相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)。
高強鋼大功率傳動齒輪根據(jù)使用的部位，具有不同的結(jié)構(gòu)特征，其特點為強度高、耐磨性好。所涉及的制造技術(shù)主要包括齒形的精密插齒技術(shù)、齒面耐磨涂層的制備技術(shù)等。高DN值軸承通常由特種合金鋼、陶瓷、陶瓷增強金屬基復(fù)合材料制成，是傳動系統(tǒng)良好運行的關(guān)鍵構(gòu)件。根據(jù)材料和用途的不同，其制造技術(shù)涉及的范圍和種類眾多，主要涉及軸承結(jié)構(gòu)的特種加工和精密磨削技術(shù)，以及相應(yīng)的裝配和檢測技術(shù)等。密封結(jié)構(gòu)也是附件系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，對保證發(fā)動機熱力學(xué)實施效果有著重要的作用，目前采用的密封結(jié)構(gòu)包括了篦齒封嚴、刷絲封嚴、指尖封嚴等多種形式，其制造技術(shù)多與釬焊技術(shù)、裝配技術(shù)和涂層制備技術(shù)相關(guān)。
4 小結(jié)
上述的各單元體主要構(gòu)件的關(guān)鍵制造技術(shù)僅是大飛機發(fā)動機制造技術(shù)中的一部分，從這些關(guān)鍵制造技術(shù)中看出，除了大型寬弦空心風(fēng)扇葉片、復(fù)合材料包容環(huán)等與軍用小涵道比渦扇發(fā)動機有顯著區(qū)別的大涵道比渦扇發(fā)動機特有結(jié)構(gòu)外，其他多種結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)均與軍用小涵道比渦扇發(fā)動機類似結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)有相當多的聯(lián)系。
在國外大飛機發(fā)動機的發(fā)展歷程中，制造技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，影響著發(fā)動機的性能、研制周期、成本。因此在我國的大飛機發(fā)動機研制中，應(yīng)該加強基礎(chǔ)研究和預(yù)先研究，超前發(fā)展制造技術(shù)，迅速提高各種先進制造技術(shù)的成熟度，為發(fā)動機產(chǎn)品的發(fā)展提供必要的條件，降低型號發(fā)展的技術(shù)風(fēng)險。重點突破研制大型發(fā)動機特有的、軍用發(fā)動機所不具備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，如大型風(fēng)扇寬弦空心葉片、包容環(huán)等。同時，積極開展制造技術(shù)工程化方面的研究，保證發(fā)動機生產(chǎn)的穩(wěn)定、高效和低成本。盡管我國在大飛機發(fā)動機研制的各方面的基礎(chǔ)都較為薄弱，但在借鑒和利用在軍用發(fā)動機上已有的研究成果和技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，通過進一步有針對性的深入研究，我國完全能夠掌握大飛機關(guān)鍵制造技術(shù)。
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