淺談未來渦輪葉片的發展趨勢

王精文 張宇陽

(中航工業沈陽黎明航空發動機有限責任公司,遼寧沈陽 110043)

淺談未來渦輪葉片的發展趨勢

王精文 張宇陽

(中航工業沈陽黎明航空發動機有限責任公司,遼寧沈陽 110043)

渦輪是航空發動機核心機的重要組成部分,也是溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的發動機部位。了解發動機渦輪葉片技術的發展歷程,對于發動機的設計和研發有著很重要的意義。本文概括的介紹了渦輪葉片的加工技術和渦輪葉片的發展歷程以及發展趨勢。

渦輪 航空發動機 發展 材料

1 渦輪葉片作用

渦輪葉片一般指渦輪工作葉片和導向葉片。渦輪是處于燃燒室后面的一個高溫部件,燃燒室中產生的高溫高壓燃氣首先經過燃氣導向葉片整流,然后,通過在收斂管道中加速,最后,被賦予一定的角度有效地沖擊渦輪工作葉片,促使渦輪盤轉動帶動壓氣機做功。渦輪葉片處于溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位。在渦輪發動機中,壓氣機葉片和渦輪葉片,它們的數量最多,而發動機就是依靠這眾多的葉片完成對氣體的壓縮和膨脹,產生強大的動力來推動飛機前進。渦輪葉片是一種特殊的零件,形狀復雜,要求高,加工難度大,而且是故障多發的零件,一直以來都是各發動機廠科研和生產的關鍵。

2 渦輪葉片的結構特點

渦輪工作葉片的外型結構由葉身、緣板、過渡段、榫齒等組成,內型結構包括橫向肋、縱向肋、找流柱和積疊軸。導向葉片由外緣板、葉身和內緣板構成。目前先進航空發動機渦輪葉片大多都采用空心結構。在渦輪葉片上設計了很多細小的管道,可以使高壓冷空氣通過這些管道流經高溫葉片,從而對渦輪葉片進行強制冷卻,以提高渦輪的耐熱性能。為了提高航空發動機中燃氣渦輪的效率,增加航空發動機推重比,就必須提高發動機燃燒室出口燃氣溫度,即渦輪前溫度。為此,人們在渦輪葉片設計、高溫材料的研制、冷卻方法研究及表面涂層等方面作了大量的工作。

3 渦輪葉片的發展

3.1 在渦輪材料方面

目前,高溫合金的使用溫度正在接近極限, 近期的發展方向是定向共晶合金、超單晶合金、機械合金化高溫合金,遠期則是人工纖維增強高溫合金、定向再結晶氧化物彌散強化合金以及新的能承受更高溫度的材料,如金屬間化合物及復合材料,碳-碳復合材料,陶瓷和陶瓷基復合材料。未來的發動機將大量采用非金屬材料。從長遠看,必須尋找能耐更高溫度的料代替高溫合金,以滿足發展更高效率燃氣渦輪發動機的需要。于是,從70年代起,國內外紛紛開展其他類型高溫材料的研究,包括定向共晶合金、氧化物彌散強化合金、難熔金屬基合金、金屬間化合物基合金、陶瓷材料等。在高溫強度上具有明顯優勢的定向共晶合金已被證明可用于發動機葉片,但其橫向性能和剪切強度差且制造成本過高,使之未能投入生產。金屬間化合物具有的長程有序結構對高溫強度極為有利,使人們一度致力于這類合金的研究。鑄造Ni3Al基合金已取很大進展,但其工藝性和耐腐蝕性有待改善,其他的NiAl系、TiAl系鑄造合金仍在開發中。在強度、密度、表面穩定性、來源和成本上具有優越性的陶瓷材料,將會應用于發動機,但是,它們固有的脆性仍然是致命的弱點。近年來,人們注意到并把研究重點放在陶瓷基復合材料上,并已取得進展,這類材料將有樂觀的前景。

3.2 制造工藝和結構方面

在航空發動機發展的初期,主要用變形高溫合金制造渦輪葉片。隨著鑄造高溫合金的發展和熔模鑄造技術的進步,逐步實現了葉片的“以鑄代鍛”。現在國外在探索更高性能水平的單晶對開和擴散連接的葉片和多孔層板葉片制造技術,這種加工技術可使渦輪進口溫度進一步提高。由小孔加工發展的鑄造冷卻技術使得在渦輪葉片上鑄造出0.25mm的氣膜孔成為可能,單晶精密鑄造、真空擴散焊和優良的表面防護及處理等工藝技術的發展保證了渦輪葉片經過設計越來越精細。隨著快速成型技術在精密鑄造領域的應用發展,可以用快速成型制造的原型替代蠟型,在其表面上涂掛耐火材料,然后焙燒,使原型材料燒蝕氣化后得到鑄殼,用于金屬零件的燒注成形。快速成型技術也被用于直接成型陶瓷鑄型。這種技術無需任何模具、夾具,可以快速成型復雜形狀的陶瓷鑄型。西安交通大學結合葉片熔模鑄造技術、快速成型技術、凝膠注模技術,提出了空心渦輪葉片整體式陶瓷鑄型鑄造工藝。整體式陶瓷鑄型是指型芯型殼使用相同的材料,同時成形,無需組合裝配。這些都為復雜空心葉片制作探索了新的工藝方法。在美國能源部ATS計劃中,對單晶合金及葉片的熔煉工藝、凝固條件、陶瓷殼型、陶瓷型芯、模型用料、熱處理、熱等靜壓等方面都進行了研究,力求提高合金和零件性能。在熔煉方面,要求高純度熔煉,減少金屬液與殼型、型芯之間的反應,精確控制活性元素;發展單晶葉片凝固過程數值模擬技術,優化工藝參數;計算機控制自動化生產過程,控制枝晶尺寸和致密度,減少缺陷,提高質量,降低成本,進一步發展熔模鑄造工藝,提高陶瓷殼型和型芯的性能,研制冷效達600℃以的高效冷卻單晶葉片。熱等靜壓擴散連接組合件也將是生產多合金渦輪轉和大型葉片的發展方向。與鎳基高溫合金伴隨發展的定向凝固工藝應用于其他高溫材料,有可能使它們的承溫能力遠超過目前可達到的水平。

4 未來渦輪葉片發展面對的困難

綜上所述可以看出,大半個世紀以來,航空鑄造渦輪葉片合金和工藝的發展已取得長足的進步,為航空發動機的發展作出了巨大貢獻。然而,飛躍發展的高科技時代,繼續對冶金工作者提出新的更高要求。航空和地面燃氣渦輪要求提高工作溫度(約2100K)、增大推力(約390kN)、提高推重比(＞10)、延長壽命(＞10000h),這就使高溫合金的先進性、可靠性、耐久性、工藝性以及經濟性繼續面臨巨大的挑戰。

[1]張祖謙,劉志中.渦輪葉片用高溫合金發展中的幾個問題.國際航空,1978(4)：43-47.

[2]曹臘梅,楊耀武,才廣慧,等.單晶葉片用氧化鋁基陶瓷型芯AC-1.材料工程,1997(9)：21-23.

[3]陳榮章.北京航空材料研究院鑄造高溫合金及工藝發展40年.材料工程,1998(10)：3-8.

[4]馬德文.XD-1定向空心葉片陶瓷型芯的研究.航空制造工程,1984(2)：71-74.