工作葉片毛坯加工方法和渦輪導向器葉片簡介陳光談航發220

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工作葉片毛坯加工方法

從圖79中可以看出,早期發動機的渦輪葉片均用模鍛件的毛坯經機械加工製造。隨著不斷提高葉片的耐高溫性能,製造葉片的鎳基合金中的含鎳量逐漸加多,使鋁含量減少,材料的流動性降低,不易鍛造。因而從20世紀60年代開始採用真空精密鑄造來加工葉片,這種方法不僅可以獲得少餘量的毛坯,使加工量大大減小,同時,使它的高溫強度也有所改善。

20世紀70年代後期,發展定向結晶的鑄造方法來製造葉片的毛坯,在這種方法中,讓材料在蠟模中冷卻時,生成的晶粒呈柱狀,即成為柱狀晶。柱晶的生成方向與葉片工作時離心力的方向一致,在與離心力方向垂直方向中無晶界。與常規的精密鑄造葉片相比,柱狀晶葉片的高溫蠕變/疲勞強度有較大的提高。

圖79、羅·羅公司1972~1997年間渦輪葉片冷卻結構的變遷

20世紀80年代中期,加工出來了單晶葉片毛坯,所謂單晶,指整個葉片就是一個晶粒,其中無任何晶界。顯然,它的高溫疲勞與高溫蠕變強度有更高的提高,與常規精密鑄造葉片相比,這兩種高溫強度可以提高8倍。圖81中示出三種鑄造方法鑄出的葉片顯微結構示意圖。常規鑄造的葉片,由許多細小晶累積而成,各個方向的機械性能是一致的,因此,也稱為各向同性的材料,定向結晶的葉片與單晶葉片沿葉片長度方向有極好的機械性能,在其他方向則比較差,稱為各向異性的材料。

20世紀80年代中期,在渦輪葉片中,只有少數發動機採用單晶,但是到目前,單晶葉片已廣泛在發動機中採用,大多數新研製的發動機中,高壓渦輪1級工作葉片採用單晶,其後面級的葉片採用定向結晶葉片,但也有發動機,第1級高壓渦輪葉片由於採用了較複雜與冷卻效果較好的結構而仍用定向結晶葉片,緊接其後的中壓渦輪葉片反而採用單晶葉片,但不採用冷卻措施。例如遄達三轉子渦扇發動機即是這麼設計的。

圖81、三種鑄造方法鑄造出的葉片比較

5、渦輪導向器葉片

渦輪導向器由導向器葉片與內外環組成,它的工作條件惡劣,表現在,第1級導向器緊接燃燒室出口,導向器葉片(也稱靜子葉片)處於高溫燃氣流的包圍中,是發動機中溫度最高的零件之一,溫度高且不均勻,很易燒壞;燃氣中的遊離氧和硫會對葉片表面有強烈的氧化與腐蝕作用;

由於很難做到導向器各處溫度分布均勻,因而工作時受到較大的熱應力作用,同時,由於工況不斷變化,這些零件還承受冷熱疲勞的作用,易於產生疲勞裂紋;此外,導向葉片還要承受燃氣的氣體力與氣流脈動所造成的振動負荷。但是,在工作中它是不旋轉的,因此,不承受離心負荷,工作條件略優於渦輪工作葉片。設計導向器葉片時必須在選材、結構、冷卻與表面防護等方面採取措施。

在現有發動機中,導向器可分為兩大類,一類是需傳遞轉子支承的軸承負荷的,稱為傳力的導向器;另一類是不傳遞軸承負荷的,稱為不傳力的導向器。在蘇聯生產的發動機中,有許多(例如WP6、WP7、WP13與WP15)將第1級導向器作為傳力的,在英、美髮動機中則很少將第1級導向器作為傳力的,但有的將其後的導向器作為傳力的。例如,CF6 6與 50型、EJ200、RB199等發動機中將第1級低壓渦輪導向器作為傳力的,RB211系列與遄達發動機將中壓渦輪導向器作為傳力的。

由於導向器是在高溫燃氣包圍的條件下工作,在結構設計中既要它所有零件固定於適當位置中不能亂竄,但又要允許這些零件在高溫時能夠自由向3個方向膨脹(徑向、周向與軸向),對於不傳力的導向器比較容易地能做到,但是對於傳力導向器則比較複雜。

5.1 傳力導向器

一般在傳力導向器中是將傳力的支撐結構與熱燃氣接觸的葉型零件分開做。葉型零件做成可以在3個方向自由膨脹,而支撐結構處於葉型零件中心,並通以冷卻空氣,使它在溫度較低的環境下工作,與內外環形成結實的傳力結構。

圖82所示為 RB211 535E4中壓渦輪導向器結構圖。在該發動機中,高壓渦輪後滾棒軸承與中壓渦輪前滾棒軸承的負荷,需通過中壓渦輪導向器傳出,由於這一傳力的承力框架處於高壓與中壓渦輪間,因此稱此為渦輪級間承力框架。在此承力框架中,傳力的支撐結構是套裝在中壓渦輪導向器葉片內,因此,此葉片做得既長又厚。

葉片用葉冠的後端面靠銷釘固定於機匣上的,葉冠前緣是自由地插在高壓渦輪機匣與中壓渦輪機匣間的環槽中,其前端留有較大的間隙,允許葉冠在工作時向前自由膨脹。葉片底座用前後兩個支板分別插在可在承力機匣前後移動的封嚴環的槽中,槽的下部留有足夠的空間,允許葉片徑向地向內自由膨脹。每個導向葉片葉冠、底座與相鄰的葉片葉冠、底座間留有可供膨脹的空隙。