航空發(fā)動機(jī)葉片

1、發(fā)動機(jī)葉片一、 發(fā)動機(jī)與飛機(jī)1. 發(fā)動機(jī)種類1）渦輪噴氣發(fā)動機(jī)（WP） WP5、WP6、WP7、WP132）渦輪螺槳發(fā)動機(jī)（WJ） WJ5、WJ6、WJ73）渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)（WS） WS9、WS10、WS114）渦輪軸發(fā)動機(jī)（WZ） WZ5、WZ6、WZ8、WZ95）活塞發(fā)動機(jī)（HS） HS5、HS6、HS92. 發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒和渦輪三大部件以及燃 油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、進(jìn)排氣邊系統(tǒng)及軸承 傳力系統(tǒng)等組成。（發(fā)動機(jī)的整體構(gòu)造如下圖1）三大部件中除燃 燒外的壓氣機(jī)與渦輪都是由轉(zhuǎn)子和靜子構(gòu)成，靜子由內(nèi)、外機(jī)匣 和導(dǎo)向（整流）葉片構(gòu)成；轉(zhuǎn)子由葉片盤

2、、軸及軸承構(gòu)成，其中葉片數(shù)量最多（見表15）高壓壓氣機(jī)高壓渦輪加力燃燒室發(fā)動機(jī)的整體結(jié)構(gòu)3. 發(fā)動機(jī)工作原理及熱處理過程工作原理：發(fā)動機(jī)將大量的燃料燃燒產(chǎn)生的熱能，勢能給渦 輪導(dǎo)向器斜切口膨脹產(chǎn)生大量的動能，其一部分轉(zhuǎn)換成機(jī)械功驅(qū) 動壓氣機(jī)和附件，剩余能由尾噴管膨脹加速產(chǎn)生推力。熱力過程：用p-u或T-S圖來表示發(fā)動機(jī)的熱力過程：圖1發(fā)動機(jī)等壓加熱理想循環(huán)4. 飛機(jī)與發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的動力，也是飛機(jī)的心臟，不同用途的飛機(jī)配備 不同種類的發(fā)動機(jī)。如：1) 軍民用運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)、客機(jī)、裝用 WJ、WS、WP類發(fā) 動機(jī)。2) 強(qiáng)擊機(jī)、殲擊機(jī)、教練機(jī)、偵察機(jī)、裝用WP、WS、HS類發(fā)動機(jī)。3) 軍民

3、用直升機(jī)裝用 WZ類發(fā)動機(jī)。二、葉片在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中葉片無論是壓氣機(jī)葉片還是渦輪葉片，它們的數(shù)量最多，而發(fā)動機(jī)就是依靠這眾多的葉片完成對氣體的 壓縮和膨脹以及以最高的效率產(chǎn)生強(qiáng)大的動力來推動飛機(jī)前進(jìn)的 工作。葉片是一種特殊的零件，它的數(shù)量多，形狀復(fù)雜，要求高， 加工難度大，而且是故障多發(fā)的零件，一直以來各發(fā)動機(jī)廠的生 產(chǎn)的關(guān)鍵，因此對其投入的人力、物力、財力都是比較大的，而 且國內(nèi)外發(fā)動機(jī)廠家正以最大的努力來提高葉片的性能，生產(chǎn)能 力及質(zhì)量滿足需要。1.葉片為什么一定要扭在流道中，由于在不同的半徑上，圓周速度是不同的，因此 在不同的半徑基元級中，氣流的攻角相差極大，在葉尖、由于圓 周速度最大

4、，造成很大的正攻角，結(jié)果使葉型葉背產(chǎn)生嚴(yán)重的氣 流分離；在葉根，由于圓周速度最小，造成很大的負(fù)攻角，結(jié)果 使葉型的葉盆產(chǎn)生嚴(yán)重的氣流分離。因此，對于直葉片來說。除 了最近中徑處的一部分還能工作之外，其余部分都會產(chǎn)生嚴(yán)重的 氣流分離，也就是說，用直葉片工作的壓氣機(jī)或渦輪，其效率極 其低劣的，甚至?xí)_(dá)到根本無法運(yùn)轉(zhuǎn)的地步。發(fā)動機(jī)葉片數(shù)量統(tǒng)計如下（以 WJ6、WS11為例）表：1. WJ6壓氣機(jī)葉片數(shù)量見表1表1級123 45678丿910工作 葉片25313545535353515161458整流 葉片34404462 627474747482620597179107115127127125125

5、1431078渦輪葉片數(shù)量見表2表2級123藝工作葉片1068682274導(dǎo)向葉片465054150152136 136424發(fā)動機(jī)葉片總數(shù) 1078+424=15021502X 500=751000按平均價格500元/片，總產(chǎn)值億壓氣機(jī)葉片總數(shù)見表3表3級123456789后工作 葉片394951615973777979567整流 葉片5058626670727676100100730891071131271291451531551791001297風(fēng)扇葉片數(shù)量見表4表4級123藝工作葉片22272978整流葉片343644114566373192/渦輪葉片數(shù)量見表5表5級高壓、低壓1低壓2

6、/藝工作葉片9011094294整流葉片5183/79213141193/173507葉片總數(shù)1297+192+507=1996按300臺計2000X 300=600000 片按500元/片計價共計產(chǎn)值3億元。2.葉片的工作原理1）壓氣機(jī)葉片顧名思義，壓氣機(jī)是用來“壓氣”地，把進(jìn)口大氣壓Ph=1的壓力壓到出口處的所需要的壓力我們下圖來分析其壓縮的原理：圖2壓氣機(jī)流道圖圖3基元級葉柵通道氣體在圖2中的流道內(nèi)由于其容積越來越小而將氣體的壓力 “憋”得越來越高。在圖2中由于葉柵通道內(nèi)的相對運(yùn)動中截面積擴(kuò)大， 引起速度下降，3 1 >3 2,氣流的動能減少，減少的動能大部分轉(zhuǎn)化為 氣流的壓力能，

7、從而使氣流的壓力提高Pl > P2。工作輪的任務(wù)不僅要 提高壓力，而且要不斷給氣流假如輪緣功Lu使氣流不斷的被壓縮。壓氣機(jī)葉片中有工作葉片和整流葉片之分，工作葉片是隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 的，而整流葉片是靜止不動，給工作葉片進(jìn)口或出口紊亂的氣流進(jìn)行 整理使氣流有序的流動減少流動損失。氣流在整流葉片中同樣是增壓 過程。壓氣機(jī)的級數(shù)往往有很多級，這是因為它的級增壓比不高，一般 在左右，要將氣流壓力提高到很高，則需很多級來完成?？倝罕扰c級 壓比的關(guān)系是n n = n nI n KII n KIIIn Kn壓氣機(jī)級數(shù)一般都是8級以上。2）渦輪葉片通過渦輪的流程通道和基元級葉片葉柵通道的結(jié)構(gòu)型式來分析渦輪葉

8、片的工作原理圖5渦輪基元葉柵通道從圖3和圖2可看出其氣流進(jìn)出口的狀態(tài)正好相反。氣流流過圖3的流道時由于面積越來越大而壓力越來越低。這是由于氣流流過葉柵通道FiCA和F2PK膨脹過程中的壓力下降很快所需要的容積。 其原理為：由于渦輪葉片進(jìn)口面積 Fz大于出口面積，同樣工作葉片也是如此。從燃燒室中流出的燃?xì)馑俣炔桓?，約100m/s,進(jìn)入渦輪葉片后由于葉柵通道是收斂的，燃?xì)庠诔隹谔帲‵iCA）膨脹，使氣流的溫 度、壓力大弧度下降，使出口速度G（3 2）大弧度上升可過600m/s, 接近音速，從而走到和完成熱能、壓力能轉(zhuǎn)換為動能，又由動能轉(zhuǎn)換 為機(jī)械能。渦輪總落壓比與落壓比的關(guān)系如下式：*n t= n

9、 ti n 利n Tn渦輪級數(shù)比壓氣機(jī)少，有單級、雙級，大發(fā)到 6級3葉片的幾何尺寸(1) 壓氣機(jī)葉片i 進(jìn)氣攻角(B ik (3 1)v安裝角3 ik進(jìn)氣構(gòu)造角t柵距3 i 進(jìn)氣氣流角3 2K排氣構(gòu)造角Cmax 最大厚度Rq前緣圓半徑3 2排氣氣流角s 落后角s軸向?qū)挾萣弦長在設(shè)計中需重點控制的參數(shù)如下:Rn 后緣圓半徑B葉片彎角b/t 葉片稠度(a) .Cmax應(yīng)控制在葉尖為Cmax/b二；而葉根則為：Cmax/b=(b) .i應(yīng)控制前幾級0-2°，后幾級為12°。(C).Rq、Rn可按下曲線計算得出：圖7葉片前后圓半徑的求法方法：根據(jù)Cmax及b查出Rq/b、Rn/b

10、然后計算出Rq、Rn。(2)渦輪葉片渦輪葉柵平面參數(shù)分壓氣機(jī)葉片相同。注：壓氣機(jī)工作葉片、整流葉片、渦輪工作葉片、導(dǎo)向葉片的葉 片平面葉柵構(gòu)造參數(shù)相同。4葉片的連接方式 無論是壓氣機(jī)葉片還是渦輪葉片，是工作葉片還是導(dǎo)向葉片 都必須安裝在發(fā)動機(jī)上使其能工作而且還要牢固，所有發(fā)動機(jī)的 葉片安裝方法大致有以下幾種：4) 壓氣機(jī)工作葉片壓氣機(jī)工作葉片的下部帶有燕尾榫頭安裝在帶有燕尾榫槽的 輪盤上，如圖示：圖8燕尾型榫頭槽口聯(lián)接另一種用圓柱銷聯(lián)接如圖示5) 壓氣機(jī)的整流葉片整流葉片是靜止不動的，因此它將葉片焊在內(nèi)、外環(huán)中如圖:圖10整流葉片與內(nèi)外環(huán)組的整流環(huán)6) 渦輪工作葉片渦輪工作葉片都帶有榫頭裝在帶

11、有榫槽的渦輪盤上，如圖示:7) 渦輪導(dǎo)向葉片渦輪導(dǎo)向葉片大多用掛鉤渦輪導(dǎo)向葉片大多用掛鉤的形式與機(jī)匣聯(lián)接如圖12所示:圖12導(dǎo)向葉片與機(jī)匣 聯(lián)接方式5.葉片的工作條件壓氣機(jī)葉片含風(fēng)扇葉片屬于冷端部件的零件， 除最后幾級由于高壓下與氣體的摩擦產(chǎn)生熵增而使溫度升高到約600K(327° C),其余溫度不高，進(jìn)口處在高空還需防結(jié)冰。工作前面幾級由于葉片長以離 心負(fù)荷為主，后面幾級由于溫度以熱負(fù)荷為主。 總之壓氣機(jī)葉片使用 壽命較長。葉片的使用的材料一般為鋁合金、鈦合金、鐵基不銹鋼等 材料。渦輪是在燃燒室后面的一個高溫部件，燃燒室排出的高溫高壓燃 氣流經(jīng)流道流過渦輪，所有葉片恰好都是暴露在流

12、道中必須承受約 1000° C的高溫1Mpa的以上高壓燃?xì)獾臎_刷下能正常工作。因此葉 片應(yīng)有足夠的耐高溫和高壓的強(qiáng)度。渦輪葉片的使用壽命遠(yuǎn)低于壓氣 機(jī)葉片約2500h。葉片的最大應(yīng)力點如圖13示，n圖13葉型應(yīng)力分布示意圖其應(yīng)力分布為C>A>B; C、A的應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，B為壓應(yīng)力， 壓氣機(jī)葉片與其相同。這是轉(zhuǎn)子葉片，靜子葉片只承受熱應(yīng)力及彎曲 應(yīng)力，沒有離心應(yīng)力。葉片使用的材料一般為高溫鑄造合金如 K403、 K424等、和高溫合金如 GH4133等，溫下高強(qiáng)度材料。三、葉片加工與控制1.加工葉片的加工分兩大部分：一部分為葉片型面加工，一部分為榫頭加工及緣板加工：壓氣機(jī)

13、工作葉片的型面是用高能高速熱擠 壓成型后經(jīng)拋光而成；整流葉片是由冷軋成型經(jīng)拋光而成。渦輪 葉片的葉型，無論是工作葉片還是導(dǎo)向葉片均為鑄件者都是型面 沒有余量精密鑄造件都是大余量經(jīng)數(shù)銑、拋光而成。壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片的榫頭及上、下緣板尺寸為機(jī)械加工 而成。前面講過在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的所有零件中唯有葉片的故障 率是最高的，造成機(jī)毀人亡的事故也時有發(fā)生。這是因為葉片的 數(shù)量多，工序多、周期長、要求高，加工難度大，加工過程中的形狀、位置、燒傷、缺陷、碰傷、材質(zhì)轉(zhuǎn)工等過程控制中，難免 會出現(xiàn)失控的時候，給葉片（尤其是工作葉片）造成傷害，使其 帶病工作所致。因此，對葉片生產(chǎn)的全過程控制十分重要。2. 葉片的

14、質(zhì)量控制我們說控制葉片的質(zhì)量，主要是三個方面：a. 確保葉片設(shè)計強(qiáng)度不降低b. 確保發(fā)動機(jī)性能不降低c. 確保裝配性能好F面分別對造成上面三個方面的因素進(jìn)行分析：1）.造成葉片強(qiáng)度下降的因素有如下幾點：a. .葉片用材不當(dāng)b. 葉片疏松超標(biāo)3級以上c. 葉片剖面晶粒粗大 3級以上d. 有垂直于進(jìn)排氣邊的柱狀晶e. 根部葉型變薄f. 榫齒經(jīng)處以下到根部有細(xì)頸g. 進(jìn)排氣邊也有碰缺，嚴(yán)重的垂直進(jìn)排氣邊的嚴(yán)重劃傷，造成應(yīng) 力集中h. 根部截面葉型厚度，設(shè)計過薄不成比例i. 葉片受到嚴(yán)重腐蝕而未能加工掉j. 加工中燒傷k. 葉片重量偏大1.葉片滲層成形及厚度不合理2）.由于葉片加工不當(dāng)使發(fā)動機(jī)性能下降

15、的因素有如下幾點：a. 葉型表面粗糙度過低b. 葉片安裝角偏離設(shè)計值過大c. 葉片進(jìn)排氣邊圓半徑偏大不圓滑d. 進(jìn)氣攻角偏離設(shè)計值過大e. 葉片高度偏小f. 葉片重量偏大3. ）影響裝配的主要因素：a. 使用夾具不當(dāng)加大了加工誤差b. 尺寸測量方法不正確造成測量誤差c. 加工部位的形狀沒有保證如直線度、平面度等d. 加工應(yīng)力過大造成加工后變形e. 尺寸加工不到位，符合性差4）.強(qiáng)度、性能、裝配含義的定義強(qiáng)度 是指葉片在工作中由于上述因素（11個方面的因素） 降低了葉片的疲勞強(qiáng)度造成葉片裂紋、變形、折斷而導(dǎo)致故障， 這就是我們常說葉片的疲勞強(qiáng)度不足。性能是指發(fā)動機(jī)工作中出現(xiàn)燃油消耗高，排氣溫度高

16、，輸出功率低和喘振等故障，這就是我們所說發(fā)動機(jī)性能差，這就是 說以我們生產(chǎn)的葉片工作不匹配，原因只有兩個不足：設(shè)計水平 低，就是加工符合性差，也就是我們前面所說葉片平面葉柵幾何參數(shù)不合適，主要原因就是上面 6個方面因素所致。裝配 是指工作葉片安裝到輪盤上的聯(lián)接發(fā)生了困難，榫頭安裝不進(jìn)榫槽或間隙過大，葉片擺動量過大，或過小，軸向、徑 向凹凸不平；導(dǎo)向葉片的掛鉤插不進(jìn)機(jī)匣的環(huán)形鉤槽， 或者過緊， 或過松。周向、軸向、徑向、凹凸不平差別很大。這就是我們所 說裝配性能差。造成原因就是上面所述 5個方面的因素所致。3.加工1) 葉片型面加工目前國內(nèi)各發(fā)動機(jī)廠的葉片型面加工方法大體相同：壓氣機(jī)工作葉片：高

17、能高速錘熱擠壓成形，手工拋光而成。見圖壓氣機(jī)整流葉片：板材冷軋，手工拋光而成。見圖渦輪導(dǎo)向葉片：大多數(shù)為型面無余量精鑄而不需拋光， 有小部分型面有小余量，需經(jīng)拋光而成。見圖渦輪工作葉片：工作葉片溫度在600° C以上，大多數(shù)為型面無余量精鑄而成而不需拋光。工作溫度低于600° C。葉片的型面一 般為大余量鍛造，經(jīng)數(shù)控加工，電加工后，拋光而成見圖圖14壓氣機(jī)工作葉片圖15整流葉片圖16渦輪工作葉片圖17渦輪導(dǎo)向葉片前面所說過葉片的故障率較高，發(fā)生故障的因素也大多是如前所說的請多方面的因素。這些因素中絕大部分都是在加工中造成的，因此在葉片型面加工中注意以下事項： 中徑以下至葉根

18、的弦長上，厚度上不允許出如圖所示縮頸狀 葉型尤其是下緣板轉(zhuǎn)接處不允許燒傷 葉型各截面型保持光滑平整不允許高低不平 沿徑向波紋度應(yīng)線性度好不允許出現(xiàn)波紋狀 使用葉形公差均勻不允許增厚或減薄或偏擺 進(jìn)排氣邊圓半徑均勻、圓滑、不允許增大 保證葉片頻率合格誤差不大于5% 不允許增重2）冶金鑄造 不允許出現(xiàn)垂直于進(jìn)排氣邊的柱狀晶粒 .葉型剖面晶粒度不超過 .表面滲層不宜太厚是工作葉片一般控制在以下，不允許碰傷葉片。 .其余鑄造缺陷應(yīng)符合標(biāo)值。 .型面鑄造表面不允許大面積拋光。3）.上下緣板榫頭，榫齒的加工除壓氣機(jī)葉片外，所有渦輪葉片大多是使用鑄造高溫合金鑄 造而成，這些材料切削性能不好，加上斷續(xù)切削刀具極易磨損導(dǎo) 致?lián)p壞葉片。因此加工這些葉片特別時需選用好的刀具材料，好 的工藝方法，選擇好的切削量和切削速度。才能保證加工部分的 形狀與位置要求。應(yīng)特別注意無論是車削、銑削還是磨削千萬不 能燒傷葉片任何部位。4）鉗工（去毛刺）加工葉片：最后工序是去毛刺，這道工序也