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航空发动机零部件之叶片产品分类及国内外厂商竞争格局分析

发布时间:2019-10-08  来源:立鼎产业研究网  点击量: 29 

叶片是航空发动机关键零件,它的制造量占整机制造量的三分之一左右,是发动机中数量最大的一类零件。航空发动机叶片属于薄壁易变形零件,如何控制其变形并高效、高质量地加工是目前叶片制造行业研究的重要课题之一。

航空发动机叶片按部件分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片。按运动方式又分为动叶和静叶。风扇和压气机的静叶称作整流器叶片,而涡轮的静叶称作导向器叶片,涡轮盘上的动叶就是工作叶片。金属材料叶片按工艺类别分,压气机叶片主要采用精密锻造工艺,涡轮叶片主要采用精密铸造工艺(高压级单晶、低压级定向晶)。

GE公司 F110发动机结构


资料来源:公开资料

航空发动机叶片分类


资料来源:公开资料整理

——民用涡扇发动机风扇叶片

随着民用涡扇发动机风扇叶片涵道比增加直径逐渐增大,风扇叶片减重成为了发展重点。为了降低风扇噪声,民用涡扇发动机风扇一般为单级低压比设计,出口温度低,适合用于低温环境的低密度高比强度的树脂基复合材料实心叶片正在替代钛合金空心叶片成为主流。

经过数十年技术积累的 GE Snecma 公司,已经基本完成了在复材风扇方面的专利布局。英国罗-罗公司目前正将目光从其涡扇发动机上长期应用的钛合金空心风扇叶片移开,转而研制碳纤维增强复合材料风扇叶片。该公司与吉凯恩集团(GKN)一起碳纤维风扇叶片试验件,有望在 2020 年前应用于TRENT-XWB 之后的下一型新发动机。我国对 3D 编织结构/RTM工艺成型的大量研究始于 20 世纪 90 年代初,在航空发动机叶片上的应用更是最近几年才开始。

——军用涡扇发动机风扇叶片和压气机低压级叶片

军用小涵道比涡扇发动机为了在迎风面积限制条件下提高外涵流量,一般采用多级高压比设计,叶片直径和工作环境与压气机前几级基本相当,材料与工艺的选用基本相同,主要选用钛合金空心叶片,目前钛基复材空心叶片正在研发中。

空心叶片主要采用超塑性成型/扩散连接技术(SPF/DB)。超塑性成型/扩散连接技术是金属毛坯在一次加热过程中同时完成扩散连接和超塑性成形的组合方法。超塑性通常是指材料在拉伸条件下表现出异常高的延伸率也不产生缩颈与断裂的现象;(www.leadingir.com)扩散连接是指在一定的温度和压力下,经过一定时间,连接界面原子间相互扩散,实现的可靠连接。

钛合金空心叶片超塑性成型/扩散连接技术(SPF/DB)由 R&R 公司首先研发成功,应用于RB211 发动机上,随后 PW 公司也开发了此项技术。PW 公司目前正在研制连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料风扇叶片。我国扩散连接技术还仅仅局限在实验室基础研究和小批量生产之间,目前涡扇-15 发动机采用实心钛合金风扇叶片。

——压气机高压级叶片

压气机高压级叶片直径逐渐减小,主要采用实心叶片。随着压气机级数增多,压气机叶片工作温度逐渐提高,材料选用由钛合金变为变形高温合金。另外,在高压压气机末级,新型轻质耐高温 Ti-Al 合金将逐渐取代变形高温合金。

高压压气机叶片生产多采用精锻制坯,磨削技术精密加工成型。精锻叶片可以更完整地保持金属流线的连续,精锻叶片余量小、强度高、加工周期短、寿命长。

目前在航空发动机预叶片锻件领域,英国、美国、德国和日本走在世界前列,技术实力雄厚,依托高端的生产设备及先进的加工工艺,能够生产出大尺寸、高精度、高性能的产品,占据着高端市场。国内企业目前技术主要生产厂商是航发动力、无锡透平叶片有限公司和无锡航亚科技股份有限公司。

国内航空发动机叶片锻造企业


资料来源:公开资料整理

——涡轮叶片

在航空发动机中,涡轮叶片由于处于温度最高、(立鼎产业研究中心)应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件,并被誉为“王冠上的明珠”。涡轮叶片的性能水平,特别是承温能力,成为一种型号发动机先进程度的重要标志,在一定意义上,也是一个国家航空工业水平的显著标志。

涡轮低压级叶片工作温度相对涡轮高压级叶片温度较低,主要采用定向结晶铸造镍基高温合金。新型轻质耐高温 Ti-Al 和陶瓷基复合材料也已经在部分机型上成功应用。

推比 10 一级的涡轮高压级叶片工作温度达到 1700℃,主要采用耐温 1150℃的第三代镍基单晶铸造高温合金,空心气膜冷却结构和陶瓷涂层的使用提高了涡轮叶片基体材料的耐温水平。美国 IHPTET 计划开发的高温度基体材料-镍铝基单晶铸造高温合金也处于工程应用阶段。单晶高温合金已经发展到了第五代,当前主要应用为第三代。

目前单晶叶片的研制,美国、法国、英国和俄罗斯走在世界前列,美国的 Howmet 公司、GE 公司、PCC 公司以及 Allison 公司,英国 RR 公司,法国的 SNECMA 公司,俄罗斯的SALUT 发动机制造厂等厂商均大量生产单晶零件。国内企业目前主要单晶叶片生产商是航发动力下属贵阳航发精密铸造有限公司。另外,民营企业也在进入叶片铸造市场,主要包括万泽股份、炼石航空、应流股份和江苏永瀚。

国内航空发动机叶片铸造生产企业


资料来源:公开资料整理

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