國內首臺160公斤推力級增材制造渦噴發動機完成壓氣機性能考核試驗
1月5日消息，據“中國航發”官微發文，中國航發自主研制的160公斤推力級增材制造渦噴發動機在株洲完成壓氣機性能考核試驗。 這款發動機通過結構優化設計，成功實現了發動機重量的顯著降低。這一成果有效驗證了多學科拓撲優化設計方法在航空發動機領域的應用前景，為科研理論向工程應用的轉化提供了強大支持。中國航發在渦噴發動機的設計與工藝開發方面積累了多年的經驗，以下援引航空動力上發表的《基于增材制造的微型渦噴發動機輕量化設計及試驗》，以領略其中的創新精神與實力。
項目總體思路和方案
本項目的預期目標是：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：發動機集成化設計階段、發動機輕量化設計階段，以及為提升發動機性能的創新型冷卻構型設計研究，如圖1所示。
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。如果采用增材制造技術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，甚至可能放大增材制造技術的局限性。為此，創新團隊須結合增材制造技術的特點及局限性，打破傳統工藝下發動機設計思維定式，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，減少發動機零件個數，降低發動機裝配難度，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。集成化設計研究思路如圖2所示。
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。輕量化設計研究方案如圖3所示。
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（如圖4所示）。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。
項目實施情況
集成化設計方案
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%。發動機集成化前后結構對比示意圖如圖5所示。
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，優化后零件結構如圖6所示，最終實現整機減輕質量17.3%。，詳細情況見表1
整機試驗
現階段，創新團隊已完成所有零部件的增材制造制備（如圖7所示），串裝增材制造靜子件和傳統工藝轉子件的發動機已完成兩次點火試驗，發動機性能達標，狀態穩定。
為驗證串裝增材制造發動機的場外工作能力，創新團隊將串裝增材制造發動機裝在航模飛機上，并對航模飛機進行改裝，開發專門的數據傳輸系統，進行了飛行試驗（如圖8所示）。
創新點
本項目創新點主要體現在產品結構創新和生產工藝創新上，具體創新點如下。一是建立了基于增材制造技術的發動機零件集成化設計技術。通過該集成化技術，研制了一型基于增材制造技術的高度集成化的小型渦噴發動機，零件集成率高達81%，降低發動機裝配難度，提高發動機的可靠性和維修性。
二是建立了面向增材制造和拓撲優化技術的零件輕量化設計技術。通過本項目發展的輕量化設計技術，使創新結構空心離心葉輪、空心渦輪軸及空心渦輪盤等優化設計有了重大突破，并采用增材制造工藝實現了空心轉子件的加工制備。
三是創新性地提出了一種基于增材制造工藝的氣冷葉輪盤構型。通過本項目發展的氣冷葉輪盤新構型是通過輪盤腔內引入冷氣來冷卻葉輪盤，初步估算可有效降低輪盤溫度，從而提升發動機性能。
結束語
創新團隊以微型渦噴航空發動機為技術驗證平臺，探索增材制造技術在航空發動機設計和制造領域的應用研究，開展了基于增材制造技術的發動機結構集成化、輕量化及創新型冷卻構型設計技術研究，實現了航空發動機集成化、輕量化及高可靠性設計，并初步完成串裝增材制造發動機的整機試驗驗證。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。
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