螺螄殼裡做道場極其複雜的渦輪工作葉片的冷卻技術

最新 02-13

隨著航空技術的高速發展,工作葉片的冷卻技術也得到高速發展,冷卻效果愈來愈高,因而可使渦輪前的燃氣溫度大幅度提高,促進了發動機性能的提高。

在早期的發動機中,工作葉片僅採用對流冷卻。最簡單的形式為葉身從葉根至頂部做有若干個直孔,冷卻空氣從中間葉根或榫根底部引入,經過葉身,由頂部甩出,如圖66所示。

葉身中的通氣孔,最簡單的可做成圓形,稍複雜的則可做成扁平形與異形。3種孔形中,異形孔換熱面積最大,冷卻效果最好,圓形孔效果最差。為了節省冷卻空氣,可以使葉身內各孔互相連通,如圖75所示,為在葉身內加工出氣流折返通道,中間大孔先做成通孔,然後在頂端焊一頂蓋,頂蓋上開有小孔,以便將冷卻空氣中含的雜質在氣流折轉時甩出葉尖。

為了提高冷卻效果,往往需在葉片中採用對流、衝擊及氣膜冷卻幾種冷卻形式, 當然,葉片的內部也做得較複雜。

圖76 、CFM56 3高壓渦輪工作葉片內部結構圖

圖76所示為 CFM56-3 發動機高壓渦輪工作葉片內部結構圖,在後面幾排孔中採用了對流冷卻,第1排孔採用了衝擊冷卻,即冷卻空氣由第2排孔道中通過1~2排孔孔壁上的小孔流出沖向第1排孔道的壁面上。

部分冷卻空氣由葉尖頂蓋上逸出,但有部分空氣是由前緣上若干小孔沿葉身壁面流出,形成對前緣的氣膜冷卻;部分空氣由尾緣的若干個小孔排出,尚有少部分空氣由葉盆的小孔中流出。CF6 80C2高壓渦輪1級葉片,其冷卻結構基本同於 CFM56 3,但在葉背上多了一排出氣孔,葉盆上多了2排出氣孔。

圖77示出了JT9D7R4高壓渦輪第1級工作葉片的冷卻結構,它是將葉片做成空心的,從下插入一中心導流片。由榫頭底部流入導流片1的冷卻空氣,通過導流片上的小孔噴至葉片內表面進行衝擊冷卻,最後由葉片尾緣排出。

這種類型的冷卻葉片,前、後緣高溫區得到重點冷卻,葉片表面還有一層冷氣薄膜,因而冷卻效果好,冷卻氣流從尾緣排出,還可以吹除葉片後的尾跡渦流及葉尾附近的附面層,使渦輪性能得到改善。WP15發動機中也採用了這種形式的葉片。

圖77、JT9D高壓渦輪冷卻葉片

圖78所示為羅·羅公司遄達發動機高壓渦輪工作葉片,它除具有圖76所示冷卻葉片的特點外,還有下述特點:

(1)冷卻空氣來自兩部分,主要是由燃燒室引來的壓氣機出口空氣,即高壓冷卻空氣;另一部分則是來自高壓渦輪導向器與轉子間的高壓冷卻空氣的封嚴篦齒封嚴後的逸漏氣體,即低壓冷卻空氣,此部分空氣直接由頂蓋的小孔逸出。

(2)為了增加散熱面積,提高冷卻效果,在冷卻通道的壁面上,做了許多片的散熱肋片。

(3)葉冠上帶回收能量的肋片(如圖56所示)。因此可以認為,這是目前考慮得最為周到,冷卻效果最好的冷卻葉片。

圖78、遄達700高壓渦輪工作葉片結構圖

圖79示出近1/4世紀中,羅·羅公司RB211系列發動機冷卻葉片的發展過程,圖中還示出葉片的毛坯性質,除1972年的 RB21122B採用鍛造葉片外,其餘全是精鑄葉片。1983年開始採用定向結晶葉片直到目前。

圖79 羅·羅公司1972~1997年間渦輪葉片冷卻結構的變遷

圖80示出普惠公司從1988年到1995年間三種發動機的渦輪葉片冷卻結構。由圖80可以看出,其冷卻結構也是越來越複雜。1988年投入使用的PW4056採用的是普惠公司第一代單晶材料;分別於1989年與1995年6月投入使用的 V2500與PW4084則採用了該公司第二代單晶材料。而用於 PW4090的則是該公司第三代單晶材料 PWA1496,表面塗層也改用了PWA272 2。

圖80、普惠公司1988~1995年間發展的三種冷卻葉片

中間葉根

在早期發動機的渦輪葉片中,葉身底部直接與葉根相連,如圖61所示。但在20世紀60年代以後發展的發動機中,渦輪工作葉片常在葉身與榫頭間做有一橫截面積較小的過渡段,如圖66所示,此過渡段稱為中間葉根,也稱伸根。

渦輪葉片採用中間葉根後,可以減小榫頭應力不均勻度,增加第1榫齒上齒面與葉身或中間葉根間的圓角半徑,減小該處的應力集中。通常在中間葉根處引冷卻空氣進行冷卻,或將中間葉根作為葉片冷卻空氣的引入口,這樣可以使葉片傳給榫頭與輪緣的熱量減少,一方面使輪緣避開高溫區域,另一方面大大降低了榫頭與輪緣的溫度,增大了葉片榫頭的強度,減小了輪盤的熱應力,從而可減薄輪盤的厚度,減輕輪盤及整個轉子的重量。

圖66、帶中間葉根的渦輪工作葉片

羅·羅公司早期生產的「達特」渦輪螺旋槳發動機,渦輪工作葉片未採用中間葉根,在發展改型中,提高了渦輪前燃氣溫度,葉片採用了通空氣進行冷卻並帶葉冠的設計,為了便於冷卻空氣進入葉身,採用了中間葉根。

圖67示出改進前後結構的對比。改進後,燃氣溫度提高了90℃,工作葉片由於採用了葉冠與中間葉根,增加了葉片數目,葉片總重量比改進前增加了37.5%,但由於中間葉根降低了輪緣溫度,使輪盤的熱應力大大減小,輪盤做得比較薄,因而葉片加輪盤的總重量卻比改進前降低了34%。這一事例充分說明採用中間葉根後帶來的好處,因而得到廣泛採用。

4.4 葉片在輪盤中的鎖定

如壓氣機的工作葉片需在輪盤榫槽中鎖定一樣,渦輪工作葉片也需採用可靠的措施,將葉片在輪盤榫槽中鎖定。圖68示出幾種常用的鎖定方法。

圖68、幾種渦輪葉片在輪盤榫槽中槽向鎖定方法

圖68中:(a)所示為WP5發動機中採用的,在葉根一端帶凸肩,另端用鎖片鎖定。

(b)所示為 WP6發動機中採用的,在葉根底部開橫槽,裝上鎖片在兩側向下彎緊貼輪緣兩端面,使葉片在槽中鎖定。

(c)為 WP6第2級渦輪葉片的鎖定方式,葉片的前端頂在1~2級盤間的承力環的封嚴環上,後端用鎖片鎖定。

(d)為 WP7第2級葉片的鎖定方式,用靠槽底的中間焊在一起的雙鎖片鎖定。

(e)J57發動機中,葉片榫根底部中心帶半圓孔,盤緣榫槽槽底也帶小半圓孔,當葉片裝入榫槽後,將鉚釘插入此兩半圓孔組成的圓孔中並在前端沖鉚,葉片即在輪盤中鎖定。

(f)所示為鎖板鎖定裝置,與在壓氣機中採用的完全相同,已在壓氣機工作葉片中描述過。

圖69、斯貝高壓渦輪結構圖

這種鎖定方法目前採用得最為廣泛,因為這種鎖板還起到防止進入中間葉根的冷卻空氣向後流動的作用,對於採用空氣冷卻的葉片非常有利。圖69示出的斯貝發動機高壓渦輪結構圖,它的1級與2級工作葉片均採用了鎖板鎖定裝置,是一種比較典型的設計。

在 GE公司研製的幾型發動機中,高壓渦輪一般均採用固定於輪盤前後的封氣盤來鎖定葉片,圖70所示為CF680E1高壓渦輪的結構,由圖70可以看出,前後封氣盤是通過多根小螺栓穿過輪緣的小孔固定在輪緣上的。CFM56 2與 3型發動機也是採用這種結構。

由於在輪緣處開了多個小孔(一般是與葉片數相同),對輪盤強度削弱較多,另外,外露的螺栓頭與螺帽在高速旋轉時,會攪動其周圍的空氣,使空氣溫度上升,因而輪緣的溫度也會增高一些。在20世紀80年代後期改進的CFM565與新研製的如 GE90發動機中,前後封氣盤採用了類似高壓鍋鍋蓋與鍋身的連接方式,取消了有害的多根螺栓連接方式。