渦輪工作葉片用榫頭(葉根)和渦輪盤連接,榫頭是發動機中負荷較大的部分,一般發動機1個葉片榫頭所承受的離心力高達100~150kN（約合15噸）,榫頭又處于高溫下工作,材料的機械性能大大降低,因此,在使用中榫頭容易出現故障,需十分注意其結構和強度設計。

現代航空發動機的渦輪中最廣泛采用的是枞樹形榫頭,如圖61與圖62所示,榫頭呈上大下小的楔形,兩側做有對稱分布的梯形或半圓形榫齒。輪盤輪緣上開有同樣型面的榫槽。工作時,葉片的離心力迫使榫頭的所有齒的支撐表面壓在輪盤的榫齒上。

圖62、渦輪葉片的枞樹形榫根

在葉片的離心力和彎曲力矩的作用下,榫齒承受着剪切和彎曲,齒的工作表面承受擠壓,榫頭各截面承受拉伸。榫頭上的榫齒一般做成2~6對,原蘇制發動機中,多采用多齒,而英美發動機中則多采用少齒。榫齒一般不宜過多,否則不易保證各齒間負荷均勻。圖63示出的是一個典型的5對齒的縱樹形榫頭。

輪盤的榫槽由拉削加工,葉片的榫頭則由銑、磨加工或由拉削加工。

圖63、枞樹形榫根與榫槽的配合

枞樹形榫頭有下述優點:

(1)材料利用合理。葉片榫頭呈楔形,輪緣的榫槽呈倒楔形,從各截面承受拉伸應力的角度看,材料利用合理,因而重量輕。

(2)周向尺寸小。榫頭在輪緣所占的周向尺寸較小,因而可以在輪盤上安裝較多的葉片。

(3)間隙配合。這種榫頭有間隙地插入榫槽内,允許輪緣受熱後能自由膨脹,因而可減小連接處的熱應力。

(4)自動定心。由于有裝配間隙,在低轉速時葉片,以在榫槽内有一定相互移動 起到一些振動阻尼作用并可自動定心,減小了離心力所引起的附加彎矩。

(5)空氣可由間隙流過。可以加大葉片榫頭和輪盤榫槽非支承表面間的間隙,可使冷卻空氣流過,對榫頭和輪緣進行冷卻,并可減少葉片傳向輪盤的熱量,使輪盤輪緣溫度降低,能減小輪盤的熱應力。

(6)裝拆方便。裝拆葉片較為方便,且便于更換葉片。

圖64、幾種形式的枞樹形榫根

枞樹形榫頭也存在着一些缺點,主要是:

(1)應力集中。由于榫齒圓角半徑小,應力集中現象嚴重,容易出現疲勞裂紋甚至折斷等故障。

(2)加工精度要求高。為使各榫齒能均勻受力,必須提高齒距與角度等榫齒幾何尺寸及位置的加工精度。這點對于壓氣機工作葉片尤為重要(有少數近代發動機壓氣機葉片采用了枞樹形榫頭),在渦輪中,由于榫齒處工作溫度較高,榫頭和榫槽産生塑性變形,由加工誤差所引起的應力分布不均勻問題将會得到一定的緩和。

為克服上述缺點,美英發動機中多采用齒數少與圓角大的半圓形榫齒,如圖64(c)所示,這種榫齒不僅可以減少應力不均勻及應力集中問題,而且熱接觸面積也比常規榫齒大,易使葉片上的熱量散走。

圖65、CF6 6高壓渦輪工作葉片

在有些發動機(例如 GE公司的J79與 CF6 6發動機,我國的 WJ5發動機)中将每個葉片的榫頭隻做成常規榫頭的一半,而輪盤的榫槽做成與常規的一樣,将兩片葉片合裝于1個榫槽中,如圖64(d)所示。

這種稱為雙榫根的結構,由于在工作中兩個榫頭結合面相互壓緊,在葉片出現振動時,利用此兩個結合面間的相互摩擦以吸收振動能量達到對葉片的減振的作用。圖65所示的葉片為CF66的渦輪葉片,是一種典型的雙榫根葉片。

4.1.2 切角葉片

為了解決葉片振動問題,有時可在葉片葉尖的排氣邊緣處切去一部分材料,如圖58所示,這時可稱為切角葉片,葉片切角後,可以改變葉片的自振頻率。 當工作葉片設計的自振頻率與在某工況下的激振頻率相近時,為避免在工作中葉片出現危險的共振,這時,可采取切角以提高自振頻率。

當葉片設計成可以切角時,應規定最大的切角範圍,避免切角太大影響渦輪效率。

在有的發動機中,壓氣機工作葉片也允許切角,甚至在葉片的前緣也允許在小範圍中切角,例如羅·羅公司的“康維”發動機的壓氣機各級中前後緣處均有切角葉片。

另外,渦輪工作葉片後緣比較薄,當葉片出現某種振動時,容易在此處産生很大的交變應力;同時,葉片在高溫燃氣包圍下,葉片溫度高,材料的疲勞強度極限下降,因此,葉片在葉尖尾。

圖58用于調頻的切角葉片

緣區易出現裂紋或斷裂等故障 采用切角措施也可避免這種故障的發生,采用切角的附帶好處是可減少葉片根部的強度。

4.1.3 葉片帶箍環

在某些發動機例如 WP7低壓渦輪與一些地面燃氣渦輪機組的低壓渦輪中,葉片比較長,易出現振動問題,采取了在葉身中裝上減振用的箍環。圖59所示即為 WP7低壓渦輪葉片的結構,它是在葉片1/4葉高處加環形箍環的。箍環由若幹個(葉片數目的1/2)箍棒與箍套組成,箍套兩端分别插入兩個葉片葉身上的孔内,箍棒兩端也分别插入兩箍套的孔中,連成整個環,相互間均以間隙配合。

葉片通過箍環相互牽制,既可提高葉片的頻率,又可減小葉根的彎曲應力。當葉片産生振動時,箍棒和箍套間産生相互移動,形成摩擦阻尼,吸收葉片組的振動能量。葉身上鑽孔處為保證有足夠的強度,局部需加厚。

顯然,由于有箍環與局部加厚會降低渦輪的效率,且會加大葉身與葉根的離心負荷,箍環處于高溫燃氣流中,本身受到較大的離心力,也需采取措施以确保其工作可靠性。因此,這種減振措施雖具有較好減振效果,但實際采用的并不多,特别是在發展了帶冠葉片後。

4.1.4 變功量、可控渦設計的葉片

通常,燃氣流在導向器葉片與工作葉片間的環形通道中,是按自由渦即Cu·R=常數(Cu氣流的切向分速,R環形通道内的半徑)設計的,燃氣流在工作葉片的做功量沿葉高基本是相等,即沿葉高等功量設計。

這種設計,對于短葉片還是能基本滿足要求的,但是,對于長葉片而言就不合适了。因為在長葉片中,葉尖與葉根直徑相差較大,也即由于轉子旋轉時在葉尖與葉根處的切向速度差較大。

燃氣對葉片的加功量是正比于葉片的切線速度,葉尖切線速度大,應該對葉片多做功,但在采用等功量設計時,隻能按平均葉高處的切線速度來做功,因而葉尖處的做功能力沒有充分利用,也即渦輪級數要加多。

相反,葉根處切線速度小,但此時硬要它超負荷地做功,會使效率降低。因此,常規的等功量設計中,對于長葉片而言,渦輪的級數要多且效率要低。

由于電子計算機的快速發展,因此,可以采用可控渦的變功量設計,即葉尖處加功量多,葉根加功量少,例如JT9D-7R4的低壓渦輪設計中,由于采用了變功量設計,使級數少了兩級,效率提高了兩個百分點。RB211發動機中也采用了這種方法。

在采用變功量設計時,燃氣流在導向器葉片與工作葉片間的環形通道中不是遵循Cu·R=常數的規律,而是根據需要來控制的,圖60示出了等功量與變功量這兩種設計的比較。

由圖60可以看出。進入工作葉片的氣流角度在葉尖與葉根間的變化規律;葉根葉尖處葉型的不同之處以及采用變功量設計後,葉身變厚許多。

圖60、常規的等功量與變功量設計的比較

4.1.5 正交葉片

現有高涵道比渦扇發動機中,低壓渦輪一般均在4級以上,多的可達7級。氣流通道呈較大擴散角的擴散形,如葉片做成沿徑向方向的,則在葉身上部與下部燃氣流與葉身不是直角相交,會對效率有些影響。

為此,可采用正交葉片設計,将葉片沿徑向做成彎曲的,使葉片上下部均與氣流垂直。羅·羅公司發展的遄達700與遄達800的低壓渦輪就采用了這種正交設計,如圖9所示。由強度觀點看,這種設計顯然是不利的,因為葉身中部、根部除承受離心拉伸力外,還作用一附加彎矩。

圖61、典型的渦輪葉片與輪盤的連接

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!