機(jī)匣的案例
航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
人們往往更加重視航空發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子包括了風(fēng)扇/壓氣機(jī)、主軸、渦輪等發(fā)動機(jī)重要且核心零部件，涉及結(jié)構(gòu)、靜強(qiáng)度、高周和低周循環(huán)壽命、持久、蠕變、轉(zhuǎn)子動力學(xué)等諸多技術(shù)含量較高的學(xué)科，而發(fā)動機(jī)的機(jī)匣在那里靜止不動，人們往往忽略了其獨(dú)特的重要性，更忽略了機(jī)匣設(shè)計(jì)上的技術(shù)難度可能帶來的一系列麻煩的問題。
1、機(jī)匣的設(shè)計(jì)要求
機(jī)匣是航空發(fā)動機(jī)的主要承力件，它與轉(zhuǎn)子共同形成了發(fā)動機(jī)氣流通道，其結(jié)構(gòu)和承載情況比較復(fù)雜，機(jī)匣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平，直接影響發(fā)動機(jī)的氣動性能、可靠性和壽命。一個(gè)成功的機(jī)匣設(shè)計(jì)，應(yīng)能：
1）提供足夠的低循環(huán)疲勞壽命；
2）防止高循環(huán)疲勞；
3）提供足夠的許用應(yīng)力；
4）提供足夠的剛度；
5）提供足夠的蠕變壽命并防止屈曲；
6）在總體結(jié)構(gòu)上考慮還需盡量減小機(jī)匣的熱變形和與轉(zhuǎn)子的熱不協(xié)調(diào)。
7）意外情況下，提供足夠的包容性。
2、機(jī)匣的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
各類機(jī)匣主要包括：進(jìn)氣機(jī)匣、風(fēng)扇機(jī)匣/低壓壓氣機(jī)機(jī)匣、中介機(jī)匣、高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、燃燒室內(nèi)機(jī)匣和外機(jī)匣、渦輪機(jī)匣、渦輪后機(jī)匣、外涵機(jī)匣等。
機(jī)匣的連接必須保證定位可靠，保證形位公差累計(jì)后的支點(diǎn)同軸度，機(jī)匣設(shè)計(jì)最重要的要素之一就是定心方法。常用的定心方法有止口定心、精密螺栓定心、定位銷定心和混合定心方法。
2.1軸向安裝邊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)匣軸向分段時(shí)，機(jī)匣之間采用止口定心時(shí)，凹止口和凸止口的選擇主要取決于結(jié)構(gòu)、檢驗(yàn)和裝配的需要，可以考慮將溫度高、線膨脹系數(shù)大的零件做成凸止口，保證機(jī)匣之間在高溫下的可靠定心。
通常止口定心指的是內(nèi)止口定心，為了減小機(jī)匣內(nèi)壁面流道上止口結(jié)合處的軸向間隙和臺階，可采用外定心止口結(jié)構(gòu)。
展開 強(qiáng)度丨浙大：航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣包容性研究綜述
寫在前面
機(jī)匣作為航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，其包容性能是保障飛行安全的必要條件。本文從包容定義、機(jī)匣種類、設(shè)計(jì)概念和方法、試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)值仿真、機(jī)匣和葉片破壞方式等方面，詳細(xì)闡述了航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣包容性研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
本文簡述了發(fā)展大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)對輕質(zhì)高包容能力風(fēng)扇機(jī)匣的需求，評述了在役及在研大飛機(jī)發(fā)動機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣的設(shè)計(jì)方案，介紹了國外從事纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)匣包容能力研究的情況。并分別從結(jié)構(gòu)改進(jìn)、低成本復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣制造技術(shù)、全復(fù)合材料機(jī)匣纏繞規(guī)律、耐高溫復(fù)合材料機(jī)匣、葉片包容過程的多學(xué)科整機(jī)耦合響應(yīng)分析、智能包容機(jī)匣等方面，簡要論述了我國高推質(zhì)比發(fā)動機(jī)和大飛機(jī)發(fā)動機(jī)包容機(jī)匣的研制方向。
航空發(fā)動機(jī)在使用周期內(nèi)承受的載荷和所處的工況十分復(fù)雜，受外物打擊、疲勞以及相關(guān)缺陷（材料、設(shè)計(jì)、工藝、維修等）的影響，發(fā)動機(jī)輪盤、輪轂、葉片等運(yùn)動部件可能 失效并高速撞擊機(jī)匣。
機(jī)匣是整個(gè)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)組成的主要支撐部件，是發(fā)動機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵安全部件。
航空發(fā)動機(jī)非包容事故會導(dǎo)致機(jī)毀人亡的嚴(yán)重空難。若機(jī)匣的強(qiáng)度不滿足要求，產(chǎn)生的高速高能碎片穿透機(jī)匣，
會擊傷飛機(jī)的機(jī)艙、油箱、液壓管路和電器控制線路等，導(dǎo)致機(jī)艙失壓、油箱泄
漏起火、飛機(jī)操控失靈等二次破壞，嚴(yán)重危及飛行安全。機(jī)匣將高能碎片“包”在發(fā)動機(jī)內(nèi)，防止碎片穿透機(jī)匣而對飛機(jī)造成嚴(yán)重的二次損傷的能力，稱為機(jī)匣包容性能或包容性。針對機(jī)匣包容性問題，航空發(fā)動機(jī)規(guī)范中有專門條文對其提出嚴(yán)格要求。
展開 IN718 合金低壓渦輪機(jī)匣整體精密成形研究
低壓渦輪機(jī)匣(圖1）是航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零件，該零件為碗狀，屬典型大錐形、大高度異形環(huán)件，大、小頭截面面積差異大，零件壁厚薄，加工時(shí)易產(chǎn)生變形。零件材料為IN718，該合金在鍛造過程中，過程參數(shù)如加熱溫度、保溫時(shí)間、轉(zhuǎn)移時(shí)間、工模具預(yù)熱溫度、軋制曲線、終鍛溫度等控制對其性能及一致性影響極大。采用傳統(tǒng)方式生產(chǎn)該類鍛件是先將坯料制備成矩形，通過等截面轉(zhuǎn)換的方式，利用掰形沖頭將鍛件制成異形中間坯后，再通過異形軋制的方式成形。采用該方式生產(chǎn)的鍛件材料利用率低、制造成本高、加工后及使用過程中易變形。
圖1 低壓渦輪機(jī)匣零件示意圖
目前，用于國產(chǎn)商用航空發(fā)動機(jī)的低壓渦輪機(jī)匣投料重量為1327kg，鍛件重量為1122kg，交付重量為577kg，鍛件材料利用率僅為51%，環(huán)軋件到零件的材料利用率低于15%。此次試制的低壓渦輪機(jī)匣鍛件通過整體精密成形(圖2），低壓渦輪機(jī)匣鍛件重量降低至650kg，鍛件材料利用率可提升至80%，節(jié)約原材料約580kg，僅原材料節(jié)約降低成本20 多萬元，大幅降低低壓渦輪機(jī)匣制造成本。
關(guān)鍵技術(shù)
異形坯料脹形制坯技術(shù)
圖2 機(jī)匣毛坯對比
低壓渦輪機(jī)匣難以采取矩形截面環(huán)形中間坯直接軋制成形，需要制成矩形坯料后再脹形實(shí)現(xiàn)分料。該技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是矩形中間坯設(shè)計(jì)及脹形模具設(shè)計(jì)，中間坯的設(shè)計(jì)需考慮制坯時(shí)的可行性及成形后的材料分配，通過兩套脹形沖頭及胎模逐步增大坯料斜度、成形大頭外法蘭，得到滿足要求的異形坯料。鍛件脹形過程示意圖見圖3。
大錐度環(huán)件精密軋制成形過程控制技術(shù)
鍛件采用徑-軸雙向聯(lián)合軋制進(jìn)行整體精密軋制成形，使鍛件成形形狀接近于零件形狀，提高了材料利用率。
展開 羅·羅在遄達(dá)1000上開展復(fù)材風(fēng)扇葉片和機(jī)匣集成測試
二、復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和機(jī)匣將降低“超扇”發(fā)動機(jī)更大尺寸版本的重量
“超扇”發(fā)動機(jī)演示驗(yàn)證機(jī)將于2021年進(jìn)行地面試車，最終的裝機(jī)測試可能在2023年進(jìn)行。不過，羅·羅公司于2月28日決定放棄競爭波音公司“新中型飛機(jī)項(xiàng)目（NMA）”（NMA有可能是“超扇”發(fā)動機(jī)首個(gè)潛在的應(yīng)用型號）。
演示驗(yàn)證機(jī)的風(fēng)扇型號為RB3069，其直徑可達(dá)140英寸（3.556米）。相比之下，通用電氣公司的GE9X發(fā)動機(jī)作為目前是世界上尺寸最大的發(fā)動機(jī)，風(fēng)扇直徑尺寸僅為134英寸（3.4米）。作為一款如此龐大、為雙發(fā)飛機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)，羅·羅公司預(yù)計(jì)使用先進(jìn)低壓系統(tǒng)（ALPS）技術(shù)將使單個(gè)發(fā)動機(jī)的重量降低超過1500磅（680千克）。
先進(jìn)低壓系統(tǒng)（ALPS）的測試結(jié)果將為復(fù)合材料風(fēng)扇和全尺寸超扇發(fā)動機(jī)演示驗(yàn)證機(jī)的機(jī)匣設(shè)計(jì)提供反饋和支持。
羅·羅未來民用航空項(xiàng)目的首席工程師菲爾·庫爾諾克表示：“我們所做的就是將復(fù)合材料風(fēng)扇和機(jī)匣整合在一起作為一個(gè)系統(tǒng)。此前我們一直在測試風(fēng)扇系統(tǒng)，但現(xiàn)在我們想看看它與復(fù)合材料機(jī)匣作為整個(gè)系統(tǒng)如何一起工作，包括其工作運(yùn)轉(zhuǎn)情況和磨合情況等。”
“我們還進(jìn)一步觀察諸如發(fā)動機(jī)顫震和振動狀況等復(fù)雜因素，因?yàn)槭褂脧?fù)合材料后，葉片和機(jī)匣之間的相互作用可能會有所不同。此外，我們還將重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動機(jī)葉片葉尖間隙以及其隨溫度和速度改變而產(chǎn)生的變化。”庫爾諾克說。使用碳/鈦（CTi）材料制成的風(fēng)扇是目前復(fù)合材料風(fēng)扇的基準(zhǔn)型，其性能于2014年在羅·羅公司位于亞利桑那州圖森市的飛行試驗(yàn)平臺上進(jìn)行了評估，使用的是供體發(fā)動機(jī)正是配有傳統(tǒng)鈦合金風(fēng)扇機(jī)匣的“遄達(dá)1000”。
展開 
基于DEFORM-3D 的飛機(jī)用平衡機(jī)匣的鍛造數(shù)值模擬
對相同參數(shù)下實(shí)際鍛造的平衡機(jī)匣鍛件進(jìn)行縱向解剖、磨拋、低倍腐蝕，鍛件流線分布如圖8 所示。結(jié)合鍛件鍛造過程中的溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場變化趨勢可知，鍛造過程中坯料受擠壓向外緣流動，P2 位置流動最為劇烈，鍛件內(nèi)的流線分布基本沿幾何外形，未出現(xiàn)紊流、穿流和亂流，實(shí)際鍛件的流線分布也基本與模擬結(jié)果相匹配。另外，鍛件表面無任何開裂現(xiàn)象。
圖7 數(shù)值模擬鍛件流線分布
圖8 實(shí)際鍛件的流線分布
結(jié)論
通過DEFORM-3D 軟件數(shù)值模擬對平衡機(jī)匣鍛件成形過程中溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場、流線分布的分析，并結(jié)合實(shí)際鍛件的表面質(zhì)量和組織流線分布得出如下結(jié)論：1Cr11Ni2W2MoV 合金平衡機(jī)匣鍛件一火模鍛成形表面無任何裂紋出現(xiàn)；流線分布基本沿幾何外形，未出現(xiàn)紊流、穿流和亂流現(xiàn)象；鍛件充滿效果良好，各項(xiàng)性能均能達(dá)到客戶要求。該型號平衡機(jī)匣一火模鍛代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍛造的方法完全可行，不僅節(jié)省了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
展開 羅羅對遄達(dá)1000發(fā)動機(jī)開展復(fù)材風(fēng)扇葉片和機(jī)匣集成測試
近日，羅羅公司已開始對經(jīng)過改進(jìn)的遄達(dá)1000航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行地面測試，其中風(fēng)扇葉片和機(jī)匣均采用復(fù)合材料制成。這意味著羅羅公司下一代齒輪傳動“超扇”（Ultran）發(fā)動機(jī)系列已經(jīng)發(fā)展到了關(guān)鍵一步。
齒輪傳動“超扇”（Ultran）發(fā)動機(jī)
上述部件完全集成后完成測試， 標(biāo)志著先進(jìn)低壓系統(tǒng)（ALPS）技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目接近尾聲。該項(xiàng)目迄今為止已經(jīng)單獨(dú)驗(yàn)證了碳/鈦（CTi）風(fēng)扇葉片和復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣等部件。采用更加輕質(zhì)的復(fù)合材料，對于尺寸更大的“超扇”發(fā)動機(jī)系列改型來說勢在必行，這些改型產(chǎn)品在相同的相對推力情況下，具有比目前發(fā)動機(jī)更大直徑的風(fēng)扇葉片尺寸，以及高達(dá)15：1或更高的涵道比。
2019年2月，羅羅公司工程師已經(jīng)成功測試了“超扇”發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件。先進(jìn)低壓系統(tǒng)（ALPS）中所需要的全部復(fù)合材料零部件——包括風(fēng)扇葉片、葉片機(jī)匣和環(huán)形填充塊——首次在供體發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了測試。發(fā)動機(jī)的零部件由羅羅公司復(fù)合材料技術(shù)工廠制造。每片風(fēng)扇葉片使用了約500層碳纖維復(fù)合材料，且全部由機(jī)器人完成制造。先進(jìn)低壓系統(tǒng)的出現(xiàn)印證了羅羅公司“智能發(fā)動機(jī)”的發(fā)展愿景。發(fā)動機(jī)的每片葉片都擁有數(shù)字孿生模型——即與葉片實(shí)體完全一致的虛擬數(shù)據(jù)副本。在測試期間，產(chǎn)生的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將會被集中收集，并傳送到數(shù)字孿生模型中，這使得工程師可實(shí)時(shí)預(yù)測和監(jiān)控每片葉片在發(fā)動機(jī)工作時(shí)發(fā)揮的性能水平。
“超扇”發(fā)動機(jī)演示驗(yàn)證機(jī)將于2021年進(jìn)行地面試車，最終的裝機(jī)測試可能在2023年進(jìn)行。
展開 Moldex3D模流分析之汽車車頂機(jī)匣零件翹曲問題
圖一 車頂機(jī)匣零件
挑戰(zhàn)
• 減少間隙內(nèi)的翹曲及零件組裝的填隙公差
• 幾何特征的翹曲超過容許范圍
解決方案
因產(chǎn)品有修改限制，能減少翹曲的范圍非常有限。因此Shape選擇將零件預(yù)先反翹曲一個(gè)比例，以減少整體翹曲。
效益
• 降低機(jī)臺噸數(shù)
• 避免裝配時(shí)發(fā)生問題
• 減少翹曲
• 改進(jìn)整體產(chǎn)能
案例研究
本案例主要目的是解決車頂機(jī)匣零件的翹曲問題，此產(chǎn)品對成品尺寸精度有特定要求，有多個(gè)位置需和其他零件進(jìn)行組裝，如圖二組裝圖所示。
圖二 成品組裝圖
首先，在原始設(shè)計(jì)的組別中，Z方向位移處的翹曲結(jié)果，顯示正向翹曲約 8 毫米，負(fù)向翹曲約 14 毫米。總位移處的翹曲則約2.52到15.20毫米，如圖三所示。透過輸出仿真翹曲模型在Rhino中進(jìn)行交叉驗(yàn)證，比較原始 CAD 模型與仿真后產(chǎn)品翹曲模型距離約14.35毫米，如圖四所示。
圖三 原始設(shè)計(jì)總位移
圖四 原始 CAD 模型與仿真之翹曲模型迭圖比較
接下來，根據(jù)Moldex3D的翹曲分析結(jié)果，以反轉(zhuǎn)翹曲方式進(jìn)行模具補(bǔ)償，來進(jìn)行幾何的設(shè)計(jì)變更，修正翹曲問題。流程如下：將Moldex3D變形后模型導(dǎo)出，并于Inceptra軟件中將STL檔案轉(zhuǎn)換為STEP檔案，接著在Inceptra反轉(zhuǎn)翹曲方向并導(dǎo)出模型，如圖五所示。最后再于Moldex3D以相同成型條件進(jìn)行分析。
圖五 綠色部分為Moldex3D導(dǎo)出之翹曲模型；藍(lán)色部分為反變形模型
反變形模型的分析結(jié)果如圖六所示，總位移處的翹曲約2.19至12.85毫米，與原模型之翹曲趨勢及量值相似。
展開 Shape成功優(yōu)化汽車車頂機(jī)匣零件翹曲問題
圖1：車頂機(jī)匣零件
面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對
本次案例面臨的主要挑戰(zhàn)分別為「減少間隙內(nèi)的翹曲及零件組裝的填隙公差」及「幾何特征的翹曲超過容許范圍」。
對于上述提到的挑戰(zhàn)，因產(chǎn)品有修改限制，能減少翹曲的范圍非常有限。因此Shape選擇將零件預(yù)先反翹曲一個(gè)比例，以減少整體翹曲。帶來的效益如下：
降低機(jī)臺噸數(shù)；
避免裝配時(shí)發(fā)生問題；
減少翹曲；
改進(jìn)整體產(chǎn)能。
案例研究
本案例主要目的是解決車頂機(jī)匣零件的翹曲問題，此產(chǎn)品對成品尺寸精度有特定要求，有多個(gè)位置需和其他零件進(jìn)行組裝，如圖2組裝圖所示。
圖2：成品組裝圖
首先，在原始設(shè)計(jì)的組別中，Z方向位移處的翹曲結(jié)果，顯示正向翹曲約8毫米，負(fù)向翹曲約14毫米。總位移處的翹曲則約2.52到15.20毫米，如圖3所示。
圖3：原始設(shè)計(jì)總位移
透過輸出仿真翹曲模型在Rhino中進(jìn)行交叉驗(yàn)證，比較原始CAD模型與仿真后產(chǎn)品翹曲模型距離約14.35毫米，如圖4所示。
圖4：原始CAD模型與仿真之翹曲模型迭圖比較
接下來，根據(jù)Moldex3D的翹曲分析結(jié)果，以反轉(zhuǎn)翹曲方式進(jìn)行模具補(bǔ)償，來進(jìn)行幾何的設(shè)計(jì)變更，修正翹曲問題。流程如下：將Moldex3D變形后模型導(dǎo)出，并于Inceptra軟件中將STL檔案轉(zhuǎn)換為STEP檔案，接著在Inceptra反轉(zhuǎn)翹曲方向并導(dǎo)出模型，如圖5所示。最后再于Moldex3D以相同成型條件進(jìn)行分析。
圖5：綠色部分為Moldex3D導(dǎo)出之翹曲模型；藍(lán)色部分為反變形模型
反變形模型的分析結(jié)果如圖6所示，總位移處的翹曲約2.19至12.85毫米，與原模型之翹曲趨勢及量值相似。
展開 干貨丨北京航材院：航空發(fā)動機(jī)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用
風(fēng)扇機(jī)匣多采用鋁合金、鈦合金或高強(qiáng)度合金鋼制造，以增加結(jié)構(gòu)厚度提高包容效果，稱為硬包容。之后研發(fā)出以環(huán)形金屬機(jī)匣殼體為內(nèi)襯，外部依次纏繞若干圈芳綸纖維編織條帶為保護(hù)層的復(fù)合結(jié)構(gòu)機(jī)匣，依靠芳綸纖維層易于發(fā)生大變形吸能的特點(diǎn)捕獲碎片，故而稱為軟包容。
由于發(fā)動機(jī)風(fēng)扇涵道比日趨增大，風(fēng)扇部分在發(fā)動機(jī)總重中占比變大，高性能輕量化的要求越發(fā)迫切。伴隨著GE90系列發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的成熟使用，在后續(xù)GEnx型發(fā)動機(jī)上GE公司研發(fā)了全復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣。該機(jī)匣采用自動化二維三軸編織技術(shù)將日本東麗公司(Japan, Toray Industries, Inc) TORAYC T700碳纖維按0°及±60°三個(gè)方向編織成厚度為7.62 mm纖維預(yù)成型體。利用樹脂傳遞模塑工藝灌注CYCOM PR520環(huán)氧樹脂(比利時(shí)索爾維集團(tuán)(Belgium, Solvay Group)旗下氰特公司(Cytec Industries )產(chǎn)品)固化成型。法國賽風(fēng)集團(tuán)旗下斯奈克瑪公司也采用了增強(qiáng)纖維3D編織技術(shù)及樹脂傳遞模塑工藝制備了LEAP系列發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣，如圖4所示。
展開 航空燃?xì)廨?em>機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動力學(xué)分析（三）
今天繼續(xù)研讀《航空燃?xì)廨?em>機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動力學(xué)分析》之總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。
總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括：
1、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2、轉(zhuǎn)子支承方案設(shè)計(jì)
3、支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4、承力系統(tǒng)設(shè)計(jì)
發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子指的是轉(zhuǎn)軸、輪 盤、葉片及其連接結(jié)構(gòu)組成的軸系，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)指的是轉(zhuǎn)子與其支承結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng)。其作用是承載高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的的各種負(fù)荷：葉片及其自身的離心負(fù)荷、轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)的扭矩負(fù)荷、機(jī)動過載產(chǎn)生的彎矩以及軸向拉壓負(fù)荷等等。
轉(zhuǎn)子的機(jī)構(gòu)特征參數(shù)包括：1、結(jié)構(gòu)幾何特征：如長度、截面形狀、中心位置和慣性矩等。2、裝配工藝特征參數(shù)：如配合公差、壓緊力等參數(shù)。
發(fā)動機(jī)靜子承力系統(tǒng)（也稱為承力系統(tǒng)）是由多個(gè)轉(zhuǎn)子承力框架和承力機(jī)匣連接而成的結(jié)構(gòu)，用于承受和傳遞作用在結(jié)構(gòu)單元上的載荷。
轉(zhuǎn)子承力框架是指將轉(zhuǎn)子支點(diǎn)的載荷通過氣流通道傳至外機(jī)匣的構(gòu)件。具體的部件指的是中介機(jī)匣，或擴(kuò)壓器機(jī)匣，或渦輪級間機(jī)匣，或渦輪后承力機(jī)匣。具體采用哪個(gè)機(jī)匣作為轉(zhuǎn)子承力框架要是發(fā)動機(jī)的支點(diǎn)布置情況而定，具體的支點(diǎn)布置情況在后面章節(jié)會講解。
總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)總體氣動性能參數(shù)和所具有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和水平，綜合考慮各部件之間的設(shè)計(jì)要求和難度，最終對整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的平衡和優(yōu)化。總體結(jié)構(gòu)可以說直接影響各個(gè)部件研制的可行性和技術(shù)難度，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵、最基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。
下面分別就四大塊設(shè)計(jì)展開
1、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)子基本結(jié)構(gòu)形式有三種：a鼓式b盤式c混合式
鼓式為圓柱形或圓錐形鼓筒，前后由安裝邊與前后軸頸把接，鼓式的優(yōu)點(diǎn)是抗彎剛性好，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便；缺點(diǎn)為由于鼓筒在旋轉(zhuǎn)過程中離心力造成的周向應(yīng)力就已接近材料的屈服強(qiáng)度，因此轉(zhuǎn)速不可能突破200m/s。
盤式為輪 盤與中心軸組成，輪 盤間多增加錐殼鼓筒來增加整體剛度。
展開 【科普系列】民用航空發(fā)動機(jī)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用
2020年1月上旬，羅·羅公司在英國布里斯托開始了名為“超級風(fēng)扇”(UltraFan?)的發(fā)動機(jī)原型機(jī)制造。該發(fā)動機(jī)采用全樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和機(jī)匣。風(fēng)扇葉片由碳纖維/韌性樹脂預(yù)浸料鋪貼固化而成。葉片前緣采用與GE90風(fēng)扇葉片相似的鈦合金包邊起抗腐蝕和異物沖擊作用。羅·羅公司預(yù)計(jì)該型發(fā)動機(jī)裝機(jī)服役后，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)整體減重700 kg，相比第一代遄達(dá)系列發(fā)動機(jī)更為省油，降低至少25%的二氧化碳排放。
圖1 樹脂基復(fù)合材料在民用渦扇發(fā)動機(jī)的應(yīng)用
圖2 GE90（a）及 LEAP系列航空發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片（b）
圖3 LEAP系列發(fā)動機(jī)樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片制造過程
(a) 三維纖維預(yù)成型體制備；(b) 纖維預(yù)成型體裝模；
(c) 樹脂灌注固化；(d) 葉片成品件
2 風(fēng)扇機(jī)匣
發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中葉片因遭受撞擊或疲勞斷裂時(shí)，風(fēng)扇機(jī)匣對脫落葉片起包容作用，避免其對飛機(jī)其他部分造成損害。因而風(fēng)扇機(jī)匣是維系飛機(jī)服役安全可靠的重要部件。
早期渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片多為鈦合金材質(zhì)，一旦脫落對風(fēng)扇機(jī)匣的沖擊能量較大。風(fēng)扇機(jī)匣多采用鋁合金、鈦合金或高強(qiáng)度合金鋼制造，以增加結(jié)構(gòu)厚度提高包容效果，稱為硬包容。
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航空發(fā)動機(jī)的新材料
除具有明顯的減重優(yōu)勢之外，樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片受撞擊后對風(fēng)扇機(jī)匣的沖擊較小，有利于提升風(fēng)扇機(jī)匣包容性。
目前，國外已進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的主要代表有為B777配套的GE90系列發(fā)動機(jī)，為B787配套的GEnx發(fā)動機(jī)，還有為中國商飛C919配套的LEAP-X發(fā)動機(jī)。1995年，裝配樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的GE90-94B發(fā)動機(jī)正式投入商業(yè)運(yùn)營，標(biāo)志著樹脂基復(fù)合材料在現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)上正式實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。在綜合考慮空氣動力學(xué)、高低周疲勞循環(huán)等因素的基礎(chǔ)上，GE公司又為后續(xù)的GE90-115B發(fā)動機(jī)研制了新的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。
進(jìn)入21世紀(jì)，航空發(fā)動機(jī)對高損傷容限復(fù)合材料的強(qiáng)烈需求牽引著復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，而通過不斷提高碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料韌性的方法已經(jīng)很難滿足高損傷容限的要求。在此背景下，3D編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片應(yīng)運(yùn)而生。
風(fēng)扇機(jī)匣
風(fēng)扇機(jī)匣是航空發(fā)動機(jī)最大的靜止部件，它的減重將會直接影響航空發(fā)動機(jī)的推重比與效率。因此，國外先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)OEM也一直致力于風(fēng)扇機(jī)匣的減重與結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。如圖所示為國外先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣發(fā)展趨勢。
風(fēng)扇帽罩
因?yàn)槭欠侵鞒辛?gòu)件，風(fēng)扇帽罩是航空發(fā)動機(jī)上最先使用的復(fù)合材料制造的部件之一，使用復(fù)合材料制造的風(fēng)扇帽罩可以提供更輕的重量、簡化的防冰結(jié)構(gòu)、更好的耐蝕性以及更優(yōu)異的抗疲勞性能。
展開 民用航空發(fā)動機(jī)制造用到不少鍛壓技術(shù)
發(fā)動機(jī)外部管路數(shù)量減少三分之二，集成到主、前機(jī)匣、附件傳動機(jī)匣，內(nèi)部油、氣路多，異形變截面小孔徑，部分管路交叉。
英專家：給我?guī)装僦袊と耍茉斐鍪澜缱詈玫暮娇瞻l(fā)動機(jī)！
其中冷端部件，風(fēng)扇機(jī)匣、壓氣機(jī)葉片、進(jìn)氣機(jī)匣等，它們要么是接近發(fā)動機(jī)進(jìn)氣一方的，要么是在發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)外圍，承擔(dān)結(jié)構(gòu)支承和包裹作用的；而熱端部件，比如渦輪、燃燒室、尾噴管等，工作溫度很高，轉(zhuǎn)速也很高，承受的壓力也很高，經(jīng)常稱之為“三高”，在這三高環(huán)境下，需要采用一系列非常特殊的耐熱耐壓高性能材料。
殲-20戰(zhàn)斗機(jī)
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航空發(fā)動機(jī)制造困難，人的問題不可回避
無論設(shè)計(jì)多巧妙的發(fā)動機(jī)，多高水平的原材料，最后還得要體現(xiàn)在實(shí)物上，如果沒有技藝高超、精益求精、一絲不茍的工人隊(duì)伍，航空發(fā)動機(jī)就永遠(yuǎn)是井中月水中花。雖然現(xiàn)在制造業(yè)已經(jīng)開始使用大量機(jī)器人，但在航空發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域，距離這一目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)。
因此航空發(fā)動機(jī)的建造，不可回避的問題就是對制造者的管理，如何積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，如何讓他們從內(nèi)心嚴(yán)格遵守生產(chǎn)工藝流程，如何提高他們的待遇避免人才流失，這才是拷問中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)高層的重要課題。
中國研制的渦扇-18發(fā)動機(jī)首飛成功
在中國引進(jìn)斯貝發(fā)動機(jī)的過程中，工人這一核心環(huán)節(jié)就曾經(jīng)體現(xiàn)的極為明顯。
早在1973年中國引進(jìn)斯貝項(xiàng)目啟動，中方赴英考察組中來自沈陽發(fā)動機(jī)廠的一些同志就深有感觸。在參觀羅羅公司在英國達(dá)比的葉片生產(chǎn)車間時(shí)，英國人給中方在壓氣機(jī)葉片生產(chǎn)車間擺了一個(gè)用玻璃罩扣著的大展臺，里面的絨布上按順序擺放了斯貝發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)各級葉片和渦輪葉片，旁邊樹立一個(gè)展板，形象地標(biāo)不同葉片的價(jià)值：一片壓氣機(jī)葉片相當(dāng)于一臺電視機(jī)、一片渦輪葉片相當(dāng)于一輛大客車，以此來提醒工人要精心愛護(hù)制造出來的成品葉片。
此外公司還設(shè)計(jì)了專門的搬運(yùn)箱，每個(gè)不同規(guī)格的葉片，都有專門存放的小格，互相并不相碰。而中國當(dāng)時(shí)是怎么生產(chǎn)發(fā)動機(jī)葉片呢？工人加工完葉片之后就把它隨手丟進(jìn)筐中，一堆葉片互相摩擦碰撞，造成表面光潔度的損傷。這種的粗放和精細(xì)生產(chǎn)的對比，讓中方印象深刻。
展開 激光焊接技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用
國外極為重視航空構(gòu)件激光焊接技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，歐盟第六框架研究項(xiàng)目AROSATEC針對壓氣機(jī)定子與葉柵、高壓和低壓葉片出口與蓋板連接，以及渦輪機(jī)匣開展了激光焊接技術(shù)研究。
圖4?航空結(jié)構(gòu)件的激光焊接
美國普惠公司完成渦輪葉片所需部件的自動激光焊接，如JT9D和FLO的二級渦輪轉(zhuǎn)子葉片以及V2500、F100-PW-220、PW2037、PW4000等發(fā)動機(jī)的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、機(jī)匣及燃燒室等。美國GE公司也已成功完成了發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片組件的激光焊接，有效地解決了鎳基合金零件激光焊接變形與裂紋等問題，并用6kW的CO2 激光設(shè)備焊接了噴氣發(fā)動機(jī)燃燒室襯套。英國R&R公司用固體激光器與機(jī)器人組合完成鈦合金和高溫合金的自動化焊接，保證了焊縫和焊接過程的一致性，減少了焊接變形，接頭殘余應(yīng)力低，大大減少了校形工作量。日本JAEC的相關(guān)公司采用6kW的CO2激光設(shè)備完成了V2500發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣前后段焊接。
早在20世紀(jì)90年代末期，某公司就與西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)，開展了Inconel625高溫合金航空發(fā)動機(jī)前、后冷氣導(dǎo)管的激光焊接工藝研究，采用了CO2激光焊接設(shè)備，開發(fā)了從焊前清洗、裝配焊接到焊后處理等全套焊接工藝，滿足了使用需求。北京航空制造工程研究所已將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機(jī)鈦合金承力構(gòu)件制造，并采用激光焊接技術(shù)替代板擴(kuò)散連接技術(shù)，在國內(nèi)率先開展了鈦合金超塑成形/激光焊的多層結(jié)構(gòu)制造工藝研究。波音公司和華盛頓州立大學(xué)聯(lián)合也開發(fā)了超塑成形和激光焊接的組合工藝，通過激光焊接方法可以更加靈活的構(gòu)造芯板圖案，大大提高生產(chǎn)效率、降低成本。
（2）激光焊接在發(fā)動機(jī)修理中的應(yīng)用 發(fā)動機(jī)部件主要損傷形式有外物打傷、磨損、裂紋、燒蝕和加工缺陷等，部件材料、損傷部位、損傷形式的多樣性，決定了損傷后焊接修復(fù)的復(fù)雜性。
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