1概述
通常,压气机及风扇的工作叶片(即转子叶片)均用其叶身下的榫头(多为燕尾形)装于轮盘轮缘的榫槽中,再用锁紧装置将叶片锁定于轮盘中。
20世纪80年代中期,在航空发动机结构设计方面,出现了一种称之为“整体叶盘”或简称“叶盘”(Blisk)的结构。它是将工作叶片和轮盘做成一体,省去了连接用的榫头、榫槽,使结构大为简化。
整体叶盘的英文名词Blisk是由叶片blade的前两个字母与轮盘disk后三个字母组合在一起形成的一个新词,它较形象地表达了这种结构的特点,即它是一种合二(叶片、轮盘)为一(整体叶盘)的结构。
在压气机中,叶片与轮盘做成一体,并不是近期的设计,早在20世纪60~70年代研制的一些小型发动机的轴流离心组合式压气机中,为了简化轴流压气机转子的结构,减轻重量,其叶片多做成小展弦比、片数少,这时常将叶片和轮盘做成一体。
例如美国特里达因CAE分公司(当年为大陆公司航空工程分部)于20世纪50年代按法国透博梅卡公司专利仿制玛尔波2型涡轮喷气发动机,并命名为J69T25,其推力为daN;随后,在60年代初期发展了该发动机的推力增大型J69T29,推力增加到daN。
为了提高推力所采用的主要措施是在离心式压气机前增加一级轴流式压气机以提高增压比与空气流量,如图1所示。这个新增加的轴流压气机转子直径约为mm,共有17片叶片,它的叶片、轮盘与轴即做成一体,既可用PH沉淀硬化不锈钢精铸后经抛光而成,也可用合金钢锻制后经机械加工而成。
又如,法国透博梅卡公司于20世纪70年代初期开始研制并于年投入使用的阿赫耶发动机,如图2所示。其压气机采用了1级轴流与1级离心式压气机组合的混合式压气机,轴流式压气机转子的叶片与轮盘即做成一体,是用TA6VPQ钛合金锻制后在5坐标数控铣床上铣削加工而成。
图1J69T29发动机结构图对于这些小型发动机轴流压气机中采用的叶片与轮盘做成一体的结构,由于直径小、叶片数少,当时均称它们为“整体转子”;后来,加拿大普惠公司则称它们为“带叶片的整体转子”
图2阿赫耶发动机结构图(IntegralyBladedRotor,IBR)。例如,该公司于年开始研制的、推力为11.58~17.26kN的小型涡扇发动机PW系列(如图3所示),其第1个型号PW(推力为11.58kN)
已于年12月取得适航证,它的风扇转子及高压压气机中的2级轴流转子(高压压气机由2级轴流与1级离心压气机组成)均将叶片与轮盘做成一体;年12月取得适航证的PW系列第2个型号PW.(推力为17.26kN)在风扇后增加了一级增压(低压)压气机,
该型发动机除风扇转子与2级高压压气机外,增加的1级增压压气机的转子也做成整体的,该公司均称这些转子为IBR,而未称它们为Blisk。由此可以看出整体叶盘是指那些直径较大、叶片数多的将叶片与轮盘做成一体的结构。但实际上对于一些小型发动机的转子,很难分出是属于带叶片的整体转子IBR,还是属于整体叶盘Blisk。
图3PW系列发动机结构图但是,不论如何称呼这种将叶片与轮盘做成一体的结构,它们的特点是相同的,为了叙述方便,在以下分析中,均用整体叶盘Blisk的名称,且偏重于直径较大、叶片数多的结构。
2整体叶盘结构设计特点
将叶片与轮盘做成一体后,首先轮盘的轮缘处不需加工出安装叶片的榫槽,因而轮缘的径向厚度可以大大减小,从而使转子重量减轻。
例如,F发动机中的第2、3级风扇转子采用整体叶盘后,使转子重量减轻20.43kg,转子重量减轻后,将会对整台发动机减重起到较大作用(F发动机与其原型机F相比,推重比由7.5提高到9.0);罗·罗公司的研究指出,采用整体叶盘结构与传统的叶片轮盘结构相比,重量最多可减少50%,若采用金属基复合材料(MMC)的整体叶环(Bling),则可减重70%,如图4所示。
其次,使发动机零件数目大大减小,这不仅是由于叶片与轮盘做成一体而得到的,而且也是由于减少了每片叶片的锁紧装置而获得的。前述的F发动机,高压压气机前3级也采用了整体叶盘,即它共用了5级整体叶盘,使发动机零件数减少了件,这的确是一个不小的数目,零件数减少,不仅使成本降低,而且也可以提高发动机的可靠性。
另外,采用整体叶盘还可以消除在常规用榫头连接叶片与轮盘的结构中,气流在榫头与榫槽缝隙中逸流所造成的损失,还可以避免由于装配不当或榫头的磨蚀,特别是微动磨蚀、裂纹及锁片损坏等带来的故障。
由于整体叶盘有这些特点,因而自EJ发动机采用后,已被一些现代的军民用发动机采用,特别是最近几年推广及使用更为迅速。
为什么在小发动机中,早在20世纪60年代就推广整体转子,而整体叶盘却迟迟不能出现,这主要有两个问题,其一是加工问题,对于小尺寸、叶片数目少的转子,既可以用精密铸造加工,也可以用锻件在5坐标数控铣床上加工,但对于大尺寸、多叶片的整体转子却较难用上述方法来加工;其次是如何保证损坏1片或几片叶片后,不会带来过大损失的问题。
工作叶片常常会在工作中被外来物打伤,造成卷边、开裂、掉块,或由于振动而造成的裂纹等。在用榫头连接的结构中,可以更换单个损坏的或有缺陷的叶片,而整体转子却不能更换叶片,因此,有可能因1片叶片损坏而使整个整体叶盘报废。
综上所述,如果不解决这两个问题,整体叶盘这一具有特殊意义的结构,很难得到广泛应用的。
图4、整体叶盘、叶环减重效果简图在验证机上,高压压气机采用了两排可调静子叶片,即0级与1级。0级即进口可调叶片内环处不带内缘板,仅有轴销,在原型机上可调静子叶片改为一排(进口导流叶片),这是由于在验证机试验中发现压气机仅用一排可调静子叶片就能满足在各种转速下压气机有较好的稳定工作能力;另外进口导流叶片在原型机上改为内环处带内缘板,这是为了增加抗击外物打击的能力。试验中改型的进口导流叶片承受了吸入两只鸟的打击而未损坏的考验。
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3.2悬臂静子叶片改为内环处带内缘板
验证机中,高压压气机各排静子叶片均采用悬臂结构,即内径处不带内缘板,在原型机阶段,将静子叶片改为带内缘板的,且4片焊在一起形成静子叶片扇形段,其内径处钎焊上蜂窝封严环带。采用这种结构可以避免在大的过载下转子有较大弯曲变形时,或者发动机由于轴
承损坏造成严重故障时,静子叶片与转子鼓筒间发生摩擦,甚至导致静子叶片切入鼓筒事故的发生。
为降低静子叶片生产成本,在原型机阶段对静子叶片做了大的改进。在原型机初始设计中,带内外缘板的静子叶片是单个地用电化学加工出来的,然后4个叶片钎焊成一扇形段。
图10、钎焊再切成扇形段的静子组件这种加工方法既费工又昂贵。在改进中,将不带外内缘板的叶片插入开有叶型槽的内外两个环形件中,环上的叶型槽是用激光加工出来的,在所有叶片插入环形件后再送入真空炉中加温钎焊,然后将焊好的组件切割成一段一段的4个叶片组的扇形段,如图10所示。
3.3双层机匣
EJ发动机中,高压压气机4~5级机匣做成双层的,这是现代高总压比发动机中惯用的设计。因为沿发动机轴线看,高压压气机后几级机匣是内涵机匣中直径最小处,俗称之为“缩腰”。
发动机出现缩腰后使纵向刚性变弱,在飞机作机动飞行时,机匣会变形造成后几级处叶尖间隙沿圆周不均匀,甚至出现叶尖碰磨机匣。为此,绝大多数发动机均在缩腰处做成双层机匣,内机匣仅作为气流的包容环及固定静子叶片的环形件,承受气动负荷;外机匣则作为承力结构,一般均将直径加大很多以增加发动机的纵向刚性。
在验证机中,1~3级机匣做成单层的;但在验证机、生产型发动机中采用了双层结构。这是为了减少发动机在承受过大的机动载荷时不会对叶尖间隙产生不良的影响。为了保持每一级沿圆周有较均匀的叶尖间隙,内机匣做成整环形的,沿轴线则做成一段一段的,各段间用短螺柱连接。
4~5级内机匣做成三角形的结构,以加大缩腰处的纵向刚性。为了便于装配,静子叶片做成带安装边的扇形段(如图10所示),挂在内机匣内的固定环上,即涡轮中常用的“挂钩式”安装方式。
图11、钛合金机匣结构图3.4防钛火设计
高压压气机外机匣采用钛合金制成,内机匣中,除第5级采用Incoly合金外,其余4级机匣均由钛合金制成,由于这4级的叶片也采用了钛合金,这就容易引起钛着火的严重问题。
为避免钛火的发生,在钛机匣内径对应工作叶片的环形带上,设有防钛火的氧化锆陶瓷涂层作为保护装置;其内还涂有易磨涂层,其结构如图11所示。
高压压气机中采用钛合金机匣时,须处理好防钛火问题及提高包容性问题,机匣做成双层结构,自然解决了压气机的包容性问题。