高慧婷 馬靜月

(吉林建筑工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118)

0 引言

從1903年12月17日基蒂霍克駕駛?cè)R特兄弟發(fā)明的內(nèi)燃機做動力、木料做骨架、帆布做機翼的飛機試飛成功距今已有百余年.雖然飛行時間不足一分鐘(59s)，飛行距離只有259 m，但在世界飛行史上卻留下了不可磨滅的光輝一頁.這次試飛成功之后，萊特兄弟不斷努力進行改進和試飛試驗.1908年在法國巴黎上空的一次飛行表演中，創(chuàng)下了飛行時間2小時22分23秒的最新紀(jì)錄，奪得最早發(fā)明飛機的“桂冠”，被人們譽為“飛機之父”［1］.一個世紀(jì)以來，航空工業(yè)取得了迅猛的發(fā)展，從材料的更替到加工技術(shù)的革新，如今飛機無論從飛行的高度還是距離，以及高科技性能都已不可同日而語，而發(fā)動機作為飛機飛行的源動力，在飛機制造中具有極為重要的地位，也是現(xiàn)代航空工作者在改進飛機性能過程中的主要攻關(guān)課題，目前世界航空航天發(fā)達國家在技術(shù)上處于明顯的領(lǐng)先，我國在這方面較為滯后，一些關(guān)鍵性的技術(shù)問題尚未解決，加之資金投入的不足，與發(fā)達國家之間的差距在不斷拉大，如何自主研發(fā)新一代高推重比的渦輪發(fā)動機，早日達到國際領(lǐng)先水平，成為擺在中國新一代航空工作者面前的一個嶄新的課題.

1 整體葉盤結(jié)構(gòu)

近年來，國外航空發(fā)達國家在新型航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了稱之為整體葉盤(blisk)(圖1，部分葉盤)的最新結(jié)構(gòu).與傳統(tǒng)的葉片和輪盤裝配結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤將葉片和輪盤設(shè)計成一個整體，省去了榫頭、榫槽和鎖緊裝置，減少了結(jié)構(gòu)重量和零件數(shù)量;在氣動布局上采用了寬弦、彎掠葉片和窄流道，從而提高了氣動效率［2］.此外，采用整體葉盤還可以消除傳統(tǒng)葉片、輪盤連接之間的氣流逸流損失，避免葉片、輪盤機械連接之間的微動磨損、微觀裂紋，以及機械連接件的意外損壞等，從而使發(fā)動機工作效率、推重比、工作壽命和安全可靠性大大提高［3］，因而在新研制的第4代戰(zhàn)斗機所配套的高推比發(fā)動機上得到了成功的應(yīng)用.

我國在發(fā)動機的研發(fā)上部分也采用了整體葉盤技術(shù)，但也有一部分仍采用榫齒連接技術(shù)，有一些技術(shù)問題尚待解決.高性能航空推進系統(tǒng)是先進戰(zhàn)斗機各項性能指標(biāo)實現(xiàn)的前提與重要保障.新一代大推重比、小涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機顯示出強大生命力.在國際上，目前代表性的機種有P＆W公司的F 119、歐洲的EJ 200、法國的M 88-Ⅲ、俄羅斯的AЛ-41Φ，其特點是推重比為10左右，渦輪前溫度1 850 K以上，主要用于裝備第4代戰(zhàn)斗機［4］.

圖1 部分葉盤模型

美國早在80年代中期就制定了“IHPTET計劃”(綜合性能渦輪發(fā)動機技術(shù)計劃)，該計劃預(yù)計耗資50億美元，經(jīng)過15年左右的時間，使航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的性能成倍提高，推重比達到15～20，耗油下降30% ～50%［5-6］，此項計劃第3階段性能目標(biāo)測試已由美國P＆W公司于2003年4月試驗成功，推重比比F 119高100%，渦輪進口溫度提高204.5℃.壓氣機第1級轉(zhuǎn)子、第3級靜子葉片采用了整體葉盤，材料為γ鈦鋁合金，采用摩擦焊技術(shù)，發(fā)動機的型號被命名為XTC 67/1核心機.此外，P＆W公司于2004年正式啟動進行7E7發(fā)動機的高空模擬試驗，預(yù)計累計試驗時數(shù)將達到15 000個工作循環(huán)［7］.

上述具有典型代表的發(fā)動機均采用了整體葉盤，整體葉盤(Blisk)將葉片與輪盤制造(或焊接)成一體，無需加工榫頭、榫槽，盤的輪緣徑向高度及厚度和葉片原榫頭部位尺寸可大大減少，減重效果顯著(可減重50%，葉環(huán)結(jié)構(gòu)Bling減重達100%);零件數(shù)大大減少，有利于裝配和平衡.可以說整體葉盤是第4代噴氣發(fā)動機的典型新結(jié)構(gòu)之一.

2 葉盤電子束焊接

電子束焊接起源于德國.1948年，德國物理學(xué)家Steigerwald K H首先提出了用電子束進行焊接的設(shè)想，并發(fā)明了第一臺電子束焊接設(shè)備［8］.電子束焊接是以高能密度電子束作為能量載體對材料和構(gòu)件實現(xiàn)焊接和加工的新型特種加工工藝方法.它具有傳統(tǒng)焊接方法難以比擬的優(yōu)勢和特殊功能:其焊接能量密度極高，容易實現(xiàn)金屬材料的深熔透焊接，焊縫窄、深寬比大、焊縫熱影響區(qū)小、焊接工藝參數(shù)容易精確控制、重復(fù)性和穩(wěn)定性好［9-12］.電子束焊發(fā)展較早，也較成熟，在各種先進精密的焊接工藝中，并最先用于整體葉盤的制造過程中.電子束焊通常是在真空條件下進行，保護條件良好，焊接適用范圍廣，能焊接絕大多數(shù)的金屬及其合金.對于焊接接頭，無論工件厚薄都可不開坡口，不加填充金屬，單道一次焊接，且速度快，工作距離大，焊接部位可達性好，電子束的運動軌跡可通過電磁力控制，尤其適用于鈦及鈦合金等活性金屬的焊接［13-14］.所以在整體葉盤的連接中得到了普遍應(yīng)用.

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型的建構(gòu)與網(wǎng)格劃分

國外在航空發(fā)動機建模與性能數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展以美國為代表，在歷來制定的國防關(guān)鍵技術(shù)中，均將“仿真與建?！绷袨殛P(guān)鍵項目.因為航空發(fā)動機制造的成本高，耗資巨大，若是全部憑借實驗方式來完成項目攻關(guān)，其消耗可想而知，發(fā)動機的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜因此需要采用大型繪圖軟件，如UG等完成整體葉盤的繪制，利用Hypermesh將圖1的模型劃分成圖2網(wǎng)格，再導(dǎo)入有限元分析軟件進行計算，根據(jù)計算的結(jié)果分析殘余應(yīng)力的分布，對電子束焊接整體葉盤的變形情況進行預(yù)測，對焊接方案進行虛擬優(yōu)化.

3.2 熱源模型

圖2 葉盤的有限元模型

在電子束焊接有限元熱源模型的研究上，過去幾十年中，曾采用的熱源模型基本有高斯面熱源模型、橢球形熱源分布模型、柱狀熱源模型、高斯旋轉(zhuǎn)體熱源模型、錐形熱源模型和“酒杯”形熱源模型，在這里主要介紹3種模型如下:

3.2.1 高斯面熱源

式中，q(r)為半徑r處的表面熱流;σ為熱流分布函數(shù);Q為能量功率;r為距熱源中心的距離［15］.電子束功率并非總是滿足高斯模式，有些研究者在高斯模式基礎(chǔ)上對其加以改進，增加電子束斑點加熱中心區(qū)的比熱流，相應(yīng)改變加熱邊緣的比熱流，同時，保持熱源輸入的總能量與高斯模式相同.但面熱源沒有考慮深度方向的熔化，因此現(xiàn)已很少在電子束焊接模擬中單獨使用.

3.2.2 錐形熱源模型

錐形熱源模型不僅體現(xiàn)了能量在厚度方向上的衰減規(guī)律，也更好地體現(xiàn)了能量在電子作用層及束流匙孔中的分配.實際焊接時，能量先在工件表面電子作用層上聚集熔化金屬，從而形成較大的熔池，凝固后形成“釘子”頭部;而后能量在束流匙孔中逐漸衰減形成較大的熔深，凝固后形成“釘子”底部［16］.

3.2.3 “酒杯”形熱源模型

由于電子束焊接過程中的“匙孔”效應(yīng)和表面熔池效應(yīng)，焊縫截面最終會形成或酒杯”形或“釘”形.而在焊縫中心，由于孔壁對能量的吸收在深度方向分布不均，隨著深度增加，能量是逐漸衰減的.為此，“酒杯”形或“釘”形熱源模型在高斯體熱源基礎(chǔ)上增加了一個衰減函數(shù)f(z)，使其能較好的體現(xiàn)這種特殊的能量分布:

式中，t為焊接時間;a0，b0為防止計算溢出而假設(shè)的初值;而f(z)中的a，b，c是影響熱源形狀的關(guān)鍵參數(shù)［17］.

電子束焊接熱源模型的準(zhǔn)確與否，對最終的模擬結(jié)果有著決定性的影響，對整體葉盤電子束焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)變的計算的結(jié)果有著直接的影響.上述電子束焊接熱源模型經(jīng)過了多次的演化和在實驗中的驗證已在實踐中逐漸得到了應(yīng)用，但整體葉盤的模型形狀復(fù)雜，究竟選擇哪種熱源模型作為計算模型還要根據(jù)模擬過程，加之實驗的方法加以驗證.

4 結(jié)語

(1)整體葉盤的連接技術(shù)，取代了榫齒連接對于減輕發(fā)動機的重量，避免了氣流逸流損失和榫齒連接的微動磨損等缺點，是獲得高推重比發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)，整體葉盤在航空發(fā)動機中的全面應(yīng)用是未來發(fā)展的必然趨勢;

(2)為節(jié)約資金，對整體葉盤的焊接產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力和變形進行預(yù)測，建構(gòu)電子束焊接虛擬試驗平臺，對焊接工藝方案進行虛擬優(yōu)化，是整體葉盤設(shè)計和加工技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié);

(3)選擇正確的電子束焊接熱源模型，使計算結(jié)果近于準(zhǔn)確，截止目前為止，已有多種熱源計算模型被提出，至于哪種模型模擬最為接近整體葉盤電子束焊接工藝的實際情況，還有待于根據(jù)實際工況條件和實驗來驗證.

航空航天工業(yè)的發(fā)展標(biāo)志著一個國家科技發(fā)展的水平，近幾年來，我國雖然取得了較大進步，但在高推重比發(fā)動機研究的關(guān)鍵技術(shù)上還未完全解決，要縮小與發(fā)達國家的差距，獲得推重比15以上的航空發(fā)動機，航天工作者還要突破很多技術(shù)方面的問題，希望通過科研工作者的努力，繼中推重比有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“昆侖”航空發(fā)動機后，通過技術(shù)上的革新，能夠使我國早日實現(xiàn)具有高推重比的國產(chǎn)航空發(fā)動機.

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