第２０卷第２期燃气涡轮试验与研究Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．２Ｍａｙ，２００７
１
２００７年５月ＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈ
摘要：本文首先对航空发动机结构发展进行了回顾，指出今后１０～２０年内发动机结构和材料应用方面的发展趋势；
接着对推重比１０一级发动机中采用的新结构及其强度设计技术进行了详细分析，预测了推重比１２～１５一级发动机中可能出现的新结构及强度问题；最后分析了发动机结构及材料与强度设计的相互依存关系。关键词：航空发动机；结构；材料；强度设计中图分类号：Ｖ２３
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－２６２０（２００７）０２－０００１－０４
ＮｅｗＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＳｔｒｅｎｇｔｈＤｅｓｉｇｎｏｆＡｅｒｏｅｎｇｉｎｅ
ＪＩＡＮＧＨｅ－ｆｕ，ＧＵＹｕａｎ－ｘｉｎｇ，ＱＩＮＧＨｕａ
（ＣｈｉｎａＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＥｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓｅｎｇｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｈｉｓｔｏｒｙ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅ－ｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｉｎｅｎｇｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｔｅｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｔｈｅｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｓｉｇｎｅｍｐｌｏｙｅｄｂｙｅｎｇｉｎｅｓｗｉｔｈ１０：１ｔｈｒｕｓｔ／ｗｅｉｇｈｔｒａｔｉｏｈａｖｅｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｉｎｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓｏｆｅｎｇｉｎｅｓｗｉｔｈｔｈｒｕｓｔ／ｗｅｉｇｈｔｒａｔｉｏｏｆ１２￣１５：１ｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｅｄｉｃｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｅｎｇｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｅｎｇｉｎｅｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｓｉｇｎｈａｖｅｂｅｅｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍａｔｅｒｉａｌ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｓｉｇｎ
１引言
航空发动机的发展是空气动力学、传热传质、燃烧、固体力学、材料学、电子技术等多个学科共同发展的结果。航空发动机作为一种高温、高速旋转机械产品，结构强度设计对其性能和可靠性有着十分重要的影响，而结构强度设计又与材料及制造技术密切相关。本文分析了发动机结构的发展趋势及其对强度分析技术提出的研究方向，以及强度分析技术发展与材料的相互依存、相互推动关系。
右，排气污染和噪声均有大幅度降低；涡轮前燃气温度从１０００Ｋ左右提高到２０００Ｋ左右；发动机寿命从几百小时增长至上万小时。结构、材料和强度专业与其它专业一起为这些进步做出了巨大贡献，专业自身也有了巨大进步。５０多年来，航空发动机的结构、材料和强度专业的主要进步简述于表１。
任何新型材料的应用和新结构的采用，都要向强度设计技术提出新的要求，都伴随着强度设计技术新的进步。特别是增长发动机寿命、降低全寿命成本和提高推重比的需求，向强度设计技术提出了更高的要求，这些都极大地推动了强度设计技术的发展。应力分析技术及强度理论的进步也促进了结构设计的优化和材料性能的充分利用。
２航空发动机结构发展回顾及趋势
航空燃气涡轮发动机问世５０多年来已经取得了巨大的进步，军用发动机的推重比从２左右提高到１０；民用发动机的耗油率从１左右降低到０．５左
收稿日期：２００６－１２－２９
作者简介：江和甫（１９４０－），男，江苏江阴人，研究员，中国燃气涡轮研究院总设计师，从事航空发动机研究工作。
２
燃气涡轮试验与研究
表１近５０年航空发动机结构、材料和强度专业的主要进步
第２０卷
Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍａｔｅｒｉａｌ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆａｅｒｏｅｎｇｉｎｅｉｎｒｅｃｅｎｔｆｉｆｔｙｙｅａｒｓ
１９６０
超级合金；
材料工艺
镍基合金；钛合金
１９７０
低温复合材料；定向凝固合金；粉末合金；无损检测
单晶；
１９８０１９９０
金属间化合物；近净成形；先进涂层；低应力零件用陶瓷整体叶盘；刷式密封；单晶叶片；
大型整体精铸机匣；推力矢量喷管；陶瓷调节片；反转涡轮
２０００
高温复合材料；激光冲击强化；高周疲劳抑制；叶盘调谐及修理整体叶环；变循环；金属基复合材料转子；对转涡轮
热障涂层；数控加工；自动真空焊主动间隙控制；焊接整体转子；热障涂层叶片；粉末合金盘；复合材料机匣；双腔燃烧室；浮壁燃烧室
轴流压气机；燕尾型、枞树型榫联接；双转子；
发动机结构
油膜阻尼器；气冷叶片；环管燃烧室；可调静子；加力燃烧室静强度估算；断裂力学
强度设计
弹性支承；环形燃烧室；可调收扩喷管；空心风扇叶片；沙丘驻涡稳定器；可变弯度静叶；带冠叶片；周向燕尾榫
部件优化；安全寿命；热分析；振动分析；复合材料强度理论
有限元分析；应变疲劳理论；有限寿命设计；材料统一本构理论；损伤容限
多学科优化；零件概率设计
叶片强迫响应分析
今后十至二十年内，发动机结构和材料应用方面的发展趋势大致为：
整体叶环、大（１）组合件零件化，如：整体叶盘、型精铸件、大型复合材料构件。
引发了新的强度设计技术，主要有：
（１）整体叶盘。在Ｆ１１９、ＥＪ２００等发动机中，都
采用了整体叶盘的风扇、压气机转子结构。在它们的验证机和初期生产批发动机上，只是部分级采用了整体叶盘，不过在后来，风扇、压气机各级都采用了数控铣加振动整体叶盘结构，其工艺有线性摩擦焊、
光饰、数控电化学加工，但尚未见采用双性能整体机械加工叶盘的可靠报道。整体叶盘引起的强度问题主要有：
（２）大量使用轻质高强金属材料，如：ＴｉＡｌ系、
ＴｉＡｌＮｂ系等低塑性金属间化合物。
（３）各类复合材料用量逐步增加，并在转动件
上应用；陶瓷类材料开始应用于重要零件，如火焰筒、涡轮叶片。
（４）纤维增强金属基复合材料用于压气机和涡
轮转子。
微（５）特种工艺高效益工程应用，如：激光焊、动摩擦焊、激光强化、各类表面改性。
①叶身和盘体材料性能的一致化。在榫头连
接结构中，可以通过选用不同材料或同一材料不同热处理制度获得叶片和轮盘不同的材料性能，使叶片具有较高的强度及高周疲劳强度，使轮盘具有较高的蠕变及低周疲劳强度。在整体叶盘结构中，需要寻找一种可以兼顾叶身和轮盘性能的材料组织。如对于两相钛合金，采用近β锻造获得一种可称为三相的金相组织。曾研究过叶盘制造技术，但“双性能”难度很大，特别是在叶身进行修理后更难保持原有性能，因此尚未见实际应用的确切报道。
（６）加工精度和表面完整性不断提高。
异类材料的焊接整体结构。（７）不同性能材料、
总之，军用发动机对推重比的苛求，造成转子叶尖切线速度不断提高，轻型结构和轻质材料的应用范围不断扩大。上述发展趋势，对发动机零件的强度、振动、寿命分析技术提出了新的挑战，向强度设计技术开列了大量新的研究课题。
②叶身型面尺寸的一致化。由于整体叶盘的
叶身一般都用数控加工，各叶片的叶身型面一致性
３推重比１０发动机中的新结构及其强度设计
目前，作为第四代战斗机动力装置的推重比１０发动机已投入使用，其典型代表机种为美国的Ｆ１１９发动机。推重比１０发动机中采用了很多新结构，也
很好，各叶片的自振频率很接近，加上没有了榫头连接处的机械阻尼，使得叶片的振动问题更为严重，盘片耦合振动问题也更为突出。可以按某一规律设计两种或多种叶身型面来采用技术，但对“错频”“错
第２期江和甫等：航空发动机的新结构及其强度设计
３
频”技术的研究，特别是它对常见的谐振振动的减振效果的研究还很不够，离工程应用还有很大差距。②
③
局部铸造缺陷对强度和寿命的影响。与工艺协调的结构、强度优化技术。
③叶身修理技术引起的材料性能不均匀。整
在第三代发动机中，已成功（４）复合材料构件。
应用复合材料制造外涵机匣。在第四代发动机中，将进一步扩大其应用，如进气机匣、风扇机匣及整流叶片。在民用发动机中，复合材料已开始用于制造大型风扇转子叶片，但其结构的强度设计技术及修理后的强度问题还需要深入研究。
体叶盘的可修性是制约其应用的重大障碍。目前较为可行的修理方案是：局部损伤轻的打磨，稍重的打磨后激光堆焊，严重的切除叶片后用激光焊接一个新叶片。焊接部位的材料性能不可能与原基体材料性能相同，必须研究其对叶片可靠性的影响。
④焊接整体叶盘焊接区对强度寿命的影响。
（５）低塑性金属间化合物构件。在第四代发动
机中，已开始使用金属间化合物制造零件，如
由于焊接区的强度一般低于基体，焊接部位的选择及接头结构形式对叶盘强度和工艺的可实现性有重大影响。我们在这方面的研究还很不够。
Ｎｉ３Ａｌ、Ｔｉ３Ａｌ、γ－ＴｉＡｌ等。在ＩＨＰＴＥＴ计划中，已进行
了γ这些金属间－ＴｉＡｌ制压气机转子的可靠性试车。化合物的共有特点是塑性比较低，需要研究这类材料的强度设计准则。
（２）气冷单晶涡轮叶片。为了使涡轮叶片能在
１９５０Ｋ的涡轮进口燃气温度下可靠工作，必须采用
可在１３４３Ｋ下可靠工作的第二代单晶材料，并采用复杂的内冷结构和大量气膜孔（导向叶片１０００个以上，转子叶片５００个左右）。其强度设计除与热分析所提供的温度场的准确度密切相关外，其难度主要在于：
（６）陶瓷构件。纤维增强ＳｉＣ基复合材料等陶
瓷材料，由于其低密度、耐高温等特点，已有用于加力衬筒、喷管调节片等的实例。由于陶瓷复合材料具有强度可设计性，其结构设计及工艺设计与强度设计的结合更为紧密，因此需要加强分析技术、优化技术及设计准则的研究。
①复杂内腔叶片高精度强度分析。现有的有
限元分析工具原则上可以提供有效的技术手段，但对于各向异性的单晶叶片，对其换热肋、扰流柱、尾缘劈缝等局部结构的强度分析仍然难以满足寿命预测的需要，其原因之一是难以给出这些局部的材料性能数据。
（７）粉末涡轮盘及其它构件。在第四代发动机中，普遍采用第二代粉末合金（如Ｒｅｎｅ８８ＤＴ等）制造涡轮盘及挡板。在Ｆ１１９发动机中，粉末合金还用来
制造压气机后面级的轮盘。由于我国粉末盘制造工艺与西方国家有异，需要在研究强度分析技术的基础上制定与我国制造技术相应的强度设计准则。在粉末合金构件中特别需要研究下列课题：
②气膜孔附近的强度问题。为了达到有效的
冷却，必须开设大量气膜孔。在前缘附近，气膜孔密度很高，很容易发生气膜孔间材料的撕裂。需要通过强度分析与热分析的结合妥善解决。
①锻造零件的区域性能差异。我国的粉末盘
采用热等静压制坯、经预处理后锻造成形的工艺流程，锻件材料性能存在区域性差异。这就要求强度设计根据盘体各部位的实际性能实现结构优化。
③④
带隔热涂层叶片。我们已开发了带隔热涂再结晶对强度的影响。单晶材料的晶界强
层叶片的强度分析方法，但其可信程度尚待验证。化元素极少，一旦发生局部再结晶，其界面强度极低，甚至只有基体强度的十分之一左右，因此对单晶叶片的再结晶必须严格控制。但有些工艺因素，例如钎焊，可能难以完全避免再结晶，需要通过强度分析判断设计上允许存在再结晶的区域。
在第四代发动机中，为（３）大型整体精铸机匣。
减少零件数量、降低制造成本、提高可靠性，中间机匣、后机匣等都采用整体大型精铸件。为了提高生产效率，需要利用强度分析手段支持制定合理的铸件验收标准，由此引出了下列研究课题：
②夹杂的影响。在粉末合金构件中不可避免
夹杂的存在，对于锻造盘内夹杂的分布及形态特点有待摸清。要求强度设计能在考虑夹杂的情况下预测低周疲劳寿命。目前正在研究的根据夹杂概率分布预测寿命的方法还有待进一步改进、完善并形成相应的设计准则。
③损伤容限设计技术的应用。Ｒｅｎｅ８８ＤＴ和
ＦＧＨ９６都是具有较低裂纹扩展速率的第二代粉末合金，其屈服强度比较低，ＦＧＨ９６的屈服强度还不如第一代合金ＦＧＨ９５的屈服强度，必须利用其低裂
纹扩展速率的特点，采用损伤容限设计技术，才能充分利用材料，减轻结构重量；这对我们还是一个新的
①低周疲劳寿命预估。
４
燃气涡轮试验与研究第２０卷
课题。强度分析技术是其应用的桥梁。
随着强度理论的进步和强度分析技术的提高，对材料性能的需求也越来越多样，可以简要归纳为表２。
表２材料性能需求
４更高推重比发动机中的新结构及强度设计
提高推重比是发动机设计者为之不断努力追求的目标。国外已在开展推重比为１６左右的发动机设计技术的研究，美国的ＩＨＰＴＥＴ计划已取得了巨大的成功。我们也对开展推重比为１２￣１５的发动机关键技术预研提出了建议，但尚未得到全面安排。预计在推重比为１２￣１５的发动机中可能出现的新结构主要有：
Ｔａｂｌｅ２Ｍａｔｅｒｉａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ
年代
强度计算方法
所需材料数据、、、、０．２、、Ｅ、μρασσｂσｔ．θ、δ(、Ｇ、ａｋ
、、Ｓ－Ｎ曲线、λＣ、Ｅｄ、σεθ古德曼图、σＤ
热－机械疲劳ε－Ｎ曲线、
断裂性能Ｋ１ｃ、ｄａ／ｄＮ、
２０世纪６０年代前静强度估算
２０世纪６０年代安全寿命、热分析、振动分析
（１）双性能叶盘风扇和压气机转子；
（２）Ｔｉ２ＡｌＮｂ等金属间化合物制压气机及高温
部位零件；
２０世纪７０年代应变疲劳理论、有限寿命设计
（３）ＳｉＣ长纤维增强钛基复合材料叶环或叶
鼓；
２０世纪８０年代断裂力学理论、损伤容限设计
⊿Ｋｔｈ、Ｋ１ｓｃｃ缺口敏感性ｑｔ＝σｂ／ｂＨ
（４）５７３～６２３Ｋ高温树脂基复合材料机匣；（５）γ－ＴｉＡｌ或Ｔｉ２ＡｌＮｂ合金扩压器；（６）
（７）（８）（９）
第三代单晶、铸冷和层板涡轮叶片；增韧陶瓷浮壁燃烧室；碳／碳复合材料高温构件；纤维增强超合金涡轮盘；
２０世纪９０年代
可靠度设计、概率寿命设计
（或系数η）
－３σ数据、缺陷特征及
分布
从表中可以看到，随着先进强度理论的应用，要求材料研究者提供更多种类的材料性能数据。对于大型锻件，很难保证各个部位有相同的变形量和热处理条件，为了在结构设计时能更充分、有效地利用材料，减轻结构重量，还要求获得零件不同部位的材料性能数据，特别是在应力较大、决定零件可靠性及寿命的部位，需尽可能获得准确的性能数据。
任何材料都不可能十全十美，总有其长处和短处。为了研发一种优良的材料，需要材料研究人员与结构、强度设计人员充分沟通，使材料研究人员正确理解设计的需求，设计人员全面了解材料的优点和不足。结构、强度设计与材料研究相互依存，相互推动，才能研究出真正好用的材料，才能真正把材料用好，才能为航空发动机的发展奠定坚实的基础。
（１０）双性能涡轮盘或整体涡轮叶盘；（１１）陶瓷涡轮叶片及无冷却调节片；（１２）陶瓷滚动体混合轴承。
这些新结构及新型材料的应用都需要新的强度设计技术的支持。特别是ＳｉＣ长纤维增强钛基复合材料叶环或叶鼓、双性能涡轮盘或整体涡轮叶盘、金属间化合物及陶瓷材料构件等，除结构本身的变化外，还涉及材料类型的改变，需研究确定其故障模式、本构关系和设计准则。
５结构及材料与强度设计的相互依存
回顾航空燃气涡轮发动机发展历史，材料性能的提高及新型材料（如高强结构钢、高温合金、钛合金以及各类复合材料）的应用，为发动机性能的提高起到了十分重要的作用。反过来，航空发动机技术的发展，也为材料发展不断提出新的目标，并为其提供了不可缺少的验证平台和应用对象，成为材料发展的重要推动力。研究并开发一种新材料很不容易，而用好一种新材料也很不容易。为了用好一种新材料，不仅要提出与其相适应的零件制造技术要求，还要研究与其相适应的新的结构形式，而与其相适应的
参考文献：
［１］［２］
江和甫．对涡轮盘材料的需求及展望［Ｊ］．燃气涡轮试验与研究，２００２，１５（４）：１－６．
ＹｏｕｎｏｓｓｉＯ，ＡｒｅｎａＭＶ，ＭｏｏｒｅＲＭ，ｅｔａｌ．ｉｎｇＭｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ［Ｒ］．ＡＤ－Ａ４１１９４５，２００２．
ＭｉｌｉｔａｒｙＪｅｔ
ＥｎｇｉｎｅＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ：ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢａｓｉｃｓａｎｄＣｏｓｔ－ｅｓｔｉｍａｔ－［３］
杨士杰，吕文林．航空涡喷、涡扇发动机结构设计准则
（研究报告）［Ｋ］．北京：中国航空工业总公司发动机系统
工程局，１９９７．
第２０卷第２期燃气涡轮试验与研究Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．２Ｍａｙ，２００７
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２００７年５月ＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈ
摘要：本文首先对航空发动机结构发展进行了回顾，指出今后１０～２０年内发动机结构和材料应用方面的发展趋势；
接着对推重比１０一级发动机中采用的新结构及其强度设计技术进行了详细分析，预测了推重比１２～１５一级发动机中可能出现的新结构及强度问题；最后分析了发动机结构及材料与强度设计的相互依存关系。关键词：航空发动机；结构；材料；强度设计中图分类号：Ｖ２３
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－２６２０（２００７）０２－０００１－０４
ＮｅｗＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＳｔｒｅｎｇｔｈＤｅｓｉｇｎｏｆＡｅｒｏｅｎｇｉｎｅ
ＪＩＡＮＧＨｅ－ｆｕ，ＧＵＹｕａｎ－ｘｉｎｇ，ＱＩＮＧＨｕａ
（ＣｈｉｎａＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＥｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓｅｎｇｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｈｉｓｔｏｒｙ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅ－ｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｉｎｅｎｇｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｔｅｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｔｈｅｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｓｉｇｎｅｍｐｌｏｙｅｄｂｙｅｎｇｉｎｅｓｗｉｔｈ１０：１ｔｈｒｕｓｔ／ｗｅｉｇｈｔｒａｔｉｏｈａｖｅｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｉｎｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓｏｆｅｎｇｉｎｅｓｗｉｔｈｔｈｒｕｓｔ／ｗｅｉｇｈｔｒａｔｉｏｏｆ１２￣１５：１ｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｅｄｉｃｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｅｎｇｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｅｎｇｉｎｅｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｓｉｇｎｈａｖｅｂｅｅｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍａｔｅｒｉａｌ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｓｉｇｎ
１引言
航空发动机的发展是空气动力学、传热传质、燃烧、固体力学、材料学、电子技术等多个学科共同发展的结果。航空发动机作为一种高温、高速旋转机械产品，结构强度设计对其性能和可靠性有着十分重要的影响，而结构强度设计又与材料及制造技术密切相关。本文分析了发动机结构的发展趋势及其对强度分析技术提出的研究方向，以及强度分析技术发展与材料的相互依存、相互推动关系。
右，排气污染和噪声均有大幅度降低；涡轮前燃气温度从１０００Ｋ左右提高到２０００Ｋ左右；发动机寿命从几百小时增长至上万小时。结构、材料和强度专业与其它专业一起为这些进步做出了巨大贡献，专业自身也有了巨大进步。５０多年来，航空发动机的结构、材料和强度专业的主要进步简述于表１。
任何新型材料的应用和新结构的采用，都要向强度设计技术提出新的要求，都伴随着强度设计技术新的进步。特别是增长发动机寿命、降低全寿命成本和提高推重比的需求，向强度设计技术提出了更高的要求，这些都极大地推动了强度设计技术的发展。应力分析技术及强度理论的进步也促进了结构设计的优化和材料性能的充分利用。
２航空发动机结构发展回顾及趋势
航空燃气涡轮发动机问世５０多年来已经取得了巨大的进步，军用发动机的推重比从２左右提高到１０；民用发动机的耗油率从１左右降低到０．５左
收稿日期：２００６－１２－２９
作者简介：江和甫（１９４０－），男，江苏江阴人，研究员，中国燃气涡轮研究院总设计师，从事航空发动机研究工作。
２
燃气涡轮试验与研究
表１近５０年航空发动机结构、材料和强度专业的主要进步
第２０卷
Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍａｔｅｒｉａｌ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆａｅｒｏｅｎｇｉｎｅｉｎｒｅｃｅｎｔｆｉｆｔｙｙｅａｒｓ
１９６０
超级合金；
材料工艺
镍基合金；钛合金
１９７０
低温复合材料；定向凝固合金；粉末合金；无损检测
单晶；
１９８０１９９０
金属间化合物；近净成形；先进涂层；低应力零件用陶瓷整体叶盘；刷式密封；单晶叶片；
大型整体精铸机匣；推力矢量喷管；陶瓷调节片；反转涡轮
２０００
高温复合材料；激光冲击强化；高周疲劳抑制；叶盘调谐及修理整体叶环；变循环；金属基复合材料转子；对转涡轮
热障涂层；数控加工；自动真空焊主动间隙控制；焊接整体转子；热障涂层叶片；粉末合金盘；复合材料机匣；双腔燃烧室；浮壁燃烧室
轴流压气机；燕尾型、枞树型榫联接；双转子；
发动机结构
油膜阻尼器；气冷叶片；环管燃烧室；可调静子；加力燃烧室静强度估算；断裂力学
强度设计
弹性支承；环形燃烧室；可调收扩喷管；空心风扇叶片；沙丘驻涡稳定器；可变弯度静叶；带冠叶片；周向燕尾榫
部件优化；安全寿命；热分析；振动分析；复合材料强度理论
有限元分析；应变疲劳理论；有限寿命设计；材料统一本构理论；损伤容限
多学科优化；零件概率设计
叶片强迫响应分析
今后十至二十年内，发动机结构和材料应用方面的发展趋势大致为：
整体叶环、大（１）组合件零件化，如：整体叶盘、型精铸件、大型复合材料构件。
引发了新的强度设计技术，主要有：
（１）整体叶盘。在Ｆ１１９、ＥＪ２００等发动机中，都
采用了整体叶盘的风扇、压气机转子结构。在它们的验证机和初期生产批发动机上，只是部分级采用了整体叶盘，不过在后来，风扇、压气机各级都采用了数控铣加振动整体叶盘结构，其工艺有线性摩擦焊、
光饰、数控电化学加工，但尚未见采用双性能整体机械加工叶盘的可靠报道。整体叶盘引起的强度问题主要有：
（２）大量使用轻质高强金属材料，如：ＴｉＡｌ系、
ＴｉＡｌＮｂ系等低塑性金属间化合物。
（３）各类复合材料用量逐步增加，并在转动件
上应用；陶瓷类材料开始应用于重要零件，如火焰筒、涡轮叶片。
（４）纤维增强金属基复合材料用于压气机和涡
轮转子。
微（５）特种工艺高效益工程应用，如：激光焊、动摩擦焊、激光强化、各类表面改性。
①叶身和盘体材料性能的一致化。在榫头连
接结构中，可以通过选用不同材料或同一材料不同热处理制度获得叶片和轮盘不同的材料性能，使叶片具有较高的强度及高周疲劳强度，使轮盘具有较高的蠕变及低周疲劳强度。在整体叶盘结构中，需要寻找一种可以兼顾叶身和轮盘性能的材料组织。如对于两相钛合金，采用近β锻造获得一种可称为三相的金相组织。曾研究过叶盘制造技术，但“双性能”难度很大，特别是在叶身进行修理后更难保持原有性能，因此尚未见实际应用的确切报道。
（６）加工精度和表面完整性不断提高。
异类材料的焊接整体结构。（７）不同性能材料、
总之，军用发动机对推重比的苛求，造成转子叶尖切线速度不断提高，轻型结构和轻质材料的应用范围不断扩大。上述发展趋势，对发动机零件的强度、振动、寿命分析技术提出了新的挑战，向强度设计技术开列了大量新的研究课题。
②叶身型面尺寸的一致化。由于整体叶盘的
叶身一般都用数控加工，各叶片的叶身型面一致性
３推重比１０发动机中的新结构及其强度设计
目前，作为第四代战斗机动力装置的推重比１０发动机已投入使用，其典型代表机种为美国的Ｆ１１９发动机。推重比１０发动机中采用了很多新结构，也
很好，各叶片的自振频率很接近，加上没有了榫头连接处的机械阻尼，使得叶片的振动问题更为严重，盘片耦合振动问题也更为突出。可以按某一规律设计两种或多种叶身型面来采用技术，但对“错频”“错
第２期江和甫等：航空发动机的新结构及其强度设计
３
频”技术的研究，特别是它对常见的谐振振动的减振效果的研究还很不够，离工程应用还有很大差距。②
③
局部铸造缺陷对强度和寿命的影响。与工艺协调的结构、强度优化技术。
③叶身修理技术引起的材料性能不均匀。整
在第三代发动机中，已成功（４）复合材料构件。
应用复合材料制造外涵机匣。在第四代发动机中，将进一步扩大其应用，如进气机匣、风扇机匣及整流叶片。在民用发动机中，复合材料已开始用于制造大型风扇转子叶片，但其结构的强度设计技术及修理后的强度问题还需要深入研究。
体叶盘的可修性是制约其应用的重大障碍。目前较为可行的修理方案是：局部损伤轻的打磨，稍重的打磨后激光堆焊，严重的切除叶片后用激光焊接一个新叶片。焊接部位的材料性能不可能与原基体材料性能相同，必须研究其对叶片可靠性的影响。
④焊接整体叶盘焊接区对强度寿命的影响。
（５）低塑性金属间化合物构件。在第四代发动
机中，已开始使用金属间化合物制造零件，如
由于焊接区的强度一般低于基体，焊接部位的选择及接头结构形式对叶盘强度和工艺的可实现性有重大影响。我们在这方面的研究还很不够。
Ｎｉ３Ａｌ、Ｔｉ３Ａｌ、γ－ＴｉＡｌ等。在ＩＨＰＴＥＴ计划中，已进行
了γ这些金属间－ＴｉＡｌ制压气机转子的可靠性试车。化合物的共有特点是塑性比较低，需要研究这类材料的强度设计准则。
（２）气冷单晶涡轮叶片。为了使涡轮叶片能在
１９５０Ｋ的涡轮进口燃气温度下可靠工作，必须采用
可在１３４３Ｋ下可靠工作的第二代单晶材料，并采用复杂的内冷结构和大量气膜孔（导向叶片１０００个以上，转子叶片５００个左右）。其强度设计除与热分析所提供的温度场的准确度密切相关外，其难度主要在于：
（６）陶瓷构件。纤维增强ＳｉＣ基复合材料等陶
瓷材料，由于其低密度、耐高温等特点，已有用于加力衬筒、喷管调节片等的实例。由于陶瓷复合材料具有强度可设计性，其结构设计及工艺设计与强度设计的结合更为紧密，因此需要加强分析技术、优化技术及设计准则的研究。
①复杂内腔叶片高精度强度分析。现有的有
限元分析工具原则上可以提供有效的技术手段，但对于各向异性的单晶叶片，对其换热肋、扰流柱、尾缘劈缝等局部结构的强度分析仍然难以满足寿命预测的需要，其原因之一是难以给出这些局部的材料性能数据。
（７）粉末涡轮盘及其它构件。在第四代发动机中，普遍采用第二代粉末合金（如Ｒｅｎｅ８８ＤＴ等）制造涡轮盘及挡板。在Ｆ１１９发动机中，粉末合金还用来
制造压气机后面级的轮盘。由于我国粉末盘制造工艺与西方国家有异，需要在研究强度分析技术的基础上制定与我国制造技术相应的强度设计准则。在粉末合金构件中特别需要研究下列课题：
②气膜孔附近的强度问题。为了达到有效的
冷却，必须开设大量气膜孔。在前缘附近，气膜孔密度很高，很容易发生气膜孔间材料的撕裂。需要通过强度分析与热分析的结合妥善解决。
①锻造零件的区域性能差异。我国的粉末盘
采用热等静压制坯、经预处理后锻造成形的工艺流程，锻件材料性能存在区域性差异。这就要求强度设计根据盘体各部位的实际性能实现结构优化。
③④
带隔热涂层叶片。我们已开发了带隔热涂再结晶对强度的影响。单晶材料的晶界强
层叶片的强度分析方法，但其可信程度尚待验证。化元素极少，一旦发生局部再结晶，其界面强度极低，甚至只有基体强度的十分之一左右，因此对单晶叶片的再结晶必须严格控制。但有些工艺因素，例如钎焊，可能难以完全避免再结晶，需要通过强度分析判断设计上允许存在再结晶的区域。
在第四代发动机中，为（３）大型整体精铸机匣。
减少零件数量、降低制造成本、提高可靠性，中间机匣、后机匣等都采用整体大型精铸件。为了提高生产效率，需要利用强度分析手段支持制定合理的铸件验收标准，由此引出了下列研究课题：
②夹杂的影响。在粉末合金构件中不可避免
夹杂的存在，对于锻造盘内夹杂的分布及形态特点有待摸清。要求强度设计能在考虑夹杂的情况下预测低周疲劳寿命。目前正在研究的根据夹杂概率分布预测寿命的方法还有待进一步改进、完善并形成相应的设计准则。
③损伤容限设计技术的应用。Ｒｅｎｅ８８ＤＴ和
ＦＧＨ９６都是具有较低裂纹扩展速率的第二代粉末合金，其屈服强度比较低，ＦＧＨ９６的屈服强度还不如第一代合金ＦＧＨ９５的屈服强度，必须利用其低裂
纹扩展速率的特点，采用损伤容限设计技术，才能充分利用材料，减轻结构重量；这对我们还是一个新的
①低周疲劳寿命预估。
４
燃气涡轮试验与研究第２０卷
课题。强度分析技术是其应用的桥梁。
随着强度理论的进步和强度分析技术的提高，对材料性能的需求也越来越多样，可以简要归纳为表２。
表２材料性能需求
４更高推重比发动机中的新结构及强度设计
提高推重比是发动机设计者为之不断努力追求的目标。国外已在开展推重比为１６左右的发动机设计技术的研究，美国的ＩＨＰＴＥＴ计划已取得了巨大的成功。我们也对开展推重比为１２￣１５的发动机关键技术预研提出了建议，但尚未得到全面安排。预计在推重比为１２￣１５的发动机中可能出现的新结构主要有：
Ｔａｂｌｅ２Ｍａｔｅｒｉａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ
年代
强度计算方法
所需材料数据、、、、０．２、、Ｅ、μρασσｂσｔ．θ、δ(、Ｇ、ａｋ
、、Ｓ－Ｎ曲线、λＣ、Ｅｄ、σεθ古德曼图、σＤ
热－机械疲劳ε－Ｎ曲线、
断裂性能Ｋ１ｃ、ｄａ／ｄＮ、
２０世纪６０年代前静强度估算
２０世纪６０年代安全寿命、热分析、振动分析
（１）双性能叶盘风扇和压气机转子；
（２）Ｔｉ２ＡｌＮｂ等金属间化合物制压气机及高温
部位零件；
２０世纪７０年代应变疲劳理论、有限寿命设计
（３）ＳｉＣ长纤维增强钛基复合材料叶环或叶
鼓；
２０世纪８０年代断裂力学理论、损伤容限设计
⊿Ｋｔｈ、Ｋ１ｓｃｃ缺口敏感性ｑｔ＝σｂ／ｂＨ
（４）５７３～６２３Ｋ高温树脂基复合材料机匣；（５）γ－ＴｉＡｌ或Ｔｉ２ＡｌＮｂ合金扩压器；（６）
（７）（８）（９）
第三代单晶、铸冷和层板涡轮叶片；增韧陶瓷浮壁燃烧室；碳／碳复合材料高温构件；纤维增强超合金涡轮盘；
２０世纪９０年代
可靠度设计、概率寿命设计
（或系数η）
－３σ数据、缺陷特征及
分布
从表中可以看到，随着先进强度理论的应用，要求材料研究者提供更多种类的材料性能数据。对于大型锻件，很难保证各个部位有相同的变形量和热处理条件，为了在结构设计时能更充分、有效地利用材料，减轻结构重量，还要求获得零件不同部位的材料性能数据，特别是在应力较大、决定零件可靠性及寿命的部位，需尽可能获得准确的性能数据。
任何材料都不可能十全十美，总有其长处和短处。为了研发一种优良的材料，需要材料研究人员与结构、强度设计人员充分沟通，使材料研究人员正确理解设计的需求，设计人员全面了解材料的优点和不足。结构、强度设计与材料研究相互依存，相互推动，才能研究出真正好用的材料，才能真正把材料用好，才能为航空发动机的发展奠定坚实的基础。
（１０）双性能涡轮盘或整体涡轮叶盘；（１１）陶瓷涡轮叶片及无冷却调节片；（１２）陶瓷滚动体混合轴承。
这些新结构及新型材料的应用都需要新的强度设计技术的支持。特别是ＳｉＣ长纤维增强钛基复合材料叶环或叶鼓、双性能涡轮盘或整体涡轮叶盘、金属间化合物及陶瓷材料构件等，除结构本身的变化外，还涉及材料类型的改变，需研究确定其故障模式、本构关系和设计准则。
５结构及材料与强度设计的相互依存
回顾航空燃气涡轮发动机发展历史，材料性能的提高及新型材料（如高强结构钢、高温合金、钛合金以及各类复合材料）的应用，为发动机性能的提高起到了十分重要的作用。反过来，航空发动机技术的发展，也为材料发展不断提出新的目标，并为其提供了不可缺少的验证平台和应用对象，成为材料发展的重要推动力。研究并开发一种新材料很不容易，而用好一种新材料也很不容易。为了用好一种新材料，不仅要提出与其相适应的零件制造技术要求，还要研究与其相适应的新的结构形式，而与其相适应的
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