螺蛳壳里做道场极其复杂的涡轮工作叶片的冷却技术陈光谈航发219

来源：usportnews 编辑：U体育所属栏目：亚博体育时间：2019-02-12 22:34:48

本文由亚博体育2019年02月12日转载报道：

转载自百家号作者：航空之家AH

随着航空技术的高速发展,工作叶片的冷却技术也得到高速发展,冷却效果愈来愈高,因而可使涡轮前的燃气温度大幅度提高,促进了发动机性能的提高。

在早期的发动机中,工作叶片仅采用对流冷却。最简单的形式为叶身从叶根至顶部做有若干个直孔,冷却空气从中间叶根或榫根底部引入,经过叶身,由顶部甩出,如图66所示。

叶身中的通气孔,最简单的可做成圆形,稍复杂的则可做成扁平形与异形。3种孔形中,异形孔换热面积最大,冷却效果最好,圆形孔效果最差。为了节省冷却空气,可以使叶身内各孔互相连通,如图75所示,为在叶身内加工出气流折返通道,中间大孔先做成通孔,然后在顶端焊一顶盖,顶盖上开有小孔,以便将冷却空气中含的杂质在气流折转时甩出叶尖。

为了提高冷却效果,往往需在叶片中采用对流、冲击及气膜冷却几种冷却形式, 当然,叶片的内部也做得较复杂。

图76 、CFM56 3高压涡轮工作叶片内部结构图

图76所示为 CFM56-3 发动机高压涡轮工作叶片内部结构图,在后面几排孔中采用了对流冷却,第1排孔采用了冲击冷却,即冷却空气由第2排孔道中通过1~2排孔孔壁上的小孔流出冲向第1排孔道的壁面上。

部分冷却空气由叶尖顶盖上逸出,但有部分空气是由前缘上若干小孔沿叶身壁面流出,形成对前缘的气膜冷却;部分空气由尾缘的若干个小孔排出,尚有少部分空气由叶盆的小孔中流出。CF6 80C2高压涡轮1级叶片,其冷却结构基本同于 CFM56 3,但在叶背上多了一排出气孔,叶盆上多了2排出气孔。

图77示出了JT9D7R4高压涡轮第1级工作叶片的冷却结构,它是将叶片做成空心的,从下插入一中心导流片。由榫头底部流入导流片1的冷却空气,通过导流片上的小孔喷至叶片内表面进行冲击冷却,最后由叶片尾缘排出。

这种类型的冷却叶片,前、后缘高温区得到重点冷却,叶片表面还有一层冷气薄膜,因而冷却效果好,冷却气流从尾缘排出,还可以吹除叶片后的尾迹涡流及叶尾附近的附面层,使涡轮性能得到改善。WP15发动机中也采用了这种形式的叶片。

图77、JT9D高压涡轮冷却叶片

图78所示为罗·罗公司遄达发动机高压涡轮工作叶片,它除具有图76所示冷却叶片的特点外,还有下述特点:

(1)冷却空气来自两部分,主要是由燃烧室引来的压气机出口空气,即高压冷却空气;另一部分则是来自高压涡轮导向器与转子间的高压冷却空气的封严篦齿封严后的逸漏气体,即低压冷却空气,此部分空气直接由顶盖的小孔逸出。

(2)为了增加散热面积,提高冷却效果,在冷却通道的壁面上,做了许多片的散热肋片。

(3)叶冠上带回收能量的肋片(如图56所示)。因此可以认为,这是目前考虑得最为周到,冷却效果最好的冷却叶片。

图78、遄达700高压涡轮工作叶片结构图

图79示出近1/4世纪中,罗·罗公司RB211系列发动机冷却叶片的发展过程,图中还示出叶片的毛坯性质,除1972年的 RB21122B采用锻造叶片外,其余全是精铸叶片。1983年开始采用定向结晶叶片直到目前。

图79 罗·罗公司1972~1997年间涡轮叶片冷却结构的变迁

图80示出普惠公司从1988年到1995年间三种发动机的涡轮叶片冷却结构。由图80可以看出,其冷却结构也是越来越复杂。1988年投入使用的PW4056采用的是普惠公司第一代单晶材料;分别于1989年与1995年6月投入使用的 V2500与PW4084则采用了该公司第二代单晶材料。而用于 PW4090的则是该公司第三代单晶材料 PWA1496,表面涂层也改用了PWA272 2。

图80、普惠公司1988~1995年间发展的三种冷却叶片

中间叶根

在早期发动机的涡轮叶片中,叶身底部直接与叶根相连,如图61所示。但在20世纪60年代以后发展的发动机中,涡轮工作叶片常在叶身与榫头间做有一横截面积较小的过渡段,如图66所示,此过渡段称为中间叶根,也称伸根。

涡轮叶片采用中间叶根后,可以减小榫头应力不均匀度,增加第1榫齿上齿面与叶身或中间叶根间的圆角半径,减小该处的应力集中。通常在中间叶根处引冷却空气进行冷却,或将中间叶根作为叶片冷却空气的引入口,这样可以使叶片传给榫头与轮缘的热量减少,一方面使轮缘避开高温区域,另一方面大大降低了榫头与轮缘的温度,增大了叶片榫头的强度,减小了轮盘的热应力,从而可减薄轮盘的厚度,减轻轮盘及整个转子的重量。

图66、带中间叶根的涡轮工作叶片

罗·罗公司早期生产的“达特”涡轮螺旋桨发动机,涡轮工作叶片未采用中间叶根,在发展改型中,提高了涡轮前燃气温度,叶片采用了通空气进行冷却并带叶冠的设计,为了便于冷却空气进入叶身,采用了中间叶根。

图67示出改进前后结构的对比。改进后,燃气温度提高了90℃,工作叶片由于采用了叶冠与中间叶根,增加了叶片数目,叶片总重量比改进前增加了37.5%,但由于中间叶根降低了轮缘温度,使轮盘的热应力大大减小,轮盘做得比较薄,因而叶片加轮盘的总重量却比改进前降低了34%。这一事例充分说明采用中间叶根后带来的好处,因而得到广泛采用。

4.4 叶片在轮盘中的锁定

如压气机的工作叶片需在轮盘榫槽中锁定一样,涡轮工作叶片也需采用可靠的措施,将叶片在轮盘榫槽中锁定。图68示出几种常用的锁定方法。

图68、几种涡轮叶片在轮盘榫槽中槽向锁定方法

图68中:(a)所示为WP5发动机中采用的,在叶根一端带凸肩,另端用锁片锁定。

(b)所示为 WP6发动机中采用的,在叶根底部开横槽,装上锁片在两侧向下弯紧贴轮缘两端面,使叶片在槽中锁定。

(c)为 WP6第2级涡轮叶片的锁定方式,叶片的前端顶在1~2级盘间的承力环的封严环上,后端用锁片锁定。

(d)为 WP7第2级叶片的锁定方式,用靠槽底的中间焊在一起的双锁片锁定。

(e)J57发动机中,叶片榫根底部中心带半圆孔,盘缘榫槽槽底也带小半圆孔,当叶片装入榫槽后,将铆钉插入此两半圆孔组成的圆孔中并在前端冲铆,叶片即在轮盘中锁定。

(f)所示为锁板锁定装置,与在压气机中采用的完全相同,已在压气机工作叶片中描述过。

图69、斯贝高压涡轮结构图

这种锁定方法目前采用得最为广泛,因为这种锁板还起到防止进入中间叶根的冷却空气向后流动的作用,对于采用空气冷却的叶片非常有利。图69示出的斯贝发动机高压涡轮结构图,它的1级与2级工作叶片均采用了锁板锁定装置,是一种比较典型的设计。

在 GE公司研制的几型发动机中,高压涡轮一般均采用固定于轮盘前后的封气盘来锁定叶片,图70所示为CF680E1高压涡轮的结构,由图70可以看出,前后封气盘是通过多根小螺栓穿过轮缘的小孔固定在轮缘上的。CFM56 2与 3型发动机也是采用这种结构。

由于在轮缘处开了多个小孔(一般是与叶片数相同),对轮盘强度削弱较多,另外,外露的螺栓头与螺帽在高速旋转时,会搅动其周围的空气,使空气温度上升,因而轮缘的温度也会增高一些。在20世纪80年代后期改进的CFM565与新研制的如 GE90发动机中,前后封气盘采用了类似高压锅锅盖与锅身的连接方式,取消了有害的多根螺栓连接方式。

图70 、CF6 80E1高压涡轮结构图

在 GE公司研制的F404发动机,前后封气盘用螺钉固定于轮盘上向前后伸出的凸环上,如图71所示。这种结构可以消除在轮盘本体上开孔的缺点,但螺栓头仍有搅风加温的作用,且轮盘的重量会增加。

4.5 涡轮的整体叶盘

图71、F404高压涡轮叶片与盘的连接

整体叶盘也在涡轮中采用过,早期的一些小型涡轴与涡桨发动机的涡轮,曾采用过将工作叶片与轮盘整体铸成,如图72所示的法国透默ⅢC发动机的涡轮转子。

但是,由于涡轮转子中,工作叶片与轮盘的工作温度相差较大,工作叶片需用耐高温强度好的材料,而轮盘的工作温度较低,所用材料比叶片的材料要差许多,因而也较便宜。将叶片与盘铸成整体,则轮盘也势必采用价昂的能耐更高温的好材料。这样,从合理与充分利用材料性能以及从经济上看都是不合适的。

图72、透默ⅢC发动机的涡轮转子结构图

为克服这一缺点,目前已发展了双材料的整体叶盘结构,如图73所示,它是将叶片以及与相连的环带用叶片材料精铸出来,轮盘用制盘的材料利用粉末冶金的方法加工出来,然后两者间用扩散连接法连接成一体。这种双金属整体叶盘已在一些小型涡轮机中采用。

4.6 叶片用的减振阻尼块

图73、两种材料组成的涡轮整体叶盘

在叶片中间叶根处加装减振用的阻尼块,能较好地解决叶片振动问题,当叶片受到激振力产生振动时,阻尼块与中间叶根间产生摩擦吸收振动能量而起到减振作用,一般可将振动应力降低50%~60%。图74所示为典型的一种减振阻尼块。

在 RB211 535E4与 524G/H中,高压涡轮工作叶片虽然采用了叶冠,但仍然在中间叶根处采用减振阻尼块。

图74、涡轮叶片中的减振阻尼块

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