前沿拓展：

隨著航空技術(shù)的高速發(fā)展,工作葉片的冷卻技術(shù)也得到高速發(fā)展,冷卻效果愈來愈高,因而可使渦輪前的燃?xì)鉁囟却蠓忍岣?促進(jìn)了發(fā)動機(jī)性能的提高。

在早期的發(fā)動機(jī)中,工作葉片僅采用對流冷卻。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(jīng)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,稍復(fù)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(jié)省冷卻空氣,可以使葉身內(nèi)各孔互相連通,如圖75所示,為在葉身內(nèi)加工出氣 流折返通道,中間大孔先做成通孔,然后在頂端焊一頂蓋,頂蓋上開有小孔,以便將 冷卻空氣中含的雜質(zhì)在氣流折轉(zhuǎn)時甩出葉 尖。

為了提高冷卻效果,往往需在葉片中采用對流、沖擊及氣膜冷卻幾種冷卻形式, 當(dāng)然,葉片的內(nèi)部也做得較復(fù)雜。

圖76 、CFM56 3高壓渦輪工作葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖76所示為 CFM56-3 發(fā)動機(jī)高壓渦輪工作葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,在后面幾排孔中采用了對流冷卻,第1排孔采用了沖擊冷卻,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(jié)構(gòu)基本同于 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(jié)構(gòu),它是將葉片做成空心的,從下插入一中心導(dǎo)流片。由榫頭底部流入導(dǎo)流片1的冷卻空氣,通過導(dǎo)流片上的小孔噴至葉片內(nèi)表面進(jìn)行沖擊冷卻,最后由葉片尾緣排出。

這種類型的冷卻葉片,前、后緣高溫區(qū)得到重點(diǎn)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,還可以吹除葉片后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(fā)動機(jī)中也采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(dá)發(fā)動機(jī)高壓渦輪工作葉片,它除具有圖76所示冷卻葉片的特點(diǎn)外,還有下述特點(diǎn):

(1)冷卻空氣來自兩部分,主要是由燃燒室引來的壓氣機(jī)出口空氣,即高壓冷卻空氣;另一部分則是來自高壓渦輪導(dǎo)向器與轉(zhuǎn)子間的高壓冷卻空氣的封嚴(yán)篦齒封嚴(yán)后的逸漏氣體,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(rèn)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(dá)700高壓渦輪工作葉片結(jié)構(gòu)圖

圖79示出近1/4世紀(jì)中,羅·羅公司RB211系列發(fā)動機(jī)冷卻葉片的發(fā)展過程,圖中還示出葉片的毛坯性質(zhì),除1972年的 RB21122B采用鍛造葉片外,其余全是精鑄葉片。1983年開始采用定向結(jié)晶葉片直到目前。

圖79 羅·羅公司1972~1997年間渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的變遷

圖80示出普惠公司從1988年到1995年間三種發(fā)動機(jī)的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)。由圖80可以看出,其冷卻結(jié)構(gòu)也是越來越復(fù)雜。1988年投入使用的PW4056采用的是普惠公司第一代單晶材料;分別于1989年與1995年6月投入使用的 V2500與PW4084則采用了該公司第二代單晶材料。而用于 PW4090的則是該公司第三代單晶材料 PWA1496,表面涂層也改用了PWA272 2。

圖80、普惠公司1988~1995年間發(fā)展的三種冷卻葉片

中間葉根

在早期發(fā)動機(jī)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(jì)60年代以后發(fā)展的發(fā)動機(jī)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。

渦輪葉片采用中間葉根后,可以減小榫頭應(yīng)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(yīng)力集中。通常在中間葉根處引冷卻空氣進(jìn)行冷卻,或?qū)⒅虚g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(qū)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(qiáng)度,減小了輪盤的熱應(yīng)力,從而可減薄輪盤的厚度,減輕輪盤及整個轉(zhuǎn)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(chǎn)的“達(dá)特”渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī),渦輪工作葉片未采用中間葉根,在發(fā)展改型中,提高了渦輪前燃?xì)鉁囟?葉片采用了通空氣進(jìn)行冷卻并帶葉冠的設(shè)計(jì),為了便于冷卻空氣進(jìn)入葉身,采用了中間葉根。

圖67示出改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)的對比。改進(jìn)后,燃?xì)鉁囟忍岣吡?0℃,工作葉片由于采用了葉冠與中間葉根,增加了葉片數(shù)目,葉片總重量比改進(jìn)前增加了37.5%,但由于中間葉根降低了輪緣溫度,使輪盤的熱應(yīng)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(jìn)前降低了34%。這一事例充分說明采用中間葉根后帶來的好處,因而得到廣泛采用。

4.4 葉片在輪盤中的鎖定

如壓氣機(jī)的工作葉片需在輪盤榫槽中鎖定一樣,渦輪工作葉片也需采用可靠的措施,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(fā)動機(jī)中采用的,在葉根一端帶凸肩,另端用鎖片鎖定。

(b)所示為 WP6發(fā)動機(jī)中采用的,在葉根底部開橫槽,裝上鎖片在兩側(cè)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(huán)的封嚴(yán)環(huán)上,后端用鎖片鎖定。

(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(fā)動機(jī)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(dāng)葉片裝入榫槽后,將鉚釘插入此兩半圓孔組成的圓孔中并在前端沖鉚,葉片即在輪盤中鎖定。

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

圖69、斯貝高壓渦輪結(jié)構(gòu)圖

這種鎖定方法目前采用得最為廣泛,因?yàn)檫@種鎖板還起到防止進(jìn)入中間葉根的冷卻空氣向后流動的作用,對于采用空氣冷卻的葉片非常有利。圖69示出的斯貝發(fā)動機(jī)高壓渦輪結(jié)構(gòu)圖,它的1級與2級工作葉片均采用了鎖板鎖定裝置,是一種比較典型的設(shè)計(jì)。

在 GE公司研制的幾型發(fā)動機(jī)中,高壓渦輪一般均采用固定于輪盤前后的封氣盤來鎖定葉片,圖70所示為CF680E1高壓渦輪的結(jié)構(gòu),由圖70可以看出,前后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(fā)動機(jī)也是采用這種結(jié)構(gòu)。

由于在輪緣處開了多個小孔(一般是與葉片數(shù)相同),對輪盤強(qiáng)度削弱較多,另外,外露的螺栓頭與螺帽在高速旋轉(zhuǎn)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(jì)80年代后期改進(jìn)的CFM565與新研制的如 GE90發(fā)動機(jī)中,前后封氣盤采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。

圖70 、CF6 80E1高壓渦輪結(jié)構(gòu)圖

在 GE公司研制的F404發(fā)動機(jī),前后封氣盤用螺釘固定于輪盤上向前后伸出的凸環(huán)上,如圖71所示。這種結(jié)構(gòu)可以消除在輪盤本體上開孔的缺點(diǎn),但螺栓頭仍有攪風(fēng)加溫的作用,且輪盤的重量會增加。

4.5 渦輪的整體葉盤

圖71、F404高壓渦輪葉片與盤的連接

整體葉盤也在渦輪中采用過,早期的一些小型渦軸與渦槳發(fā)動機(jī)的渦輪,曾采用過將工作葉片與輪盤整體鑄成,如圖72所示的法國透默ⅢC發(fā)動機(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子。

但是,由于渦輪轉(zhuǎn)子中,工作葉片與輪盤的工作溫度相差較大,工作葉片需用耐高溫強(qiáng)度好的材料,而輪盤的工作溫度較低,所用材料比葉片的材料要差許多,因而也較便宜。將葉片與盤鑄成整體,則輪盤也勢必采用價昂的能耐更高溫的好材料。這樣,從合理與充分利用材料性能以及從經(jīng)濟(jì)上看都是不合適的。

圖72、透默ⅢC發(fā)動機(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

為克服這一缺點(diǎn),目前已發(fā)展了雙材料的整體葉盤結(jié)構(gòu),如圖73所示,它是將葉片以及與相連的環(huán)帶用葉片材料精鑄出來,輪盤用制盤的材料利用粉末冶金的方法加工出來,然后兩者間用擴(kuò)散連接法連接成一體。這種雙金屬整體葉盤已在一些小型渦輪機(jī)中采用。

4.6 葉片用的減振阻尼塊

圖73、兩種材料組成的渦輪整體葉盤

在葉片中間葉根處加裝減振用的阻尼塊,能較好地解決葉片振動問題,當(dāng)葉片受到激振力產(chǎn)生振動時,阻尼塊與中間葉根間產(chǎn)生摩擦吸收振動能量而起到減振作用,一般可將振動應(yīng)力降低50%~60%。圖74所示為典型的一種減振阻尼塊。

在 RB211 535E4與 524G/H中,高壓渦輪工作葉片雖然采用了葉冠,但仍然在中間葉根處采用減振阻尼塊。

圖74、渦輪葉片中的減振阻尼塊

拓展知識：