國內首臺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“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)動機通過結構優(yōu)化設計，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科拓撲優(yōu)化設計方法在航空發(fā)動機領域的應用前景，為科研理論向工程應用的轉化提供了強大支持。

中國航發(fā)在渦噴發(fā)動機的設計與工藝開發(fā)方面積累了多年的經驗，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)動機輕量化設計及試驗》，以領略其中的創(chuàng)新精神與實力。

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

圖1  增材制造發(fā)動機研究總體思路

發(fā)動機集成化設計研究
當前的微型渦噴發(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直接制備傳統(tǒng)結構零部件，則無法充分發(fā)揮增材制造技術的優(yōu)勢，甚至可能放大增材制造技術的局限性。為此，創(chuàng)新團隊須結合增材制造技術的特點及局限性，打破傳統(tǒng)工藝下發(fā)動機設計思維定式，在滿足結構構型約束、性能約束、工藝約束、強度約束及剛度約束等多約束的基礎上，開展發(fā)動機零件結構集成化設計研究，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，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計，達到減輕零件質量的效果。因此，最終確定零件整合方案以減輕發(fā)動機質量、提高結構可靠性為目標。集成化設計研究思路如圖2所示。

圖2  集成化設計研究思路

發(fā)動機輕量化設計研究

結合發(fā)動機零部件結構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)化技術應用至零件的輕量化設計中。利用變密度拓撲優(yōu)化設計驅動材料分布，從而獲得零件高效、輕量化的創(chuàng)新構型。在此基礎上考慮增材制造工藝約束性，對拓撲優(yōu)化構型進行重構，優(yōu)化零件結構形式，實現(xiàn)拓撲構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)高度復雜構型成形的特點，對集成化零件進行結構適應性改進，在確保結構剛度和強度的基礎上，實現(xiàn)靜子件的輕量化設計。輕量化設計研究方案如圖3所示。

圖3  輕量化設計研究方案

空心葉輪盤冷卻設計研究
根據拓撲優(yōu)化設計后的轉子件空腔結構特點，創(chuàng)新團隊提出了一種新的氣冷葉輪盤結構（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  新型冷卻構型設計研究方案

項目實施情況

集成化設計方案
創(chuàng)新團隊在詳細剖析傳統(tǒng)發(fā)動機零件結構、功能、材料及裝配關系后，制訂了多種零件集成化方案。針對集成化結構開展了性能評估、結構強度評估、轉靜子間隙評估及增材制造工藝可行性評估，突破了可提升結構可靠性的集成化設計技術，實現(xiàn)發(fā)動機本體零部件數量減少81%。發(fā)動機集成化前后結構對比示意圖如圖5所示。

圖5  發(fā)動機集成化設計對比圖

輕量化設計方案
創(chuàng)新團隊采用面向增材制造工藝的拓撲優(yōu)化技術完成了發(fā)動機主要零部件輕量化設計，包括轉子件和靜子件等，優(yōu)化后零件結構如圖6所示，最終實現(xiàn)整機減輕質量17.3%。，詳細情況見表1

圖6  集成化靜子件輕量設計前后

表1  增材制造發(fā)動機結構優(yōu)化前后質量減輕情況

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)工藝轉子件的發(fā)動機已完成兩次點火試驗，發(fā)動機性能達標，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)專門的數據傳輸系統(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)在產品結構創(chuàng)新和生產工藝創(chuàng)新上，具體創(chuàng)新點如下。

一是建立了基于增材制造技術的發(fā)動機零件集成化設計技術。通過該集成化技術，研制了一型基于增材制造技術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)化技術的零件輕量化設計技術。通過本項目發(fā)展的輕量化設計技術，使創(chuàng)新結構空心離心葉輪、空心渦輪軸及空心渦輪盤等優(yōu)化設計有了重大突破，并采用增材制造工藝實現(xiàn)了空心轉子件的加工制備。

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型。通過本項目發(fā)展的氣冷葉輪盤新構型是通過輪盤腔內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。

結束語
創(chuàng)新團隊以微型渦噴航空發(fā)動機為技術驗證平臺，探索增材制造技術在航空發(fā)動機設計和制造領域的應用研究，開展了基于增材制造技術的發(fā)動機結構集成化、輕量化及創(chuàng)新型冷卻構型設計技術研究，實現(xiàn)了航空發(fā)動機集成化、輕量化及高可靠性設計，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、輕量化設計技術對提升發(fā)動機設計和制造能力具有重要意義，可推廣應用至高性能發(fā)動機的研制。