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[摘 要]本文针对航空发动机结构设计展开分析，思考了航空发动机结构设计的具体的要求和具体的思路，并针对航空发动机结构设计的重点工作进行了分析和总结，供今后参考。
[关键词]航空发动机，结构设计
中图分类号：V235.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0273-01
前言
随着我国航空事业的发展和进步，航空发动机结构设计也越来越重要，我们必须要提高航空发动机结构设计的质量，才能够更好的提升航空发动机的使用效果。
1、航空发动机发展概述
由于航空发动机的高技术、高投入、长周期、高风险等特点，行业进入门槛很高，全球范围内航空发动机经过多年的发展，已呈现出典型、明显的寡头垄断格局。世界航空发动机发展上百年来，经历了诸多技术突破和行业变革，从军事到民用，航空发动机的发展取得了长足进步，活塞、涡轮、冲压等发动机相继问世，其中燃气涡轮发动机成为当前应用最广泛的航空发动机。目前，世界主要国家的航空发动机的发展已相当成熟，其发展现状、趋势及发展经验，对我国航空发动机的发展具有重要的参考和借鉴意义。
2、先进航空发动机关键设计制造技术发展现状与趋势
2.1 轻量化、整体化新型冷却结构件设计制造技术
2.1.1 整体叶盘设计制造技术
整体叶盘是新一代航空发动机实现结构创新与技术跨越的关键部件，通过将传统结构的叶片和轮盘设计成整体结构，省去传统连接方式采用的榫头、榫槽和锁紧装置，结构重量减轻、零件数减少，避免了榫头的气流损失，使发动机整体结构大为简化，推重比和可靠性明显提高。在第四代战斗机的动力装置推重比10发动机F119和EJ200上，风扇、压气机和涡轮采用整体叶盘结构，使发动机重量减轻20%～30%，效率提高5%～10%，零件数量减少50%以上。目前，整体叶盘的制造方法主要有：电子束焊接法；扩散连接法；线性摩擦焊接法；五坐标数控铣削加工或电解加工法；锻接法；热等静压法等。
在未来推重比15～20的高性能发动机上，如欧洲未来推重比15～20的发动机和美国的IHPTET计划中的推重比20的发动机，将采用效果更好的SiC陶瓷基复合材料或抗氧化的C/C复合材料制造整体涡轮叶盘。
2.1.2 整体叶环（无盘转子）设计制造技术
如果将整体叶盘中的轮盘部分去掉，就成为整体叶环，零件的重量将进一步降低。在推重比15～20高性能发动机上的压气机拟采用整体叶环，由于采用密度较小的复合材料制造，叶片减轻，可以直接固定在承力环上，从而取消了轮盘，使结构质量减轻70%。目前正在研制的整体叶环是用连续单根碳化硅长纤维增强的钛基复合材料制造的。推重比15～20高性能发动机，如美国XTX16/1A变循环发动机的核心机第3、4级压气机为整体叶环转子结构。该整体叶环转子及其间的隔环采用TiMC金属基复合材料制造。英、法、德研制了TiMMC叶环，用于改进EJ200的3级风扇、高压压气机和涡轮。
2.2 新材料构件设计制造技术
推重比15～20一级的航空发动机要求材料具有耐高温、高强度、高韧性等特性。高性能发动机已经采用很多种类的新材料和新材料构件，尤其是金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料是当前高温复合材料领域开发和应用研究的热点。与其同时进行的高温复合材料构件制造技术正在深入地发展。
2.2.1 金属基复合材料构件设计制造技术
SiC长纤维增强Ti基复合材料（TiMMC）具有比强度高、比刚度高、使用温度高及疲劳和蠕变性能好的优点。例如德国研制的SCS-6SiC/IMI834复合材料的抗拉强度高达2200MPa，刚度达220GPa，而且具有极为优异的热稳定性，在700℃溫度暴露2000h后，力学性能不降低。TiMMC叶环代替压气机盘，可使压气机的结构质量减轻70%。美国制备的TiMMC叶环已在P&W的XTC-65IHPTET验证机上成功地进行了验证，能够满足性能要求。英、法、德也研制了TiMMC叶环，并成功地进行了台架试验。未来发动机的低压压气机叶片和静子叶片、整体叶环、机匣及涡轮轴将采用金属基复合材料制造。TiMMC关键制造技术有、纤维涂层法、等离子喷涂法、浆料带铸造法、箔-纤维法。
2.2.2 陶瓷基复合材料构件制造技术
推重比15～20高性能航空发动机的涡轮前温度将达到2200K以上，连续纤维增韧陶瓷基复合材料（CMC）耐温高，密度低，具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不发生灾难性的损毁，可代替高温合金作为热端部件结构材料。CMC的应用使发动机大幅度减重，节约冷却气或无需冷却，从而确保发动机高推重比的有关性能。美、英、法等发达国家以推重比9～10发动机（如F119、EJ200、F414等）作为CMC的验证平台，主要验证的部件有SiC基CMC的燃烧室、涡轮外环、火焰稳定器、矢量喷管调节片和密封片，甚至整体燃烧室和整体涡轮等构件。
3、航空发动机压气机设计新技术及发展趋势
在航空发动机发展过程中，对高推重比（尤其是军机）和高性能追求，使得研究人员在满足发动机可靠性的前提下，对发动机各部件的性能、结构紧凑性和重量提出了更高的要求，对压气机来说，轻质、高性能成为设计人员持续不断追求的目标，也使得压气机设计的新方法、新结构、新材料不断涌现。
3.1 先进的计算流体力学（CFD）技术
从上世纪90年代至今，对现代航空发动机压气机设计影响最大的一项技术首推先进的计算流体力学（CFD）技术。90年代以前，航空发动机压气机设计的基础为准三维设计，90年代后世界各发动机公司和研究机构则逐渐将CFD技术融于设计体系。发展过程中，技术推动使全三维CFD技术逐渐地由定常流向非定常流模式转变，由正问题分析向反问题设计转变，从以提高压气机性能为主，发展到预报叶片颤振稳定性和叶片强迫响应高周疲劳问题的解决，全面融入压气机设计并日益影响着压气机研发的全过程。得益于全三维CFD技术的发展，压气机设计领域发展的弯掠叶片、大小叶片等多种先进设计技术和气动布局，才有了一个有力的校核分析工具，也使得对其流动机理有了深入的理解。
目前，在采用常规技术的压气机设计中，准三维设计体系仍然是设计的核心，全三维CFD技术作为设计的一个重要基础或者校核工具；对于未来高负荷的风扇压气机设计，原有的准三维设计形成的经验和准则或许存在适用性问题，同时，随着对全三维CFD技术认识的加深和设计软件的进一步校核完善，其对压气机设计工作指导作用日益凸显，可缩短研制周期，降低研制成本和风险。
3.2 先进的压气机气动设计技术
宽弦叶片设计技术是近年来发展最为常见使用的风扇、压气机叶片设计技术，当然，大部分设计同时也融入了掠弯等压气机叶片设计的先进要素。不可否认的是，风扇、压气机叶片从之前的窄弦叶片发展到宽弦叶片，代表了高负荷压气机技术发展的方向。宽弦叶片的优势：有效增加压气机的级负荷，减少压气机的级数和零件数，使得压气机结构更为紧凑；提高气动稳定性，增强抗外物打伤的能力及改善振动和抗疲劳特性，提高了压气机结构可靠性和寿命。鉴于宽弦叶片的优势，西方在第三代改进型及第四代军用发动机上均采用了宽弦叶片。
4、结束语
综上所述，在航空发动机结构设计的过程中，一定要把握好设计的思路和设计的要求，本文总结了航空发动机结构设计的具体的做法和要求，可供今后参考和借鉴。
参考文献
[1] 曹源，金先龙，孟光.航空发动机系统级仿真研究的回顾与展望[J].航空动力学报，2016（04）：562-571.
[关键词]航空发动机，结构设计
中图分类号：V235.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0273-01
前言
随着我国航空事业的发展和进步，航空发动机结构设计也越来越重要，我们必须要提高航空发动机结构设计的质量，才能够更好的提升航空发动机的使用效果。
1、航空发动机发展概述
由于航空发动机的高技术、高投入、长周期、高风险等特点，行业进入门槛很高，全球范围内航空发动机经过多年的发展，已呈现出典型、明显的寡头垄断格局。世界航空发动机发展上百年来，经历了诸多技术突破和行业变革，从军事到民用，航空发动机的发展取得了长足进步，活塞、涡轮、冲压等发动机相继问世，其中燃气涡轮发动机成为当前应用最广泛的航空发动机。目前，世界主要国家的航空发动机的发展已相当成熟，其发展现状、趋势及发展经验，对我国航空发动机的发展具有重要的参考和借鉴意义。
2、先进航空发动机关键设计制造技术发展现状与趋势
2.1 轻量化、整体化新型冷却结构件设计制造技术
2.1.1 整体叶盘设计制造技术
整体叶盘是新一代航空发动机实现结构创新与技术跨越的关键部件，通过将传统结构的叶片和轮盘设计成整体结构，省去传统连接方式采用的榫头、榫槽和锁紧装置，结构重量减轻、零件数减少，避免了榫头的气流损失，使发动机整体结构大为简化，推重比和可靠性明显提高。在第四代战斗机的动力装置推重比10发动机F119和EJ200上，风扇、压气机和涡轮采用整体叶盘结构，使发动机重量减轻20%～30%，效率提高5%～10%，零件数量减少50%以上。目前，整体叶盘的制造方法主要有：电子束焊接法；扩散连接法；线性摩擦焊接法；五坐标数控铣削加工或电解加工法；锻接法；热等静压法等。
在未来推重比15～20的高性能发动机上，如欧洲未来推重比15～20的发动机和美国的IHPTET计划中的推重比20的发动机，将采用效果更好的SiC陶瓷基复合材料或抗氧化的C/C复合材料制造整体涡轮叶盘。
2.1.2 整体叶环（无盘转子）设计制造技术
如果将整体叶盘中的轮盘部分去掉，就成为整体叶环，零件的重量将进一步降低。在推重比15～20高性能发动机上的压气机拟采用整体叶环，由于采用密度较小的复合材料制造，叶片减轻，可以直接固定在承力环上，从而取消了轮盘，使结构质量减轻70%。目前正在研制的整体叶环是用连续单根碳化硅长纤维增强的钛基复合材料制造的。推重比15～20高性能发动机，如美国XTX16/1A变循环发动机的核心机第3、4级压气机为整体叶环转子结构。该整体叶环转子及其间的隔环采用TiMC金属基复合材料制造。英、法、德研制了TiMMC叶环，用于改进EJ200的3级风扇、高压压气机和涡轮。
2.2 新材料构件设计制造技术
推重比15～20一级的航空发动机要求材料具有耐高温、高强度、高韧性等特性。高性能发动机已经采用很多种类的新材料和新材料构件，尤其是金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料是当前高温复合材料领域开发和应用研究的热点。与其同时进行的高温复合材料构件制造技术正在深入地发展。
2.2.1 金属基复合材料构件设计制造技术
SiC长纤维增强Ti基复合材料（TiMMC）具有比强度高、比刚度高、使用温度高及疲劳和蠕变性能好的优点。例如德国研制的SCS-6SiC/IMI834复合材料的抗拉强度高达2200MPa，刚度达220GPa，而且具有极为优异的热稳定性，在700℃溫度暴露2000h后，力学性能不降低。TiMMC叶环代替压气机盘，可使压气机的结构质量减轻70%。美国制备的TiMMC叶环已在P&W的XTC-65IHPTET验证机上成功地进行了验证，能够满足性能要求。英、法、德也研制了TiMMC叶环，并成功地进行了台架试验。未来发动机的低压压气机叶片和静子叶片、整体叶环、机匣及涡轮轴将采用金属基复合材料制造。TiMMC关键制造技术有、纤维涂层法、等离子喷涂法、浆料带铸造法、箔-纤维法。
2.2.2 陶瓷基复合材料构件制造技术
推重比15～20高性能航空发动机的涡轮前温度将达到2200K以上，连续纤维增韧陶瓷基复合材料（CMC）耐温高，密度低，具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不发生灾难性的损毁，可代替高温合金作为热端部件结构材料。CMC的应用使发动机大幅度减重，节约冷却气或无需冷却，从而确保发动机高推重比的有关性能。美、英、法等发达国家以推重比9～10发动机（如F119、EJ200、F414等）作为CMC的验证平台，主要验证的部件有SiC基CMC的燃烧室、涡轮外环、火焰稳定器、矢量喷管调节片和密封片，甚至整体燃烧室和整体涡轮等构件。
3、航空发动机压气机设计新技术及发展趋势
在航空发动机发展过程中，对高推重比（尤其是军机）和高性能追求，使得研究人员在满足发动机可靠性的前提下，对发动机各部件的性能、结构紧凑性和重量提出了更高的要求，对压气机来说，轻质、高性能成为设计人员持续不断追求的目标，也使得压气机设计的新方法、新结构、新材料不断涌现。
3.1 先进的计算流体力学（CFD）技术
从上世纪90年代至今，对现代航空发动机压气机设计影响最大的一项技术首推先进的计算流体力学（CFD）技术。90年代以前，航空发动机压气机设计的基础为准三维设计，90年代后世界各发动机公司和研究机构则逐渐将CFD技术融于设计体系。发展过程中，技术推动使全三维CFD技术逐渐地由定常流向非定常流模式转变，由正问题分析向反问题设计转变，从以提高压气机性能为主，发展到预报叶片颤振稳定性和叶片强迫响应高周疲劳问题的解决，全面融入压气机设计并日益影响着压气机研发的全过程。得益于全三维CFD技术的发展，压气机设计领域发展的弯掠叶片、大小叶片等多种先进设计技术和气动布局，才有了一个有力的校核分析工具，也使得对其流动机理有了深入的理解。
目前，在采用常规技术的压气机设计中，准三维设计体系仍然是设计的核心，全三维CFD技术作为设计的一个重要基础或者校核工具；对于未来高负荷的风扇压气机设计，原有的准三维设计形成的经验和准则或许存在适用性问题，同时，随着对全三维CFD技术认识的加深和设计软件的进一步校核完善，其对压气机设计工作指导作用日益凸显，可缩短研制周期，降低研制成本和风险。
3.2 先进的压气机气动设计技术
宽弦叶片设计技术是近年来发展最为常见使用的风扇、压气机叶片设计技术，当然，大部分设计同时也融入了掠弯等压气机叶片设计的先进要素。不可否认的是，风扇、压气机叶片从之前的窄弦叶片发展到宽弦叶片，代表了高负荷压气机技术发展的方向。宽弦叶片的优势：有效增加压气机的级负荷，减少压气机的级数和零件数，使得压气机结构更为紧凑；提高气动稳定性，增强抗外物打伤的能力及改善振动和抗疲劳特性，提高了压气机结构可靠性和寿命。鉴于宽弦叶片的优势，西方在第三代改进型及第四代军用发动机上均采用了宽弦叶片。
4、结束语
综上所述，在航空发动机结构设计的过程中，一定要把握好设计的思路和设计的要求，本文总结了航空发动机结构设计的具体的做法和要求，可供今后参考和借鉴。
参考文献
[1] 曹源，金先龙，孟光.航空发动机系统级仿真研究的回顾与展望[J].航空动力学报，2016（04）：562-571.