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硬核航空 盘点早期航空发动机中应用整体叶盘结构和近40年整体叶盘应用情况 EJ200和F414发动机陈光谈航发225
作者:admin    发布于:2019-05-19 16:09   

  原标题:硬核航空 盘点早期航空发动机中应用整体叶盘结构和近40年整体叶盘应用情况 EJ200和F414发动机陈光谈航发225

  20世纪60~70年代的一些小型、采用混合式压气机的发动机中,为了▷•●简化结构,减少零件数目,常将轴流转子做▼▼▽●▽●成整体转子,特别是在一些小型涡轴、涡桨发动机中用得较多。例如:

  在采用整体转子的涡轴、涡桨发动机中,除T700 (CT7)为由美国GE公司研制的外,其他都是由法国透默梅卡(Turbomeca)公司或有透默梅卡公司参与合作的合资公司研制的。

  T700 (CT7)发动机如图5所示,研制工作始于1972年,1978年投产,它的压气机由5 级轴流与1级离心组成,其5级轴流转子全做成整体叶盘结构,用圆弧端齿联轴器与长螺杆将它们与离心转•☆■▲子连接成整体。早期的整体叶盘是用锻件在5坐标数控铣床上加工制成的,1985年后改用电化学加工(ECM)方法加工而成。

  由透默梅卡公司研制的或由有该公司参与研制的涡轴、涡桨发动机马基拉(如图6所示)、RTM322(如图7所示)以•●及阿赫耶、TM333、阿斯泰阻、巴斯特与透默阿斯泰阻4等,所用的钛制或钢制的整体轴流转子均采用锻件经机械加工而成。

  由加拿大普惠公司于20世纪50年代后期研制的PT6涡轴、涡桨发动机,几十年来发展了30余种型号,是目前生产得最多的一种系列发动机(截至1994年已生产24800台),该系列发动机中,均采用了混合式压气机。

  除PT6 65型为4级轴流压气◇=△▲机外,其他型号的轴流压气机均为3级,如图8所示。 在早期,PT6所有型号的轴流转子均做成常规的,即叶片用榫头固定于轮盘中,但是后来其3级轴流转子均采用了整体叶盘结构,且各个叶盘间均用电子束焊接在一起。

  在短寿命小型涡喷发动机中,第一种采用整体式轴流转子的是J69 T 29,它的后继机J402发动机如图9所示,是由J69 T 29 按比例缩小而成的,在J402中,轴流转子采用了J69的同样加工方法,即用174PH 不锈钢精铸而成。

  由美国威廉斯国际公司研制并于1976年投产的导弹用F107涡扇发动机,它的2级风扇(风扇直径约300mm)与2级低压压气机的转子,均用174PH不锈钢精铸成带叶片的整体转子。

  TRI60涡喷发动机如图10所示,是法国微型涡轮发动机公司于20世纪70年代中为无人靶机及导弹研制的小型短寿命发动机,其推力为350~400daN,空气流量为5.60~8.14kg/s,它的3级轴流式压气机全部用铝合金锻件经机械加工而成的整体叶盘,以减少成本。

  据现有资料分析,EJ200可能是在大型发动机中第1种采用整体叶盘的发动机,此发动机有3级风扇、5级高压压气机,其中第3级风扇与第1级高压压气机采用了整体叶盘。

  其整体叶盘是采用焊接方法加工的,即每个单片叶片用电子束焊焊到已加工好的轮盘外缘圆周上,从而形成了整体叶盘。1997年8月,作者在宝马一罗·罗公司了解到,EJ200的整体叶盘已改用5坐标数控铣床加工。

  在EJ200发动机(如图11所示)的结构设计中,为了尽可●能地减少外来物打伤整体叶盘叶片造成的损伤,接近发动机进气口的1、2级风扇未采用整体叶盘;在高压压气中,第2级后的叶片叶高小且片数多,采用环形燕尾槽来安装叶★△◁◁▽▼片还是比较方便;

  加上短叶片采用整体叶盘后,在减轻重量上收益不像在长叶片中显著,这是因为短叶片必定很薄,离心力较小,因而轮缘的径向厚度较小,原始重量本身就小,在换用整体叶盘后,减重效果当然逊色。

  例如,在F414发动机中,高压压气机前三级采用整体叶盘后,重量只减少3.632kg,与该发动机后两级风扇采用整体叶盘后减重20.43kg相比就不突出了;另外,多达数十片的叶片焊接也较困难,因此在高压压气机中只在第1级中采用整体叶盘。

  设计中考虑另◆▼一重要问题是叶片损坏的后果,在未发展出能在转子上对损坏部位进行修复工艺时,不能将某一级的整体叶盘与其他级的转子焊接在一起,形成多级整体转子,以避免当某一整体叶盘的几☆△◆▲■片叶片损坏后,造成整◇…=▲个转子报废的严重经济损失。

  为此,在EJ200中,第3级风扇的整体叶盘是用短螺栓连接至1~2级风扇焊接的整体转子上的;高压第1级压气机的整体叶盘也是用短螺栓连接到2~5级焊接的转子上的。因此,EJ200采用整体叶盘的结构,应该属于整体叶盘在大型发动机中应用的初级阶段。

  但是,EJ200生产型发动机中,高压压气机前3级全部换用了整体叶盘(参见《EJ200高压压气机结构设计改进》一文。

  美国 GE公司于1991年在用于F/A 18战斗/攻击机的F404涡扇发动机的基础上发展了推力增加与推重比由7.5提高到9.0的F414涡扇发动机,如图12所示。在它的三级风扇中,2级与3级采用了整体叶盘的结构;在7级高压压气机中,前三级采用了整体▪•★叶盘。

  GE 公司在整体叶盘的加工与应用上做了较大改进,将整体叶盘在发动机中的应用推向了一个新台阶,且为推动整体叶盘在发动机中的广泛应用提供了好的经验。首先它发展了一种加工整体叶盘的新工艺,即电化学加工(E▲★-●CM)的加工方法。

  如前所述,GE公司在20世纪70年代末研制的 T700(民用型为CT7)涡轴发动机中,五级轴流压气机的转子全采用了整体叶盘,当时采用了5坐标数控铣床来加工叶片,加工既费时成本也昂贵。

  1985年,该公司与LehrPrecisionInc.公司合作发展了ECM 加工整体叶盘叶片的加工方法,用以加工 T700 的钢制整体叶盘,取得了较好的效益。 随后,用这种新工艺在该公司为“先进战术战斗机”ATF(AdvancedTacticalFighter即后来的F 22战斗机)发展的 YF120发动机加工钛合金的整体叶盘,还为该公司研制的 GE23A与CFE738等发动机加工整体叶盘。

  对F414的5个整体叶盘就采用了电化学加工方法加工的。采用电化学加工方法加工整体叶盘有如下的优点:首先,与用5坐标数控铣床加工相比,加工工时减少约85%(对于长叶片省时更多);可以避免叶片中产生的残余加工应力;叶片的粗加工即在坯料上开出叶槽、半精加工和精加工均可用 ECM加工,加工后不必再进行手工抛光,加工出来的叶型,厚度公差为±0.01mm,型面公差为+0.01mm。

  在粗加工时,是将ECM的专用工具置于 GE 公司专利的5坐标数控机床上,对坯料沿圆周进行开槽;在半精加工和精加工时,则采用具有叶型形面的电极对坯料进行加工。

  GE 公司为了较好地解决整体叶盘被外来物打伤的问题,除了在结构设计中在叶片前缘采用具有较小振动应力及较高的抗外物能力的设计外,还发展了一套可行的修理叶片的方法。 GE 公司根据F404外场使用中外物打伤叶片损伤的统计,有针对性地发展了一套修理方法。

  叶片的损坏不外卷边、裂纹、掉块等,如图•□▼◁▼13所示,图14示出了针对不同的损伤采用的修理方法。对于大的卷边,则将卷边处的材料去掉,然后用电子束焊补焊上一片补片,再按叶形量规进行修磨;对于叶片后缘尖部处的小卷边,则采用去掉卷边,然后进行打磨使之圆滑过渡;对于那些小的掉块,则直接用氩弧焊堆焊将缺口补上。

  所有这些补修过程均可在整体转子上进行。由于有了这些修补方法,加上根据F404被外物打伤叶片的统计,GE公司对F414采用整体叶盘后的全寿命期费用(LCC)进行了仔细分析计算,分析表明,采用整体叶盘后不会增加 F414的LCC,即采用整体叶盘后为F414带来的收益大大高于付出的代价。 为此,在 F414上采用了5个整体叶盘。

  F414风扇2、3级均采用了由 Ti17 合金制成的整体叶盘,且两个整体叶盘还焊接在一起形成整体转子;高压压气机前三级也采用了整体叶盘,1级与2级由 Ti17合金制成,且焊成一体,3级则用Inconel718镍基合金制成。 将几个整体叶盘前后串起焊成一体的设计,是 F414比EJ200前进一大步的表现,它能进一步减轻转子的重量,且能提高发动机的耐久性。

  F414发动机采用整体叶盘后,如前所述,带来许多好处。例如:发动机的重量减小,这是由于风扇转子可减重20.43kg,高压压气机转子减轻3.632kg,支承转子的结构也将减重而获得的;发动机的性能有所提高,这是由于减小了气流在榫槽中的泄漏,以及级间叶根处的容腔减小使气流在容腔中的迥流少而获得的;★-●=•▽由于零件数减少了484件(与F404相比),不仅可降低生产成本,且发动机的可靠性还可提高;由于气流不会通过榫槽缝隙向前逸流,前级轮盘的温度还可稍低些,这对部件的寿命还有一定的好处等。

  GE 公司在F414整体叶盘的研制中,应用了同期工程的系统工程管理程式,专门为它组织了几个综合生产与发展小组,全面考虑整体叶盘的设计、选材、生产、使用▪…□▷▷•寿命、可靠性与修复工艺等,使得在设计完成时,就能全面达到所要求的寿命、质量、可靠性、维修性与成本等的目标。

  F414发动机在发展整体叶盘结构所做的工作以及◆◁•获得的成果,代表了20世纪90年代的水平,但它仍未在风扇第1级处采用。但是,随后的发展中,在一些发动机中,风扇第1级也采用了整体叶盘结构。返回□◁搜狐,查看更多

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