國內(nèi)首臺160公斤推力級增材制造渦噴發(fā)動機完成壓氣機性能考核試驗

來源：航空動力

1月5日消息,，據(jù)“中國航發(fā)”官微發(fā)文，中國航發(fā)自主研制的160公斤推力級增材制造渦噴發(fā)動機在株洲完成壓氣機性能考核試驗,。

這款發(fā)動機通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,，成功實現(xiàn)了發(fā)動機重量的顯著降低。這一成果有效驗證了多學(xué)科拓撲優(yōu)化設(shè)計方法在航空發(fā)動機領(lǐng)域的應(yīng)用前景,，為科研理論向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化提供了強大支持,。

中國航發(fā)在渦噴發(fā)動機的設(shè)計與工藝開發(fā)方面積累了多年的經(jīng)驗，以下援引航空動力上發(fā)表的《基于增材制造的微型渦噴發(fā)動機輕量化設(shè)計及試驗》,，以領(lǐng)略其中的創(chuàng)新精神與實力,。

項目總體思路和方案
本項目的預(yù)期目標(biāo)是：與采用傳統(tǒng)加工工藝的發(fā)動機相比，發(fā)動機本體零件數(shù)減少50%以上,，發(fā)動機本體減輕質(zhì)量不低于15%,，推力提升不低于10%。整個項目分為三個階段實施：發(fā)動機集成化設(shè)計階段,、發(fā)動機輕量化設(shè)計階段,，以及為提升發(fā)動機性能的創(chuàng)新型冷卻構(gòu)型設(shè)計研究，如圖1所示,。

圖1  增材制造發(fā)動機研究總體思路

發(fā)動機集成化設(shè)計研究
當(dāng)前的微型渦噴發(fā)動機采用了大量螺栓連接和焊接等形式進行零件裝配,。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，則無法充分發(fā)揮增材制造技術(shù)的優(yōu)勢,，甚至可能放大增材制造技術(shù)的局限性,。為此，創(chuàng)新團隊須結(jié)合增材制造技術(shù)的特點及局限性,，打破傳統(tǒng)工藝下發(fā)動機設(shè)計思維定式,，在滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)型約束、性能約束,、工藝約束,、強度約束及剛度約束等多約束的基礎(chǔ)上，開展發(fā)動機零件結(jié)構(gòu)集成化設(shè)計研究,，實現(xiàn)一體化打印，從而省去連接件和焊接件的使用,，減少發(fā)動機零件個數(shù),，降低發(fā)動機裝配難度，提高發(fā)動機壽命及可靠性,；同時,，省去部分零件安裝邊的設(shè)計，達到減輕零件質(zhì)量的效果。因此,，最終確定零件整合方案以減輕發(fā)動機質(zhì)量,、提高結(jié)構(gòu)可靠性為目標(biāo)。集成化設(shè)計研究思路如圖2所示,。

圖2  集成化設(shè)計研究思路

發(fā)動機輕量化設(shè)計研究

結(jié)合發(fā)動機零部件結(jié)構(gòu)功能與承載性能約束,，創(chuàng)新團隊將面向增材制造工藝的拓撲優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用至零件的輕量化設(shè)計中。利用變密度拓撲優(yōu)化設(shè)計驅(qū)動材料分布,，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,，對拓撲優(yōu)化構(gòu)型進行重構(gòu),，優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)形式，實現(xiàn)拓撲構(gòu)型的可制造性及工程適用性,。針對拓撲空間較小的集成化靜子件,，則利用增材制造可實現(xiàn)高度復(fù)雜構(gòu)型成形的特點，對集成化零件進行結(jié)構(gòu)適應(yīng)性改進,，在確保結(jié)構(gòu)剛度和強度的基礎(chǔ)上,，實現(xiàn)靜子件的輕量化設(shè)計。輕量化設(shè)計研究方案如圖3所示,。

圖3  輕量化設(shè)計研究方案

空心葉輪盤冷卻設(shè)計研究
根據(jù)拓撲優(yōu)化設(shè)計后的轉(zhuǎn)子件空腔結(jié)構(gòu)特點,，創(chuàng)新團隊提出了一種新的氣冷葉輪盤結(jié)構(gòu)（如圖4所示）。其基本原理是從離心葉輪背腔引冷氣,，通過空心渦輪軸,，到達葉輪盤內(nèi)部進行冷卻，從而達到葉輪盤溫度降低的效果,，可以顯著提升發(fā)動機性能,。

圖4  新型冷卻構(gòu)型設(shè)計研究方案

項目實施情況

集成化設(shè)計方案
創(chuàng)新團隊在詳細剖析傳統(tǒng)發(fā)動機零件結(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。針對集成化結(jié)構(gòu)開展了性能評估,、結(jié)構(gòu)強度評估,、轉(zhuǎn)靜子間隙評估及增材制造工藝可行性評估，突破了可提升結(jié)構(gòu)可靠性的集成化設(shè)計技術(shù),，實現(xiàn)發(fā)動機本體零部件數(shù)量減少81%,。發(fā)動機集成化前后結(jié)構(gòu)對比示意圖如圖5所示。

圖5  發(fā)動機集成化設(shè)計對比圖

輕量化設(shè)計方案
創(chuàng)新團隊采用面向增材制造工藝的拓撲優(yōu)化技術(shù)完成了發(fā)動機主要零部件輕量化設(shè)計,，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，最終實現(xiàn)整機減輕質(zhì)量17.3%。,，詳細情況見表1

圖6  集成化靜子件輕量設(shè)計前后

表1  增材制造發(fā)動機結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后質(zhì)量減輕情況

整機試驗
現(xiàn)階段,，創(chuàng)新團隊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)動機已完成兩次點火試驗,，發(fā)動機性能達標(biāo),，狀態(tài)穩(wěn)定。

圖7  試驗后發(fā)動機分解圖

為驗證串裝增材制造發(fā)動機的場外工作能力,，創(chuàng)新團隊將串裝增材制造發(fā)動機裝在航模飛機上,，并對航模飛機進行改裝，開發(fā)專門的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),，進行了飛行試驗（如圖8所示）,。

圖8  串裝發(fā)動機裝機航模并試飛

創(chuàng)新點
本項目創(chuàng)新點主要體現(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)新點如下,。

一是建立了基于增材制造技術(shù)的發(fā)動機零件集成化設(shè)計技術(shù),。通過該集成化技術(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)動機,，零件集成率高達81%,，降低發(fā)動機裝配難度，提高發(fā)動機的可靠性和維修性,。

二是建立了面向增材制造和拓撲優(yōu)化技術(shù)的零件輕量化設(shè)計技術(shù),。通過本項目發(fā)展的輕量化設(shè)計技術(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等優(yōu)化設(shè)計有了重大突破,，并采用增材制造工藝實現(xiàn)了空心轉(zhuǎn)子件的加工制備。

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構(gòu)型,。通過本項目發(fā)展的氣冷葉輪盤新構(gòu)型是通過輪盤腔內(nèi)引入冷氣來冷卻葉輪盤,，初步估算可有效降低輪盤溫度，從而提升發(fā)動機性能,。

結(jié)束語
創(chuàng)新團隊以微型渦噴航空發(fā)動機為技術(shù)驗證平臺,，探索增材制造技術(shù)在航空發(fā)動機設(shè)計和制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究，開展了基于增材制造技術(shù)的發(fā)動機結(jié)構(gòu)集成化,、輕量化及創(chuàng)新型冷卻構(gòu)型設(shè)計技術(shù)研究,，實現(xiàn)了航空發(fā)動機集成化、輕量化及高可靠性設(shè)計,，并初步完成串裝增材制造發(fā)動機的整機試驗驗證,。從本項目獲得的集成化、輕量化設(shè)計技術(shù)對提升發(fā)動機設(shè)計和制造能力具有重要意義,，可推廣應(yīng)用至高性能發(fā)動機的研制。