葉盤的案例
3D打印讓國產發動機更進一步
軍事觀察者根據國內外公開資料推測，王華明院士在我國新一代重型和中型隱身戰斗機用發動機關鍵部件：高溫鈦合金雙性能整體葉盤也獲得了重大進展，采用了激光快速成形雙相鈦合金“ 特種熱處理”新工藝， 激光增材制造出了具有梯度組織和梯度性能的先進航空發動機鈦合金整體葉盤，具有極為優異的綜合力學性能。新一代高性能軍用飛機的優異作戰性能強烈依賴于先進高推重比航空發動機的應用，而整體葉盤技術將發動機葉片、輪 盤等零件集成設計為一個整體構件，可大幅減少零件數量，減輕結構質量，從而提高發動機的推重比和使用可靠性。有資料稱較與傳統的榫齒連接結構相比，每個整體葉盤可減重約30％。
國外第三代航空發動機的最新改型，如F414，Ｆ110-GE-129G，Ｆ100-PW-229A發動機均部分改用了整體葉盤，大幅提高了發動機推重比；第四代發動機如EJ200，Ｆ119，Ｆ135的風扇和高壓壓氣機則全部使用了整體葉盤制造技術。隨著整體葉盤結構設計和加工能力的提升及工程應用經驗的積累，其在發動機中的應用技術不斷發展成熟。傳統鈦合金風扇和高壓壓氣機轉子采用榫齒連接結構，葉片和盤分開制造，可以靈活選用不同材料或同一材料不同組織狀態，這是因為葉片需要高的強度、塑性和高周疲勞強度性；而盤片則需要優異的耐高溫性、低周疲勞性及損傷容限性，兩者性能要求截然不同。整體葉盤如果采用同一種組織狀態，往往難以滿足葉片和盤不同的受力和受熱條件要求，在一定程度上各自損失了一些性能。為了挖掘整體葉盤的最大性能潛力，必須發展雙性能整體葉盤技術。
目前雙性能整體葉盤技術的制造方法主要采用是焊接法，通過線性摩擦焊等技術將不同性能的葉片和盤片焊接為一個整體。然而焊接法的最大問題是連接區域往往會成為整個構件的薄弱環節，這對于強調高可靠性和長壽命的航空發動機高速轉動部件來說是個重要隱患。
展開 航發葉片檢測全棧解決方案：三坐標四軸聯動智能掃描分析
針對航發葉片復雜自由曲面、葉盤密集陣列的嚴苛測量挑戰，通用三坐標方案力不從心：測量效率低下、細節缺失、報告維度單一。中圖儀器直面行業痛點，專為航發葉片和葉盤檢測打造全自主化軟硬件一體解決方案——四軸聯動自適應掃描分析方案
1、效率躍升：針對葉型曲面優化的四軸聯動智能掃描技術相較于傳統掃描測量，可大幅壓縮檢測時間，效率提升100%，高效應對批量測量任務。
2、無死角精準捕獲：高精度掃描測頭和轉臺智能協同運動，實現復雜曲線連續、高速、無死角掃描，完整捕捉葉背/葉盆型線、前/后緣、榫頭榫槽等全尺寸特征。
3、核心參數深度解析：專用分析軟件PowerBlade全面評價前/后緣、葉型輪廓、弦長、弦線角、位置度、最大厚度、邊緣厚度、波紋度、扭轉角等關鍵參數指標，精準分析葉型質量狀態。
4、智能工藝閉環： 檢測數據深度分析，為加工補償、工藝調整和質量判定提供精準方向，驅動制造工藝持續優化。
精準測量，智造未來——從研發驗證到生產全檢，四軸聯動智能掃描技術以精準數據為航發葉片的卓越性能和安全保駕護航，其擁有一系列優勢：
1.專機專用：全自主化軟硬件深度協同，針對航發葉片和葉盤測量需求深度開發；
2.效率倍增：智能路徑規劃配合四軸聯動自適應高速掃描，檢測效率顯著提升；
3.全維洞察：全面覆蓋弦長、弦線角、葉型輪廓、位置度、喉道、彎曲等核心參數；
4.閉環賦能：覆蓋研發、生產、服役、返修全生命周期數據管理，數據驅動工藝優化，為壽命預測、維修決策提供科學支撐。
展開 激光焊接技術在航空制造中的應用
圖5?激光堆焊修復葉片葉冠損傷部位
圖6?激光焊接補片修理整體盤葉片
美國霍尼韋爾公司已經成功將激光焊接技術應用于Avro RJ支線噴氣系列飛機發動機LF507的葉片修理。加拿大Liburdi集團公司采用自動送絲激光焊接設備進行葉片修理，已實現了RB211發動機高、中、低壓渦輪葉片修理（見圖7），并于2001年獲得R&R公司授權專門從事RB211發動機葉片和其他部件的激光焊接修復。德國MTU公司開發了可用于風扇整體葉盤的葉片損傷修復的激光焊接技術，形成了焊接、機械加工、精密拋光和無損檢測修理規范。
圖7?自動送絲激光焊修理渦輪葉片
激光低熱輸入精密金屬沉積工藝是H&R公司的專利技術，與激光填絲焊接類似，主要是利用激光熔化金屬扁絲進行一層一層地堆積，不同的是，這種技術無需待修理件上建立熔池。美國海軍和空軍已將該技術成功地應用于受損整體葉盤修理，使修理時間縮短、精度提高、費用減少、壽命延長，并在T700發動機壓氣機第1級整體葉盤上得到驗證。在此基礎上，H&R公司針對普惠公司F135發動機修理，完成了相關的高循環疲勞試驗和評估，達到與T700發動機壓氣機整體葉盤相同的修理水平。
國內在激光增材修復技術方面開展了較多的研究，已完成了多種結構、材料發動機構件的修理驗證，但在激光焊接修理應用研究相對較少。中科院金屬所采用激光顯微焊進行原位無損修復，該技術具有可獲得內應力最小、空間界面結合最好、缺陷立體修復區最小的優點，已成功應用于我國研制的某機空心導向葉片的鑄造工藝孔修復，以及低壓渦輪1、2級三聯體無余量精鑄導向器葉片大小安裝板上的疏松、縮孔與裂紋等缺陷的修理，通過了裝機臺架試車考核。
展開 案例55-帶圓盤轉子風機葉片的反求分析
問題描述
NASA轉子67風扇葉片盤是用于航空發動機應用的渦輪風扇壓縮機組的一個子系統。
以下扇區模型代表了一個具有挑戰性的工業示例，詳細的幾何測量和流量信息可在公開領域獲得，由扇區角度為16.364度的圓盤和風扇葉片組成：
全模型由22個風扇葉片組成：
扇形模型表示葉片的運行狀態或熱幾何結構。它已經在加載下的運行條件下進行了優化。主要目標是使用逆解從給定的熱幾何體獲得冷幾何體（用于制造）。
為了驗證逆解分析結果，對冷幾何體（通過逆解獲得）進行標準正解分析，以完成結果比較的回路測試。
為了突出Mechanical APDL逆解技術，本示例問題不涉及循環對稱性分析。
建模
NASA Rotor 67風扇葉片盤的單扇區模型在默認設置下用SOLID186單元劃分網格：
葉盤和葉片幾何結構分別劃分網格。葉片和葉盤之間形成接觸對。
接觸建模
為葉盤和風扇葉片之間的接觸定義了一個粘結的面-面接觸對（使用基于MPC的算法）：
接觸表面用CONTA174接觸單元劃分網格。目標表面用TARGE170目標單元劃分網格。
材料屬性
該模型使用線性彈性材料。使用以下與溫度相關的材料特性：
邊界條件和加載
固定支撐條件應用于模型圓盤部分的底部：
考慮以下載荷：
• 轉速引起的離心載荷
• 由于參考溫度和工作溫度的差異而產生的熱載荷
• 施加在風扇葉片上的不穩定流動壓力
沿全局Z軸應用旋轉速度（CGOMGA，0，01680）。
展開 
飛機“心臟”渦軸發動機到底有多精密？
這是大型渦扇發動機的風扇葉盤，一片片葉片安裝在盤轂上，損壞后只要單獨更換，葉片間通過加強凸肩連在一起，能增加葉盤的整體強度。
4級低壓壓氣機。
第一級壓氣機的葉片也具有類似的凸肩。
葉片通過凸肩緊緊抵在一起。
密集的10級高壓壓氣機。
發動機的傳動箱。
渦扇發動機殼體。
高壓壓氣機。
著名的TV2-117渦軸發動機，1959年由克里莫夫設計局開始研制，1965年投產后一直持續生產到1997年，總產量約23000臺，總運行時間超過100萬小時。
TV2-117安裝在了MI-8河馬系列直升機上，10級壓氣機的前三級葉片可調。發動機有兩級壓氣機渦輪和驅動負載的兩級自由渦輪。照片所示是發動機的進氣口。
TV2-117的壓氣機。發動機起飛功率1500馬力，此時油耗為0.310千克每小時每馬力。
隱藏在尾噴管中的輸出軸。
尾噴管細節。
展開 解剖一臺飛機發動機，你會立即被細節震撼！
各位造友快來和小編一起欣賞吧
這是大型渦扇發動機的風扇葉盤，一片片葉片安裝在盤轂上，損壞后只要單獨更換，葉片間通過加強凸肩連在一起，能增加葉盤的整體強度。
4級低壓壓氣機。
第一級壓氣機的葉片也具有類似的凸肩。
葉片通過凸肩緊緊抵在一起。
密集的10級高壓壓氣機。
發動機的傳動箱。
渦扇發動機殼體。
高壓壓氣機。
著名的TV2-117渦軸發動機，1959年由克里莫夫設計局開始研制，1965年投產后一直持續生產到1997年，總產量約23000臺，總運行時間超過100萬小時。
TV2-117安裝在了MI-8河馬系列直升機上，10級壓氣機的前三級葉片可調。發動機有兩級壓氣機渦輪和驅動負載的兩級自由渦輪。照片所示是發動機的進氣口。
TV2-117的壓氣機。發動機起飛功率1500馬力，此時油耗為0.310千克每小時每馬力。
隱藏在尾噴管中的輸出軸。
尾噴管細節。
展開 沈陽自動化所激光沖擊強化設備研究取得新進展
SIA-LSP-11型激光沖擊強化設備是沈陽自動化所自主開發的整體葉盤二代激光沖擊強化設備，在前期開發經驗基礎上，對設備整體功能進行了優化設計，不僅強化了航空發動機整體葉盤，還強化了焊縫、榫頭、榫槽等多種復雜曲面零件。正式投產運行后將進一步提升航空結構件的使役性能，助力航空裝備快速發展。
SIA-LSP-21型激光沖擊波科研平臺具有雙波長、多光束、多形光斑并行加工能力，擁有人機友好共融的開放式操作系統、協同控制軟件、工藝數據庫、歷史查詢軟件、操作人員管理軟件，并可二次開發與拓展，適于多種激光沖擊強化工藝方法研究，可為我國激光沖擊強化科學研究提供支持。
2018年，沈陽自動化所裝備制造技術研究室激光沖擊團隊在基礎研究與工藝開發方面也取得了多項成果，建立了激光沖擊強化數學模型，可以精確預測激光沖擊強化后的殘余應力場；開展渦輪 盤鎳基高溫合金溫控激光沖擊強化工藝與機理的研究，突破高溫端激光沖擊延壽技術瓶頸；在AID Advances，Opto-Electronic Advances，《稀有金屬學報》，《中國激光》等期刊中發表相關研究成果10余篇。
沈陽自動化所裝備制造技術研究室經過多年的技術積累與創新，在激光沖擊強化技術實現持續引領行業的基礎上，開展了強化機制、工藝與裝備集成研究，具備產學研一體化技術攻關及工程實施的全套解決方案，助力高端裝備發展。
展開 材料之殤：從小學知識說起，說說航空發動機
正因為極端條件下的苛刻要求，美帝有些發動機，為了減少不必要的連接和縫隙，核心部件就從整個大鐵疙瘩里一點一點削出來，俗稱整體葉盤。
葉片和圓盤連在一起，不但更牢固，重量還能下降30%。我們心領神會，據說已經引進了最先進的整體葉盤制造技術。
這圖就開個玩笑，自家展會上的，只是試刀用的樣品。整體葉盤逐漸成為發動機主流，美帝計劃2020年戰斗機渦輪全采用整體葉盤，不過加工這玩意兒手藝不是一般的高明，通常需要五軸聯動機床。說到機床，哎……
順便說一說美俄思路的差異。毛子的數學功底是融到骨子里的，所以毛子經常靠線性計算搞定一切。蘇27的發動機就是用銷釘固定，毛子就是任性的把受力分布計算到極致，發動機硬是不散架!這功夫也是沒誰了!
雖然航空發動機極高溫極高壓，但工作時間畢竟短，還有一種場景是溫度壓力稍微低點，但工作時間非常長，由于溫度和時間具有一定的當量關系，這其實是一回事。對鋼的穩定性評價通常采用“高溫長時效試驗”，舉例來說：蒸汽輪機葉片鋼試驗時間通常要超過10000h，若把溫度提高到670度，試驗時間可以縮短到400h。
所以除了航空發動機，我們的大功率蒸汽輪機、燃氣輪機也是苦的一逼!鍵盤俠們可集中火力往這兒噴。
很多同學就不信邪了，為啥材料這么難?
展開 中國航發首次集中展示多型國產先進發動機
據介紹，AEF100發動機是小型雙轉子中等涵道比渦扇發動機，可滿足高空長航時無人機動力和6—8座小型公務機動力需求，該發動機增壓級壓氣機轉子是國內首個整體設計、加工的小尺寸鈦合金葉盤，填補了國內同類零組件設計、加工的空白。
渦軸-16發動機是中國航發與法國賽峰集團對等合作開發的新一代渦軸發動機，可適用于7—8噸級雙發直升機和13噸級三發直升機，目前已裝配AC352直升機。
燃氣輪機也給觀眾帶來驚喜。R0110重型燃氣輪機的研制成功，填補了我國在自主研發工業用重型燃機領域的空白；AEG100燃氣輪機發電機組是一款微型燃機，主要用于軍民應急保障、海島供電、艦船電力系統原動機和冷熱電聯供系統。
此外，民用大涵道比渦扇發動機高負荷壓氣機整體葉盤試驗件性能指標達到國際先進水平。由航空發動機測試技術衍生發展的DAQ48-TC數字熱電偶采集儀和mDAQ-1032多功能數據采集儀，是集團推進軍民深度融合發展的典型產品。
另據悉，中國航發還將于9月中旬聯合中國工程院機械與運載工程學部，組織召開以“聚焦試驗測試技術，助力航發創新發展”為主題的航空發動機試驗與測試技術高峰論壇。
展開 【機械加工】兩物體接觸面摩擦幾下，竟然能粘在一起！
▲線性摩擦焊應用于戰斗機發動機整體葉盤、空心葉片葉盤等的制造
溫馨提示：請在WIFI環境下觀看！
線性摩擦焊的技術特點：
加工效率高，材料損耗小。線性摩擦焊相比于數控銑削，可以節省大量的貴重金屬，提高金屬利用率；焊接過程中完全自動化，人為參與因素很小，焊接控制參數如壓力、時間、頻率和振幅等參數控制簡單，故其可靠性高，且使加工時間大幅降低，效率明顯提高；
焊接質量高，焊接過程中不產生與熔化和凝固冶金有關的一些焊接缺陷和焊接脆化現象，由于加熱時間短，熱影響區窄，組織無明顯粗化。在焊接鋁、鈦合金材料中，更能體現其優越性；
可以焊接兩種不同的材料；
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展開 民用航空發動機制造用到不少鍛壓技術
航空渦軸發動機結構特點
01
大量采用整體葉片盤
整體葉盤在20世紀80年代首先在渦軸發動機上應用，已成為發動機技術發展方向，可帶來“減重、減級、增效、提高可靠性”的技術效益，據2005年公布的數據，JSF升力風扇尺寸已達到：葉盤直徑 Φ50英寸（1270mm），葉片長度19英寸（480mm），整體葉盤尺寸越來越大是未來的發展趨勢。
航空發動機用粉末高溫合金及制備技術研究進展
高溫合金Ar 氣霧化制粉技術和裝備取得進展，通過粉末的純凈度、粒度、O含量、夾雜和形貌控制，滿足我國粉末高溫合金渦輪盤件制備和3D打印復雜構件的需求。未來高溫合金Ar氣霧化制粉技術將繼續朝著高純、細化、窄粒度、少夾雜、高球形度以及高效率和低成本的方向發展。在現有渦輪盤件制備技術的基礎上，研制了符合渦輪盤不同位置服役環境特點的雙性能渦輪盤和雙合金整體葉盤，研制的高溫合金鍛模材料可滿足我國粉末高溫合金渦輪盤件等溫鍛造的需求。綜合運用同步輻射、原子探針等先進表征手段和高通量實驗手段，提高研發效率，揭示粉末高溫合金制備和服役過程中的基礎科學問題和規律。
來源：《金屬學報》作者：張國慶 張義文 鄭亮 彭子超
展開 怪不得航空發動機那么難造，看看3D工作原理，我真的明白了
每級風扇都包括一個單片式整體葉片轉子(IBR，或簡稱為“葉盤”，由實心鈦合金盤體和鈦葉片焊接而成)。
由于F135無需推力矢量，所以普惠采用了傳統的軸對稱環形設計。F135的尾噴管由15片重疊的內外魚鱗片組成，外片正好遮蓋住內片之間的縫隙。內側魚鱗片較薄，具有金屬光澤的外觀，兩側直邊，末端為倒V形。在噴管完全張開時，內側魚鱗片之間會形成矩形間隙。
F-35B的升力風扇是其垂直升力系統的重要組成部分，由兩級反向旋轉的風扇組成，一級疊加在另一級上方，每級都是整體葉盤結構。上級風扇有24片空心鈦葉片，下級則是28片實心葉片。
燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析
0 ～ 8級低壓壓氣機輪盤、葉片材料為鈦合金;低壓渦輪盤、葉片材料為高溫合金;低壓渦輪軸材料為馬氏體不銹鋼。低壓渦輪壓氣機轉子呈3點支承結構, 前支承采用徑向止推滾珠軸承, 支承點位于壓氣機0級輪盤前段, 由彈性支承、擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成;中間支承采用滾柱軸承, 由擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成, 支承點位于低壓壓氣機后軸徑后段;后支承采用滾柱軸承, 由彈性支承、擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成, 支承點位于低壓渦輪軸后段。
2 計算模型
該型燃機低壓渦輪壓氣機轉子的3D模型較大,這將導致在網格劃分以及計算過程中花費大量時間,因此我們對本機組的計算采用2D軸對稱模型。在總體直角坐標系下建立二維軸對稱單元, 其種類有3節點或高階6 節點的三角形單元、4 節點或高階8 節點的四邊形單元。每個節點有9個自由度, 前6個自由度與梁單元一樣, 分別為沿旋轉軸線方向的拉伸和扭轉, 以及由彎曲而引起的其他2個方向的線位移和角位移。另外, 3個自由度與旋轉軸的橫截面變形有關, 分別為拉伸引起的徑向位移和彎曲引起的2個切向位移。同時, 使用這類單元可以很好地模擬轉子的“渦動效應” 。
建立總體直角坐標系(X , Y , Z )和局部圓柱坐標系(er, z , eθ)。
設定ur, uz, uθ, r, z, θ為局部坐標系下的位移分量, 將它們沿θ向按傅立葉級數展開如下:
式中:n為波數;m為相數。每個諧函數(n, m)對應1個結構的基本變形。
低壓渦輪壓氣機轉子的壓氣機葉盤間的連接方式為焊接或螺栓緊固, 渦輪葉盤與渦輪軸之間也是以螺栓緊固的方式連接, 低壓壓氣機與低壓渦輪軸之間的連接為花鍵。因此可以認為壓氣機葉盤之間、渦輪盤與渦輪軸之間均為剛性連接;花鍵連接按鉸鏈簡化, 以此為依據進行整體建模。
展開 案例45-氣動阻尼失諧葉片盤的強迫響應分析
在這個頻率范圍內，葉片盤的前幾個模式被激發。
以下示例輸入顯示了此分析中的步驟：
非線性預應力模式疊加諧波循環對稱性-具有空氣阻尼的線性擾動失諧響應分析
在失諧響應分析（這是一種現實情況）中，考慮了葉片特性（如剛度）的偏差。
為了利用線性擾動進行分析，程序與非線性預應力模式疊加諧波循環對稱性分析-調諧響應中描述的程序相同，但定義了失調參數。使用帶有Option=MIST的CYCFREQ命令將這些失調參數指定為陣列輸入。對于該分析，考慮以下失諧分布：
使用CYCFREQ命令施加EO=2發動機指令激勵，Option=EO，Value1=2。帶有失諧的循環模式疊加諧波分析需要單獨在葉片上減少CMS。為此，您需要使用帶有Option =blade的CYCFREQ命令提供葉片信息。該葉片信息由包含以下內容的節點組件的名稱組成：葉片到葉盤接口處的葉片邊界節點、包含葉片單元的單元組件的名稱以及CMS縮減中包括的葉片模態的數量。
下圖顯示了風扇葉片的單元組件和葉片到葉盤接口處的葉片邊界節點：
為了確定模態頻率和相應的模態阻尼比，使用CYCFREQ命令（Option=modal，Value1=on）對簡化系統進行調諧和失諧模型的阻尼模態分析。
對于具有空氣阻尼和失諧的強制響應，考慮了503.76-553.76 Hz（具有50個子步長）的激勵頻率范圍。
以下示例輸入顯示了此分析中的不同步驟：
注意：
對于理想/調諧的循環葉片盤，發動機階次激勵將僅激勵具有與激勵諧波指數匹配的多個節點直徑的模態。對于失諧葉片盤，模態具有多重諧波成分，因此許多模態將由發動機階次激勵激發。
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