中國航發:基于增材制造的微型渦噴發動機輕量化設計及試驗(轉)

閱讀次數:355     發布時間:2019-11-21

來源:3D打印技術參考

公眾號ID:AMReference


增材制造技術的發展為航空發動機的設計和制造帶來了諸多便利,但其在航空發動機上的應用大多局限于單個零件的加工制造,如何在整機的范疇上對增材制造技術加以利用,滿足提高性能、可靠性、集成化和輕量化的需求,無疑是未來研究的重點方向。

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微型渦噴發動機測試過程(GE2016

近日,中國航發動研所以一款微型渦噴發動機為技術驗證平臺,開展了基于3D打印的航空發動機結構集成化及輕量化設計研究,并針對3D打印的零部件及整機開展了驗證試驗工作,獲得了一款經試驗初步驗證、可靠、零件全部采用3D打印制造的微型渦噴發動機。本期,3D打印技術參考對該項目進行介紹。

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3D打印的渦噴發動機(中國航發2017


項目總體思路和方案

該項目的預期目標是與采用傳統加工工藝的發動機相比,發動機本體零件數減少50%以上,發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:發動機集成化設計、發動機輕量化設計,以及為提升發動機性能的創新型冷卻構型設計。


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3D打印發動機研究總體思路(航發動研所2019


發動機集成化設計研究

當前的微型渦噴發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3D打印直接制備傳統結構零部件,則無法充分發揮增材制造技術的優勢,甚至可能放大該技術的局限性。為此,項目團隊須結合3D打印技術的特點及局限性,打破傳統工藝下發動機設計的思維定式,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,開展發動機零件結構集成化設計研究,實現一體化打印,從而省去連接件和焊接件的使用,減少零件數量,降低裝配難度,提高發動機壽命及可靠性;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,以減輕發動機質量、提高結構可靠性為目標。

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集成化設計思路

創新團隊在詳細剖析傳統發動機零件結構、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,實現發動機本體零部件數量減少81%。


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發動機集成化設計對比圖(航發動研所2019


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微型渦噴發動機原模型結構優化及相應零件實物示例

(中國航發2017

發動機輕量化設計研究

結合發動機零部件結構功能與承載性能約束,創新團隊將面向增材制造工藝的拓撲優化技術應用至零件的輕量化設計中。利用變密度拓撲優化設計驅動材料分布,從而獲得零件高效、輕量化的創新構型。在此基礎上考慮增材制造工藝約束性,對拓撲優化構型進行重構,優化零件結構形式,實現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,實現靜子件的輕量化設計。

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輕量化設計方案

創新團隊采用面向增材制造工藝的拓撲優化技術完成了發動機主要零部件輕量化設計,包括轉子件和靜子件等,最終實現整機減輕質量17.3%。 

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集成化靜子件輕量化設計前后(航發動研所2019


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空心葉輪盤冷卻設計研究

根據拓撲優化設計后的轉子件空腔結構特點,創新團隊提出了一種新的氣冷葉輪盤結構。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,可以顯著提升發動機性能。

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新型冷卻結構設計方案

▌整機驗證

發動機的轉子件仍采用傳統工藝制造,其他零部件均采用3D打印,串裝后的發動機已完成兩次點火試驗,性能達標,狀態穩定。

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3D打印的渦噴發動機零件成品狀態

(中國航發2017

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實驗后發動機分解圖(航發動研所2019


為驗證串裝3D打印發動機的場外工作能力,創新團隊將其裝在航模飛機上,進行了飛行試驗。

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串裝發動機航模試飛(航發動研所2019


中國航發動研所團隊以微型渦噴航空發動機為技術驗證平臺,探索3D打印技術在航空發動機設計和制造領域的應用研究,從本項目獲得的集成化、輕量化設計技術對提升發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動機的研制。

項目的實施無疑能夠使技術團隊得到很好的訓練,能夠有效提高增材制造技術水平,積累更多的設計經驗,有助于提升增材制造技術在國產大涵道比渦扇發動機中的工程化應用水平。

 

本文轉自3D打印技術參考 原創:航發動研所汪文君 


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