基于增材制造的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

■ 汪文君 徐友良 吳雪蓓 李敏 羅瀟 米棟 李堅(jiān) 郭小軍 /中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

增材制造技術(shù)的發(fā)展為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了諸多便利，但其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用大多局限于單個(gè)零件的制造加工，如何在整機(jī)的范疇上對(duì)增材制造技術(shù)加以利用，以滿足提高性能、可靠性、集成化和輕量化的需求，無(wú)疑是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。

增材制造（AM）技術(shù)是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型制造技術(shù)，可以根據(jù)金屬零件的三維數(shù)字模型，直接快速成形，具有無(wú)模具、短周期、低成本、高性能和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。金屬增材制造技術(shù)的原理，簡(jiǎn)而言之即為：離散+堆積。離散，是為了獲得后續(xù)堆積環(huán)節(jié)中的材料單元和各步驟的信息，須將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件中的零件三維模型進(jìn)行一維、二維、三維的離散；堆積，即指將材料單元逐步堆積成具有一定結(jié)構(gòu)形狀以及功能的三維零件。增材制造技術(shù)綜合利用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)和材料技術(shù)，在一臺(tái)設(shè)備上快速而精確地完成復(fù)雜零件的整體制造，解決傳統(tǒng)加工方法難以制造復(fù)雜零件的問(wèn)題，在復(fù)雜曲面制造及小批量定制化零件生產(chǎn)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此該技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

圖1 增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)研究總體思路

增材制造技術(shù)通過(guò)層層堆積材料的方式，可實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工，極大地拓展了設(shè)計(jì)空間，尤其適用于設(shè)計(jì)和制造發(fā)動(dòng)機(jī)中具有輕量化要求的復(fù)雜構(gòu)件。為了發(fā)展基于增材制造技術(shù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以一型微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，探索增材制造技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究，開(kāi)展了基于增材制造技術(shù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)集成化及輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)研究，并開(kāi)展了增材制造零部件及整機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)等方面的工作，力爭(zhēng)獲得一型經(jīng)試驗(yàn)初步驗(yàn)證為可靠的、零件全采用增材制造技術(shù)制備的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。

項(xiàng)目總體思路和方案

本項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)是：與采用傳統(tǒng)加工工藝的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)本體零件數(shù)減少50%以上，發(fā)動(dòng)機(jī)本體減輕質(zhì)量不低于15%，推力提升不低于10%。整個(gè)項(xiàng)目分為三個(gè)階段實(shí)施：發(fā)動(dòng)機(jī)集成化設(shè)計(jì)階段、發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)階段，以及為提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的創(chuàng)新型冷卻構(gòu)型設(shè)計(jì)研究，如圖1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)集成化設(shè)計(jì)研究

圖2 集成化設(shè)計(jì)研究思路

當(dāng)前的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)采用了大量螺栓連接和焊接等形式進(jìn)行零件裝配。如果采用增材制造技術(shù)直接制備傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)零部件，則無(wú)法充分發(fā)揮增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，甚至可能放大增材制造技術(shù)的局限性。為此，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)須結(jié)合增材制造技術(shù)的特點(diǎn)及局限性，打破傳統(tǒng)工藝下發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)思維定式，在滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)型約束、性能約束、工藝約束、強(qiáng)度約束及剛度約束等多約束的基礎(chǔ)上，開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)零件結(jié)構(gòu)集成化設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)一體化打印，從而省去連接件和焊接件的使用，減少發(fā)動(dòng)機(jī)零件個(gè)數(shù)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)裝配難度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)壽命及可靠性；同時(shí)，省去部分零件安裝邊的設(shè)計(jì)，達(dá)到減輕零件質(zhì)量的效果。因此，最終確定零件整合方案以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)可靠性為目標(biāo)。集成化設(shè)計(jì)研究思路如圖2所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)研究

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)零部件結(jié)構(gòu)功能與承載性能約束，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)將面向增材制造工藝的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用至零件的輕量化設(shè)計(jì)中。利用變密度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)材料分布，從而獲得零件高效、輕量化的創(chuàng)新構(gòu)型。在此基礎(chǔ)上考慮增材制造工藝約束性，對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型進(jìn)行重構(gòu)，優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)拓?fù)錁?gòu)型的可制造性及工程適用性。針對(duì)拓?fù)淇臻g較小的集成化靜子件，則利用增材制造可實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜構(gòu)型成形的特點(diǎn)，對(duì)集成化零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)適應(yīng)性改進(jìn)，在確保結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)靜子件的輕量化設(shè)計(jì)。輕量化設(shè)計(jì)研究方案如圖3所示。

圖3 輕量化設(shè)計(jì)研究方案

空心葉輪盤(pán)冷卻設(shè)計(jì)研究

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)子件空腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出了一種新的氣冷葉輪盤(pán)結(jié)構(gòu)（如圖4所示）。其基本原理是從離心葉輪背腔引冷氣，通過(guò)空心渦輪軸，到達(dá)葉輪盤(pán)內(nèi)部進(jìn)行冷卻，從而達(dá)到葉輪盤(pán)溫度降低的效果，可以顯著提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

項(xiàng)目實(shí)施情況

集成化設(shè)計(jì)方案

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在詳細(xì)剖析傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)零件結(jié)構(gòu)、功能、材料及裝配關(guān)系后，制訂了多種零件集成化方案。針對(duì)集成化結(jié)構(gòu)開(kāi)展了性能評(píng)估、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估、轉(zhuǎn)靜子間隙評(píng)估及增材制造工藝可行性評(píng)估，突破了可提升結(jié)構(gòu)可靠性的集成化設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)本體零部件數(shù)量減少81%。發(fā)動(dòng)機(jī)集成化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖如圖5所示。

輕量化設(shè)計(jì)方案

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)采用面向增材制造工藝的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)完成了發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件輕量化設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)子件和靜子件等，優(yōu)化后零件結(jié)構(gòu)如圖6所示，最終實(shí)現(xiàn)整機(jī)減輕質(zhì)量17.3%。，詳細(xì)情況見(jiàn)表1

整機(jī)試驗(yàn)

圖4 新型冷卻構(gòu)型設(shè)計(jì)研究方案

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)集成化設(shè)計(jì)對(duì)比圖

圖6 集成化靜子件輕量設(shè)計(jì)前后

現(xiàn)階段，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)已完成所有零部件的增材制造制備（如圖7所示），串裝增材制造靜子件和傳統(tǒng)工藝轉(zhuǎn)子件的發(fā)動(dòng)機(jī)已完成兩次點(diǎn)火試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能達(dá)標(biāo)，狀態(tài)穩(wěn)定。

為驗(yàn)證串裝增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)的場(chǎng)外工作能力，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)將串裝增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)裝在航模飛機(jī)上，并對(duì)航模飛機(jī)進(jìn)行改裝，開(kāi)發(fā)專門(mén)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行了飛行試驗(yàn)（如圖8所示）。

創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和生產(chǎn)工藝創(chuàng)新上，具體創(chuàng)新點(diǎn)如下。

一是建立了基于增材制造技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)零件集成化設(shè)計(jì)技術(shù)。通過(guò)該集成化技術(shù)，研制了一型基于增材制造技術(shù)的高度集成化的小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，零件集成率高達(dá)81%，降低發(fā)動(dòng)機(jī)裝配難度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和維修性。

二是建立了面向增材制造和拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的零件輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)。通過(guò)本項(xiàng)目發(fā)展的輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，使創(chuàng)新結(jié)構(gòu)空心離心葉輪、空心渦輪軸及空心渦輪盤(pán)等優(yōu)化設(shè)計(jì)有了重大突破，并采用增材制造工藝實(shí)現(xiàn)了空心轉(zhuǎn)子件的加工制備。

表1 增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后質(zhì)量減輕情況

圖7 試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)分解圖

圖8 串裝發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)航模并試飛

三是創(chuàng)新性地提出了一種基于增材制造工藝的氣冷葉輪盤(pán)構(gòu)型。通過(guò)本項(xiàng)目發(fā)展的氣冷葉輪盤(pán)新構(gòu)型是通過(guò)輪盤(pán)腔內(nèi)引入冷氣來(lái)冷卻葉輪盤(pán)，初步估算可有效降低輪盤(pán)溫度，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

結(jié)束語(yǔ)

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以微型渦噴航空發(fā)動(dòng)機(jī)為技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，探索增材制造技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究，開(kāi)展了基于增材制造技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)集成化、輕量化及創(chuàng)新型冷卻構(gòu)型設(shè)計(jì)技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)集成化、輕量化及高可靠性設(shè)計(jì)，并初步完成串裝增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。從本項(xiàng)目獲得的集成化、輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造能力具有重要意義，可推廣應(yīng)用至高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。