Почему авиадвигатели используют интегральные лопасти?

01 Преимущества интегральной лопасти

До появления интегрального лопастного диска роторные лопасти двигателя требовалось соединять с диском через шипы, пазы и блокирующие устройства, но эта конструкция постепенно перестала удовлетворять потребностям высокопроизводительных авиадвигателей. Интегральный лопастной диск, который объединяет роторные лопасти двигателя и диск, был разработан и теперь стал неотъемлемой конструкцией для двигателей с высоким отношением тяги к массе. Он получил широкое распространение в военных и гражданских авиадвигателях и имеет следующие преимущества.

1. Потеря веса

Так как нет необходимости обрабатывать пазы для установки лопастей на ободе диска, радиальный размер обода может быть значительно уменьшен, что существенно снижает массу ротора.

2. Сокращает количество деталей

Кроме того, что диск и лопасти объединены в одно целое, уменьшение количества блокирующих устройств также является важной причиной. У авиадвигателей есть крайне строгие требования к надежности, и упрощенная конструкция ротора играет большую роль в повышении надежности.

3. Снижение потерь воздушного потока

Устраняется потеря утечки, вызванная зазором в традиционном методе соединения, повышается эффективность работы двигателя и увеличивается тяга.

Единый лопастной диск, который не только снижает вес, но и увеличивает тягу, также способствует повышению удельной тяги. Конечно, это не так просто — «жемчужина» не так легко найти. С одной стороны, единый лопастной диск часто изготавливается из труднообрабатываемых материалов, таких как титановые сплавы и высокотемпературные сплавы; с другой стороны, его лопасти тонкие, а форма сложная, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к технологиям производства. Кроме того, при повреждении роторных лопастей их нельзя заменить по отдельности, что может привести к списанию единого лопастного диска, а технология ремонта представляет собой ещё одну проблему.

02 Производство единого лопастного диска

На данный момент существует три основные технологии для производства интегральных лопаток.

1. Пятиосевая фрезеровка с ЧПУ

Пятиосевая фрезеровка с ЧПУ широко применяется в производстве дисков с лопастями благодаря преимуществам быстрой реакции, высокой надежности, хорошей обрабатывающей гибкости и короткому циклу подготовки производства. Основные методы фрезерования включают фасонное фрезерование, погружное фрезерование и циклоидальное фрезерование. Ключевые факторы для успешного производства дисков с лопастями включают:

1) Четырёх- и пятиосевые станки с хорошими динамическими характеристиками

2) Оптимизированное профессиональное программное обеспечение CAM

3) Инструменты и прикладные знания, посвященные обработке титановых сплавов/высокотемпературных сплавов

2. Электрохимическая обработка

Электрохимическая обработка является отличным методом для обработки каналов интегральных дисков лопаток авиадвигателей. В электрохимической обработке существует несколько технологий обработки, включая электролитическое сверление, контурную электролитическую обработку и числовое программное управление при электролитической обработке.

Так как электрохимическая обработка в основном использует свойство растворения металла на аноде в электролите, катодная часть не будет повреждена при применении технологии электрохимической обработки, и заготовка во время обработки не будет подвергаться воздействию силы резания, тепла обработки и т.д., что снижает остаточные напряжения в канале интегральных лопастей авиадвигателя после обработки.

Кроме того, по сравнению с пятиосевым фрезерованием, рабочее время электрохимической обработки значительно сокращается, и её можно использовать на этапах грубой обработки, полуглубокой обработки и доводки. После обработки нет необходимости в ручной полировке. Следовательно, это одно из важных направлений развития обработки интегрального лопастного канала авиадвигателя.

3. сварка

Лопасти обрабатываются отдельно, а затем свариваются с диском лопастей с помощью электронно-лучевой сварки, линейной трения сварки или вакуумной твердофазной диффузионной сварки. Преимущество этого метода заключается в том, что он может использоваться для производства интегральных лопастных дисков с различными материалами лопасти и диска.

Процесс сварки предъявляет высокие требования к качеству сварки лопастей, что напрямую влияет на производительность и надежность общего лопастного диска авиадвигателя. Кроме того, так как фактические формы лопастей, используемых в сварном лопастном диске, не одинаковы, позиции лопастей после сварки также не совпадают из-за ограничений точности сварки, и требуется адаптивная технология обработки для выполнения персонализированного точного ЧПУ фрезерования каждой лопасти.

Кроме того, сварка является очень важной технологией в ремонте интегральных лопаток. Среди них, линейная трениесварка, как технология твердой фазы, обладает высоким качеством сварного соединения и хорошей воспроизводимостью. Это одна из наиболее надежных и заслуживающих доверия технологий сварки для соединения роторных компонентов авиадвигателей с высоким отношением тяги к массе.