涡轮叶片材料共享纸

1前言

70年代初为空中优势战斗机F-l 5研制高性能发动机，90年代为下一代先进战斗机ATF(20世纪使用)即F-22研制推重比10的发动机，历时20多年。在此期间，研究观点(指导思想)发生了两次重大转变，即从单纯追求性能到可靠性、维修性和性能并重，再到实施“同步工程”(或称“并行工程”、“集成制造与开发”工程)。这两大转变和三大指导思想是吸取发动机研制和现场使用中积累的经验总结出来的。以美国普惠公司为例。从第一台推重比8.0的F100-PW-100(-200)发动机的研制，到高可靠性的衍生改型F100-PW-220，再到F-22新一代推重比65438的研制。

2早期F100发动机

60年代末70年代初，美国普惠公司研制了新一代高性能发动机，即F-F100发动机，为未来25年的空中优势战斗机F-1 5做准备。为了满足飞机的要求，发动机的推重比需要达到8.0。因此，普惠将重点提高发动机性能，即推重比，这是F00研制的指导思想。在F100的研发中，在不影响性能的情况下，尽可能控制发动机重量，最终达到了目标，使F100成为第一台推重比达到8.0的发动机。当F100的1和F-100的生产型F100-PW-100投入批量生产并装备美国空军后，与当时的其他发动机相比，性能有了明显的提高，尤其是在跨音速/超音速条件下。事实上，今天现役的战斗机发动机推重比仍然与30年前的F100相同或略高。

F-1 5战斗机使用的F-100-PW-100(带两台发动机)起飞推力为106.13 kN，F-1 5为1974 1655。与-100推力相同的-200用于F-1 6战斗机(配1)，F-16在1978年底装备美国空军。

F100的性能确实不错，但是可靠性和耐用性跟不上性能的提升。F 15战斗机装备部队后，在使用中暴露出许多影响发动机可靠性的严重问题。例如，压缩机失速、大量涡轮叶片过热、烧伤等。，使得大量的F-15战斗机无法起飞，这也成为了困扰美国空军最棘手的问题之一，使得美国空军不得不让(ge公司将F-101的核心发动机用于B-l轰炸机，研制出F-1 5，F .即F110，形成了两家发动机公司提供不同型号

F100-PW-100/200可靠性低的原因有很多。例如，在使用中，由于飞机需要来回推拉燃油阀杆，发动机的温度和速度变化很快，导致发动机主要部件出现多次应力循环。当时，军用发动机型式试验只包括几个周期的耐久试车。因为在70年代初，标准试车是150h，而这次试车的目的是考核发动机在最长稳态时间内高温下的工作能力，而不是考核多循环等情况下的工作能力。，所以试车后发动机还是有很多故障。当然，主要原因是在研制中单纯追求高性能，忽略了可靠性、维修性和耐久性的问题，发动机的设计没有兼顾可靠性、维修性、成本、生产率和性能。

3 F100-PW-220发动机，用于提高可靠性

普惠公司从F100-PW-100的研制和使用过程中遇到的问题中学到了一条非常重要的经验。

即忽视可靠性和维修性，单纯追求性能来发展先进发动机是行不通的。为了使F100发动机以高可靠性和高性能满足空军的需求，普惠公司开始对F100发动机进行改进，以提高发动机的可靠性。

从1975到1980，普惠公司和美国空军在提高F100的可靠性方面做了一些小的改进，但效果并不显著。直到1981年才利用先进技术对F1O0进行重大改进，提高可靠性、耐久性和安全性。这些改进包括:重新设计的“延寿核心机”(ILC)，由单晶材料制成的涡轮叶片，第一个用于战斗机发动机的全功能数字电子调节器(FADEc)，以及由齿轮泵制成的燃油泵。这种改进命名为F100-PW-220，其推力为100，即起飞推力为106.13 kN，但重量增加了约61KG，即牺牲推重比以获得高可靠性。

为了评估-220模型的耐久性和可靠性，进行了三项额外的测试，即4000 TAC循环的加速任务测试(AMT)、高Ma下的耐久性测试和高循环疲劳测试。3.1.4000 TAc循环加速任务测试(AMT)AMT测试以前从未进行过。根据飞机的飞行任务剖面图，总结出发动机的任务剖面图，如图1。然后根据油门杆的位置变化进行加速模拟试验，即每1个试验周期模拟飞机在战斗中的油门变化，但时间大大缩短。这种试验用于模拟发动机在野外使用时的温度和转速的变化，以及由此产生的离心载荷和温度载荷的变化，以评估发动机的低周疲劳寿命和发动机在这种多变工况下的可靠性。

作为战斗机尤其是高性能战斗机的发动机，起降一次不能算作1个循环。因为在飞机作战中，往往需要反复将油门杆从最低位置推到最高位置，反之亦然。这样，在飞机的起飞和降落过程中，零件上应力的变化就不是简单的从零到最大再到零的过程了。所以采用TAc循环(TAc为总积累循环，也称战术空军循环，TAc=总起飞循环的几十个L/4全油门过渡次数，一般采用L发动机飞行小时(EFH)=2TAc循环)来计算它们的低循环数。

目前作为战斗机的发动机，需要完成4000次TAc循环试验。在F100-PW-220的研制试验中，美国空军根据现场使用情况要求进行4000TAc循环的AMT试验。1个TAc循环的AMT大约需要15分钟，4000个TAc循环的AMT需要1000小时。如果每架飞机使用250 h交流循环，即500TAC循环，那么4 000TAC循环AMT相当于8年的野战使用。其实在F100-PW-220前后，进行了两次4000TAC循环的AMT。在4000个TAC循环的1测试中，在90天内测试了953 h，包括84849次全油门过渡，8254次加力点火和3455654次加速。测试后核心发动机完好，所以进行第二次TAC循环测试4000次，第二次TAC循环测试8191次，1826 h，其中整个油门过渡172847次。加力点火19308次，发动机加速。在两次试验中，核心发动机引起的更换率、空停率、推力损失率均为零，说明发动机达到了提高可靠性的目的。据说这是战斗机发动机中两次通过4000次TAC循环测试的1发动机。

通过这三项测试，表明-220在可靠性和耐久性上比-100有了很大的提高，并且不需要在外场调整发动机调节系统(因为其FADEC具有自调特性)，还取消了一些移动油门杆的限制，可以满足空军的需要。-220于1985年底正式投产。由于-220型号在使用中具有良好的可靠性，美国空军要求普惠公司用-220型号的改进措施在野战使用的100型号上改装。这种改进型发动机被命名为F100-PW-220E。

4.集成制造和开发，并行工程和并行工程。

F100发动机由-100改进为-220，可靠性大大提高。这种牺牲性能来提高可靠性的措施受到了空军的称赞。这是航空发动机发展观点的第一次转变，即从单纯追求性能到可靠性、维修性和性能并重，即所研制的发动机在可靠性和性能方面是平衡设计的。

但在研制-220型号时并不完美，虽然在可靠性、维修性、耐久性和性能上取得了平衡，成为了一种平衡的设计。但由于采用了一些先进的技术，在正式的生产改造中遇到了麻烦，即在生产的1年(1986)，在组织生产中出现了很多重大问题，结果在生产工作开展之前就花了很大力气去攻克，不仅耽误了投入使用的时间，还增加了额外的成本。这是普惠公司在研制Model -220中吸取的一个重要教训，即设计者参与一种新型发动机的研制是不够的，尤其是在采用了许多先进技术的情况下。根据Model-220的教训，普惠公司在1987中对发动机研制的理念(指导思想)进行了重大变革，建立了“设计到加工”多功能组的理念，使得发动机的设计过程也就是在设计之初就对各方面进行了全面的考虑，使在此基础上通过验证的先进发动机能够迅速转入黄牛生产并投入使用。在普惠公司新思想的基础上，美国空军在1990中采用了更广泛的多功能团队概念，包括了从方案论证到现场保障的整个发动机生命周期所涉及的各类人员。

这种由几十到几百个多功能小组参与发动机开发全过程的系统过程，被称为IntergraTCD产品开发(IPD)项目，其最终目标是使用户得到一个各方面平衡的产品。据普惠公司称，该公司已将IPD概念应用于各种军用和民用发动机的开发。

无独有偶，与此同时，其他大公司也在指导思想上做出了类似的改变，采用了与IPD相似的理念。比如GE公司推出并行工程(GE)，罗罗公司推出并行工程(SE)。三家公司名称不同，但内容基本相同。以并行工程为例，它是由国防高级研究计划局(DARPA)和通用电气公司航空发动机部的研究与发展中心(GE- CRD)进行的。他们认为并行工程是一种革命性的工程开发方法，它同时考虑研究、开发、设计、制造和使用的问题，以在较短的时间内了解采用高新技术和先进材料、工艺时对零部件最终结果的影响，从而快速获得最优设计，将从方案设计到形成可用产品的周期由1/3缩短到1/。当然，这项概念更新的研究

工作也是一个耗资巨大的项目，仅1988 ~ 1992的前期研究就投入了9300万美元。DARPA在西吉利亚大学设立了并行工程研究中心(CERC)，由GE公司航空发动机系、卡耐基、梅隆大学、雷塞卢斯理工学院组成的联合研究团队进行了合作研究。除上述单位外，还有近20家单位参与了本次研发工作。IPD或CE和SE不仅用于先进军用发动机的开发，还用于新型民用发动机的开发。比如三大发动机公司分别为波音777双发客机开发的PW4084(普惠)、GE90(通用电气)、Trent 800。在发动机方面，IPD等项目已经采用。为了让波音777在服役初期获得FAA的180 mine tops的认可(现在的标准是获得120minETOPS的认可。片的发动机必须具备:累计工作时间不低于25万小时，空停率小于0.04次/1000h；180minEPOPS的条件如下:120minETOPS有1年经验，空停率低于0.02次//1 000 h)，三家公司分别采用了、ce、SE提高发动机的可靠性，达到空停率为o的目标，另外罗？罗还利用SE开发了遄达800 wind，被称为第二代宽弦夹层结构。

风扇叶片和燃烧室的研制称为第五阶段，普惠公司为PW4084研制的空心钛合金宽弦风扇叶片也采用了IPI)，这使得研制工作在不到2.5年的时间内完成，如果按照传统方法进行，则需要5 0年。当时，有70多个多功能小组参与了该刀片的开发。GE公司利用CE开发了一种空心钛合金叶片，其开发周期比常规工艺缩短了60%。

5.F100-PW-229发动机

为了进一步提高F-1 5和F-16战斗机的性能，美国空军提出了“发动机性能改进计划”IPE。为此，普惠公司对Fl00发动机进行了重大改进，引用了许多民用发动机PW-4000使用的先进技术和其他验证机验证的技术，并衍生开发了F16。-229型具有-100型的外廊尺寸，保持了-220型的高水平耐久性和可靠性，但起飞推力大幅增加，达到129 kN，比-220型大22%左右，加速性能也有明显提高。表1列出了两种发动机在各种工况下的性能对比，图3是-229和-100和-220的加速对比。

在-229型号的设计中，采用了加大流量的风扇、第二代电子调节器、大流量高性能的压缩机、面向“用户的朋友”(维修)的外部管路设计，改进后的部件全部在部分技术验证计划中得到验证。例如，风扇是作为美国空军发动机模型衍生计划(EMDP)的一部分进行设计和测试的，它已经通过了4000次TAC循环的耐久性测试，并在美国国家航空航天局F-1 5上进行了测试。加力燃烧室也是这个项目的产物。燃烧室和涡轮叶片技术已经在“先进涡轮发动机燃气发生器”的ATECG计划和“联合技术验证发动机”的JTDE计划中进行了测试。

在研制-229型号时，普惠吸取了-220型号的经验教训，在设计中采用了“设计到制造”的团队，在设计研制之初就吸收了制造工程师的参与，所以在1989转产时没有遇到太多问题。与普惠公司之前的任何发动机相比，它向生产的过渡都是最平稳的。

-229型号投产后，IPE92在F 1991年的改进和衍生工作中进行了试验，其推力达到了142.5 kn . 6 F119-PW-100发动机6.1新一代发动机F 119的发展道路仍然是比如IPE94在1992测试，推力达到65438+。

6.结论和一些看法。

从F100发动机的开发过程中，可以得出以下结论:

(1)广泛采用成熟的高新技术，综合考虑各种因素，达到平衡是发动机发展的趋势。

(2)重视以往在设计、使用和维护方面的经验，并不断总结、归纳、运用到新研制的发动机上，改进现有的发动机，也是提高发动机性能和可靠性的重要措施。

(3)航空发动机研制理念(即指导思想)在四分之一多世纪里经历了三观和两大转变的过程，即从单纯追求性能到可靠性、维修性和性能并重，再到实施一体化制造和研制工程(或并行同步工程)。同时也特别注重野外使用和维护的体验，在设计中就考虑到了。

(4)重视高新技术在发动机上应用的开发研究，特别是高新技术的验证，作为今后开发新机和改进老机的技术储备。

⑤.重视国外发动机发展观点两次转变的经验教训，全面、多方面考虑发动机的发展，而不是走“重(能量)轻结构”(结构和强度)或“昏”只重性能而轻结构强度的发展道路。

⑥目前国外三大航空发动机可以进行一体化制造开发工程或并行同步工程，已经显示出其在新型军用和民用发动机研制中的重要作用，不仅使新型发动机具有更高的可靠性、维修性和性能，而且大大缩短了研制周期，大大降低了全寿命周期费用。因此，我们不应该忽视这一新生事物。在经费有限的条件下，也要采取必要的措施开展这方面的研究工作，从而改变我们的研究方法，从根本上推动我国航空发动机的发展。