航空發動機熱端部件的案例
2018年航空發動機和燃氣輪機熱端部件制造及維修論壇開始報名了
導讀：將于2018 年 10 月 11 日-10 月 12 日在貴州貴安新區北斗灣開元酒店舉辦2018年航空發動機和燃氣輪機熱端部件制造及維修論壇。
2018 航空發動機和燃氣輪機熱端部件制造及維修技術發展最新論壇日程
主論壇日程
2018年10月11日
主持人: 中國工程院管理學部相關領導
09:00-09:10 貴安新區領導致歡迎詞
09:10-09:40
發言題目: 航空發動機及燃氣輪機熱端部件發展戰略研究
發言人: 向巧 中國航發總經理助理、科技委副主任、“兩機”重大專項工程副總設計師、中國工程院院士
09:40-10:10
發言題目: 燃氣輪機發展戰略需求
發言人: 黃維和 中國石油天然氣股份有限公司副總裁、中國工程院院士
10:10-10:25 茶歇
10:25-10:55
發言題目: 航空發動機與鈦合金
發言人: 曹春曉 中國航發北京航空材料研究院研究員、中國科學院院士
10:55-11:25
發言題目: 航空發動機熱端部件測試技術
發言人: 蔣莊德 中國工程院院士
11:25-11:55
發言題目: 熱端部件設計驗證體系發展和問題對策
發言人: 陶智 北京航空航天大學副校長
11:55-12:25
發言題目: 航空發動機渦輪葉片熱障涂層性能表征與評價技術
發言人: 周益春 湘潭大學校長
12:25-13:20 午餐
分論壇日程
2018年10月11日-12日
設計分論壇
2018 年10月11日 13:30-17:45
13:30-14:00
發言題目: 航空發動機和燃氣輪機熱端部件設計驗證體系發展戰略研究報告
展開 強度丨南航：航空發動機和燃氣輪機熱端部件的熱腐蝕-疲勞性能與壽命預測方法研究進展
艦載機航空發動機和燃氣輪機熱端部件在服役過程中的環境條件異?？量?，除發動機/燃氣輪機熱端零部件所承受的高溫、高壓、高轉速等載荷環境外，還承受海洋高鹽霧、高濕度等腐蝕環境的影響。渦輪轉子部件是艦載機航空發動機/燃氣輪機中服役環境最惡劣的部件，不僅要在高溫（600～1300℃）條件下承受巨大的交變載荷，高溫燃氣和海洋大氣中的熱腐蝕也會加劇其損傷程度，渦輪轉子部件因此成為故障率最高的工作部件之一。
如圖1所示，渦輪葉片因在燃氣-海洋大氣耦合環境中，在高溫、高轉速載荷下發生的熱腐蝕-疲勞失效[1,2,3,4,5,6]。相比于單一機械載荷作用下的疲勞失效，航空發動機和燃氣輪機熱端部件熱腐蝕-疲勞失效機理更為復雜，對熱腐蝕-疲勞壽命預測難度更大。目前，國內外對航空發動機和燃氣輪機熱端部件熱腐蝕-疲勞失效機理有了初步的認識，針對熱端部件材料開展了熱腐蝕機理研究、熱腐蝕-疲勞失效機理研究以及熱腐蝕-疲勞壽命預測，并取得了初步的成果。本文針對過去20年在航空發動機和燃機輪機熱端部件熱腐蝕-疲勞的研究進展進行梳理和總結歸納，以期促進燃氣-海洋環境耦合作用下航空發動機和燃氣輪機熱端部件結構完整性評定方法的發展，提高航空發動機和燃氣輪機的安全性和可靠性。
展開 兩機仿真丨航空發動機零部件、整機級三維數值仿真技術詳解
而數據科學為新時期航空發動機仿真技術提供了新的思路，促使傳統理論與方法革命性變化，即通過對仿真數據加工、計算、管理、分析，挖掘出數據之間潛藏的關聯以及傳統知識無法解釋的物理規律，解決航空發動機復雜系統中具有的非線性、時序性、多特征等傳統理論方法無法解決的問題，在保證仿真精度的同時最大限度地簡化模型，幫助設計人員深化對發動機內部運行本質的認識，提前暴露故障缺陷。
智能賦能的多學科、多部件仿真模型構建
人工智能是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應
用系統的一門新的技術科學，隨著以機器學習和知識計算為代表的算法爆發，其對海量數據的分析能力和對復雜動態系統的智能化推理決策水平能夠讓研究者不再局限于常規的“推導定理式”研究，可以基于高維數據發現相關信息、建立統一數字模型而加速研究進程，尤其適合復雜航空發動機仿真系統。
航空發動機仿真技術是對航空發動機整機、部件或系統等的高精度、高保真多學科耦合數值仿真，需要融合旋轉機械、高溫部件等多子系統和氣、熱、固、機、電、液等多子學科的模型，同時結合海量整機級、部件級、零件級試驗數據和其他數據。在如此海量異源異質數據面前，傳統方法需要做很多假設或人為分割界面實現解耦，各學科各子系統在相對獨立的邊界下開展仿真分析，可能導致結果可靠性差、精度低等問題。下圖為法國CERFACS研究中心的算例。
展開 
數字兩機丨中國航發長春控制：淺談航空發動機零部件數字化檢測技術
4 結語
綜上所述，航空發動機零部件數字化檢測技術是科學技術發展的產物。伴隨著航空發動機零部件數字化檢測技術發展水平的提升，其在航空發動機檢測與制造中發揮著愈加重要的作用。所以，要深入研究航空發動機零部件數字化檢測技術，構建該技術在航空發動機檢測與制造中的應用方案，為航空發動機檢測與制造提供依據。除此之外，要總結航空發動機零部件數字化檢測技術應用經驗，優化檢測工作。另外，要積極地升級航空發動機零部件數字化檢測技術，以便順利開展檢測工作，保證檢測的精確度，強化航空發動機制造效果。總而言之，有必要從多層面、多角度不斷地研究航空發動機零部件數字化檢測技術，以確保檢測工作的高效開展。
文章來源：兩機動力先行
展開 航空發動機整機流固熱耦合仿真
隨著計算流體力學的發展以及計算性能的提升，對航空發動機整機仿真成為了可能，本教程對KJ66航空發動機進行整機仿真，整機仿真結合氣動、傳熱、燃燒、多相流、固體應力，將航空發動機從冷態計算至熱態，即仿真始于冷態，終于熱態。
KJ66航空發動機幾何模型如圖，對航空發動機氣熱彈耦合仿真，計算采用穩態，氣動的計算采用求解粘性N-S方程的方法，燃油的噴射計算采用拉格朗日多相流，燃燒的計算采用有限速率的渦耗散模型，流體與結構的相互作用(FSI)采用雙向耦合的方式。
流體結構相互作用 (FSI)是指一種耦合的表面問題，其中流體模型的狀態取決于結構模型的狀態，反之亦然。這種相互關系可以是對稱或非對稱的。非對稱問題通常指單向耦合問題，表示其中一個模型是獨立的，另一個模型則具有關聯性。
流體結構相互作用(FSI)耦合交界面處的對應流體和固體移動時運動學特性（位置、速度和加速度）相同，受到的力也相同。
從流體傳遞到固體的信息是流體拉力，它由流體壓力和壁面剪切應力組成的。此傳遞發生在耦合壁面邊界流體-結構交界面）上。
從固體傳遞到流體的信息是固體的變形，尤其是流體-結構交界面的變形。
一般情況下，FSI模擬在運動學和力方面保持一致，稱為雙向耦合，在STAR-CCM+中，雙向耦合FSI問題是指從流體到固體和從固體到流體的交換的綜合采用并行求解方法。
進行航空發動機整機氣熱彈耦合仿真的STAR-CCM+版本為STAR-CCM+ 2206.
將航空發動機整機從冷態模型計算至熱態模型后發動機伸長約1mm。
詳細計算結果如下：
速度
溫度
溫度
位移
固體應力
文章來源：STAR CCM仿真學堂
展開 3D打印的革命：這個部件的核心部分只有核桃般大小，卻改變了GE制造航空發動機的方式
和這個里程碑同樣值得慶祝的是，從這里走出的部件已經搭載到了空客A320neo和波音737 MAX飛機的LEAP發動機上。而該款發動機的總訂單數量也已經超過1.6萬臺，總價值超過2,360億美元。除了LEAP，GE航空還利用增材制造技術，為GE9X等發動機制造傳感器、葉片、熱交換器和其他部件。GE9X是世界最大的商用噴氣式發動機，為波音新的777X寬體飛機開發。
增材制造甚至成就了GE新型渦輪螺旋槳發動機Catalyst，讓它打入了小型飛機市場。通過3D打印，工程師們將855個零件整合成了12個部件，極大地增強了Catalyst的競爭力。
展開 高性能熱塑性復合材料在航空發動機短艙上的應用
圖1 空客A350熱塑性復合材料機身卡箍
圖2 空客H–160直升機熱塑性復合材料槳轂中央件
在航空發動機領域，熱塑性復合材料雖無法滿足渦輪盤等熱端部件的使用要求，但在發動機冷端部件及短艙結構上具有廣闊的應用空間。目前，國外廠商已經在吊掛、進氣道降噪聲襯等部位使用大量熱塑性復合材料，并有 GKN 航空?？斯镜膶＜艺J為在風扇罩上可以借鑒飛機經驗應用熱塑性復合材料，如圖 3 所示。
圖3 熱塑性復合材料在航空發動機短艙上的應用
1. 高性能熱塑性復合材料及其成型工藝
目前航空結構中使用的復合材料絕大多數采用環氧、雙馬、聚酰亞胺等熱固性樹脂作為基體。與熱固性樹脂基復合材料相比，熱塑性樹脂基復合材料具有下列優勢：
（1）經合理優化凝聚態結構的熱塑性基體具有較高的基體韌性，熱塑性樹脂基復合材料耐疲勞性能好，沖擊損傷阻抗和損傷容限都比熱固性樹脂基復合材料高。
（2）孔隙率低，吸濕率低，耐環境性能好。
（3）成型過程為熔融 – 固結的物理過程，沒有固化反應，因此可重復成型和焊接成型，成型周期短、效率高、可修補。
（4）熱塑性預浸料可以室溫儲存，且有近乎無限的儲存期。
經過多年的技術積累，國外已逐步建立起熱塑性復合材料完整的技術體系，主要供應商包括荷蘭的TenCate、美國的 Cytec 等公司，近年來，德國 Evonik 公司以及日本 Teijin 公司也陸續開發了熱塑性復合材料體系。
展開 整機丨621所：航空發動機用鎳基鑄造高溫合金及熱處理工藝研究
隨著科技的發展，航空航天、汽車等行業的工業生產要求不斷提升，燃氣輪機、渦輪葉片機匣等領域高溫部件，為了適應整體工業生產的要求，對原材料性能的要求也隨之提高。鎳基鑄造制備高溫合金材料零部件方式，能夠在性能及處理方式上，滿足各個領域工業生產對原材料的要求。除此之外，熱處理是高溫合金生產過程中不可或缺的工藝，能夠通過改變合金的微觀組織來提升合金的耐熱性、抗腐蝕性等性能，在鎳基鑄造高溫合金制備零部件的過程中，熱處理工藝地位重要。文章介紹了鎳基鑄造高溫合金的發展歷程和熱處理技術及其對結構和性能的影響，闡述了鎳基鑄造高溫合金熱處理技術的發展現狀和趨勢。
鎳基鑄造高溫合金是指以鎳為主要成分，以鑄造方法直接制備零部件的高溫合金材料。其具有優異的高溫強度、疲勞穩定性和斷裂韌性以及良好的耐蠕變穩定性等綜合力學性能，可以在高溫環境下長期安全運行，廣泛地應用于航空航天、汽車行業、燃氣輪機領域發動機渦輪葉片、整體葉盤、機匣等高溫部件。隨著航空發動機技術的發展，對合金材料性能的要求也大幅提高。針對原材料性能提升以及初步處理工作的改善，已經成為我國工業生產中的主要趨勢。熱處理是鎳基鑄造高溫合金改善性能必要的工藝過程，通過改變鑄件內部結構的形貌和分布或改變鑄件表面化學成分，可以提高鑄件的綜合力學性能、消除鑄造應力，或提高鑄件的耐腐蝕性能。
展開 高性能熱塑性納米復合材料HX5用于替代航空級鋁制部件
Alpine Advanced Materials公布了HX5的商業可用性，HX5是一種高性能熱塑性納米復合材料，專門用于替代占飛機高達一半重量的航空級鋁制部件。
鳳凰環氧樹脂127https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/48285.html
一種熱塑性納米復合材料，可取代航空級鋁制部件
HX5是更換航空公司內飾金屬零件的理想選擇。與針對航空航天內飾市場的其他輕質復合材料不同，HX5保持與6061鋁相當的強度和性能，并且能夠像金屬一樣進行后處理。HX5零件可以加工，涂層，涂漆，焊接和粘接。HX5可以替代其他復合材料不足的座椅，托盤和廚房中的金屬部件。
Factorydesign的創始人亞當懷特說：
“我一直在尋找新材料，以推進我們在航空航天室內設計市場的創新概念。HX5使我們能夠創造出先進的輕量化設計，為行業帶來改變游戲規則?！?更換鋁制內飾部件有巨大的減重潛力，有助于顯著提高航空公司的燃油效率和減少碳排放。
Alpine執行主席Joe D\'Cruz說：
“這對阿爾卑斯山來說是個激動人心的時刻。我們正在為商業領域帶來革命性的技術，這將極大地解決航空航天業遇到的溫室氣體問題。我們的目標是減少商用單通道客機的碳排放量超過600,000磅。每年?！?Alpine通過洛克希德馬丁公司的獨家許可將HX5帶入商業航空航天業，該公司的產品經過設計和詳盡的測試，并在噴氣式戰斗機，高速直升機，兩棲運輸車輛，導彈，火箭等部件的制造中得到驗證。衛星。
HX5材料比鋁輕50％，比鋼輕80％。它經過認證可用于F-35飛機，西科斯基S-97升降機和軌道平臺，經過在地球內外極端條件下的驗證。它的耐磨性，耐溫性和耐腐蝕性能優于鋁部件，制造速度比加工鋁更快，生產時間從幾個月縮短到幾天。
展開 李應紅院士|渦輪葉片高能束增材再制造修復技術：理論、工藝、熔池、組織、缺陷及性能
單晶渦輪葉片高能束增材再制造是修復磨損、燒蝕和裂紋等損傷缺陷的主要方式，是航空發動機熱端部件特種加工領域最具挑戰性的工作之一，其中蘊含的外延生長組織接續與調控機制、內部冶金缺陷控制等科學問題和關鍵工藝尚未完全突破。梳理了熔焊熔池內凝固組織定向生長的理論發展，基于已有的枝晶異質形核和異向生長理論，構建了單晶高能束修復的基礎原理框架；詳細分析了"修復工藝-熔池特性-凝固組織"之間的內在關聯，提出了保持單晶連續穩定生長的工藝調控準則和熔池監控方法；總結了修復區γ'相等微觀組織以及熱裂紋、氣孔等冶金缺陷的演化規律和調控手段，凝練了單晶修復面臨的主要挑戰。此外，介紹了航空發動機熱端部件再制造領域相關的國外重大研究計劃，并對今后研究方向和發展趨勢進行總結和展望。
鎳基高溫合金是航空發動機渦輪葉片使用最為廣泛的材料[1]，按凝固組織形貌可分為等軸晶、定向晶和單晶，使役性能不斷提高[2](見圖 1)。單晶高溫合金(如無特殊說明，文中單晶合金均指鎳基單晶高溫合金)消除了產生偏析的全部晶界和低熔點的晶界強化元素，具有較高的高溫強度、優異的蠕變與疲勞抗力以及良好的抗氧化性、抗熱腐蝕性能[3-4]。以單晶合金為材料，結合高效的空芯冷卻設計和熱障涂層，可以滿足先進航空發動機高達1 800 ℃的渦輪前溫度要求。
圖 1 航空發動機渦輪葉片凝固組織[2]
Fig. 1 Solidification structures of aero-engine turbine blades[2]
單晶渦輪葉片的鑄造工序復雜、成品率低、含有大量貴重元素，因此價值較高。葉片在服役過程中會不可避免承受高周疲勞、蠕變伸長、環境與熱應力復合等因素影響，出現磨損、裂紋、表面燒蝕和腐蝕等問題[5]。
展開 
盤點我國亟待攻克的核心制造技術, 扎心了...
技術難點：
1、高端軸承用鋼幾乎全部依賴進口
2、煉鋼過程中加入稀土的工藝突破不了
居者無其屋，國產航空發動機的短艙之困
短艙，是飛機上安放發動機的艙室，俗稱“房子”，模樣類似整流罩，主要由發動機進氣道、整流罩和尾噴口組成，起整流、降噪、保護和為安裝發動機部分附件提供平臺的作用。
“與人們熟知的在高溫、高壓、高速等極端工況下工作的航空發動機熱端部件相比，短艙屬于‘低溫部件’技術，是航空推進系統最重要的核心部件之一，所需的技術難度極高。其成本約占全部發動機的1/4左右?！北本┨祢?em>航空產業投資有限公司國家“千人計劃”專家王光秋博士說。
目前，新一代大涵道比航空發動機短艙，主要由航空業頂級制造商美國古德里奇提供，包括波音787和空客A350/A320neo等，也包括龐巴迪C系列和巴西航空公司的E系列支線飛機。美國GE與法國賽風合資的奈賽公司也是一家短艙供應商，向用于B737、A330等飛機的推進系統提供短艙。而我國在這一重要領域尚屬空白。
技術難點：
短艙屬于‘低溫部件’技術，是航空推進系統最重要的核心部件之一，所需的技術難度極高，國內目前空白。
真空蒸鍍機匱缺：高端顯示屏上的陰影
未來可卷曲、如紙一樣輕薄的各類終端屏幕主要選材是OLED（有機發光二極管），OLED生產過程最重要的一環就是“蒸”，工藝難度極高。
真空蒸鍍機就如同OLED面板制程的“心臟”，被日本Canon Tokki獨占高端市場，說其掌握著OLED產業的咽喉也不過分，業界對它的年產量預測通常在幾臺到十幾臺之間。有錢也買不到，說的就是它。
展開 六代機先進動力技術進展研究
自適應通用發動機技術子計劃
2007年，在VAATE研究計劃第一階段中，美國空軍實施了與六代機發動機研發最為密切的自適應通用發動機技術（ADVENT）子計劃，目的是為下一代軍用飛機開發出一款高效的90kN推力級別的自適應循環發動機，并將ADVENT第一階段的技術合同授予了GE和羅羅進行早期開發，主要工作包括概念探索、開發和測試關鍵部件，并開始初始設計。
2009年10月，羅羅獲得了ADVENT第二階段的技術合同，持續開展部件測試并將新開發的技術集成到一臺技術驗證發動機中。GE也獲得了美國空軍研究實驗室（AFRL）的資助繼續開發其技術驗證核心機，并在這個階段驗證了許多關鍵技術，包括CMC（陶瓷基復合材料）熱端部件、高壓縮比核心機、先進的可變壓縮比風扇以及GE下一代冷卻渦輪機。
2012年，ADVENT項目順利過渡到AETD子計劃，并在2013年以發動機驗證機地面臺架驗證而宣告結束。
ADVENT在2013年以發動機驗證機地面臺架驗證宣告結束。
自適應發動機技術發展子計劃
自適應發動機技術發展（AETD）子計劃是VAATE研究計劃的第二階段，即ADVENT的后續計劃，目的是促進自適應發動機部件和通用核心機技術完全成熟，為美國空軍的下一代戰斗機或轟炸機等多種作戰平臺提供動力。與ADVENT研究計劃所采用的小尺寸核心機相比，AETD研究計劃中的發動機采用了尺寸更大的核心機，此外還增加了ADVENT研究計劃中沒有的加力燃燒室和排氣系統。
展開 干貨丨北京航材院：航空發動機樹脂基復合材料的應用
以聚酰亞胺樹脂為代表的耐高溫樹脂基體研發使樹脂基復合材料用于航空發動機近熱端部件成為可能。聚酰亞胺襯套是樹脂基復合材料在壓氣機等耐溫要求較高部位的典型應用之一。襯套用聚酰亞胺復合材料不僅滿足長期工作溫度280 ℃左右，短時經受400 ℃以上的耐溫要求，同時具有良好的熱尺寸穩定性、自潤滑性、低摩擦系數、優異的耐磨損性能和力學性能。美國杜邦公司(USA, DuPont Company)開發了Vespel系列聚酰亞胺復合材料，其中包括石墨填充聚酰亞胺復合材料（如Vespel SP-21、SP-22等）及碳纖維織物增強聚酰亞胺復合材料（如：Vespel CP-8000、CP-0664等）。該系列聚酰亞胺復合材料已應用于羅·羅公司BR710型、普·惠公司PW6000系列等多型航空發動機壓氣機可調靜子葉片襯套，如圖7所示。
圖7 航空發動機聚酰亞胺復合材料襯套
5 反推力裝置
材料和結構同時成型是樹脂基復合材料區別于金屬材料的特點之一。這為航空發動機大型復雜部件的整體化設計、一體化制造提供了可能。
展開 【科普系列】民用航空發動機樹脂基復合材料應用
目前此蜂窩已用于通用電氣、羅·羅、CFM國際等公司生產的多型航空發動機，不僅減輕了質量而且實現了多達30%的噪聲衰減。
傳統進氣道消聲板為拼接分片式設計，拼接造成進氣道壁面聲阻抗不連續削弱了消聲效果。受益于復合材料進氣道無拼接聲襯設計，歐洲空中客車公司(Airbus)早期A320飛機發動機進氣道聲襯拼縫為3片15 cm，之后A340-600飛機發動機為2片7.5 cm寬。采用樹脂基復合材料整體成型工藝后，A380飛機發動機為環形無拼接聲襯（圖6）。
圖5 隔帽內嵌式蜂窩制造示意圖（a)
及等深（b)、非等深（c）隔帽式蜂窩實物圖
圖6 民用航空發動機進氣道拼接式與無拼接式消聲板
4 襯套
傳統樹脂基復合材料基體耐溫性能較低，通常應用于航空發動機冷端結構及外部覆蓋件。以聚酰亞胺樹脂為代表的耐高溫樹脂基體研發使樹脂基復合材料用于航空發動機近熱端部件成為可能。聚酰亞胺襯套是樹脂基復合材料在壓氣機等耐溫要求較高部位的典型應用之一。襯套用聚酰亞胺復合材料不僅滿足長期工作溫度280 ℃左右，短時經受400 ℃以上的耐溫要求，同時具有良好的熱尺寸穩定性、自潤滑性、低摩擦系數、優異的耐磨損性能和力學性能。
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