工作葉片在榫槽中的鎖定和大斜度底座葉片的固定

2.3 工作葉片在榫槽中的鎖定

工作葉片裝在輪盤的榫槽(包括軸向與環形榫槽)中時,必須採用鎖緊裝置將葉片牢牢固定,防止葉片由榫槽中竄出。國內外發動機在研製與使用中,曾出現過葉片鎖緊裝置損壞,葉片甩離輪盤擊穿機匣,打壞其他機上設備造成嚴重甚至災難性故障的事例(例如前文中所述的

B 1轟炸機停飛事件)說明,應確保葉片鎖緊裝置有一定的強度,確保工作可靠。

2.3.1 葉片在軸向榫槽中的槽向固定

36示出了常用的一些葉片在榫槽中的槽向固定方法。圖36(a)所示的結構曾用於較老的發動機中,在葉根前端向下作有小凸台,防止葉片後竄,葉根靠後緣處開有一「T」形槽,槽中裝有「T」形鎖片,當帶鎖片的葉片裝入榫槽後,將外伸的鎖片向下彎曲緊貼輪盤後端面上,防止葉片向前竄,在這種結構中,葉片底部帶凸台,對葉片的加工不便。

圖36、幾種葉片在輪盤榫槽中的槽向固定的結構圖

圖36(b)所示結構用於葉片槽向分力較大的壓氣機中,用銷釘承受大的向後的槽向力,槽底前端開「T」形槽,裝一「T」形鎖片,葉片裝入後,將鎖片向上彎曲抵緊葉根前端面,防止葉片向前竄。

圖36(c)與圖36(d)所示的結構基本相同,它是在槽底開有十字形槽,槽中裝入十字形鎖片,當葉片裝入榫槽後,將鎖片前後端均向上彎曲,緊貼葉根前後端面。

圖36(g)所示的結構是在葉根底部開有縱向槽,鎖片做成「I」字形裝入槽中,鎖片的端頭做得比葉根端面寬(如圖27所示),當葉片裝入榫槽時,將未彎曲的端部向上彎曲(一端在未裝前先向上彎好),緊貼葉根前端面與輪盤外緣前端面。這種結構,在 GE公司的發動機中採用較多。圖36(f)所示的結構較為特殊,葉根後緣如圖36(a)所示一樣做有向下的凸起,葉片裝入輪盤後,有一段葉根伸出輪盤。

在伸出的葉根從底部向兩側各鑽有一斜孔,將事先彎曲成 V形的鋼絲插入兩孔中,即可防止葉片向後竄。由於V形鋼絲是從下向上插入葉根的,工作時在離心力作用下始終壓向葉根,因而不會脫落。這種結構在普惠公司的發動機中採用過。

圖36(e)所示的是用一大的彈性卡環裝在葉片、輪緣底部開的環形槽中,將全部葉片鎖住的結構,輪盤輪緣後端伸出一小段,其厚度做成與葉根厚度一致,在其內徑上開有環形槽,在葉根的後端底部也開一槽,當葉片裝入輪盤的榫槽中後,葉片的槽與伸出的輪緣環形槽組成一整圓形槽,此時,將長方形剖面的彈性卡環裝入槽中,即將所有葉片固定住。

這種鎖緊方式在蘇式發動機中應用較廣,羅·羅公司在為 B787研製的遄達1000發動機中,中亞壓氣機2~6級採用了這種結構,這是西方國家研製的發動機首次採用這種結構。

圖37、F101鎖緊卡環的結構圖

B-1 轟炸機用的 F101 發動機風扇葉片就採用了類似圖36(e)所示的鎖緊卡環,但其結構與圖36(e)所示的稍有不同,如圖37所示。其卡環是用1.60 mm厚的不鏽鋼條帶做2圈類似壓緊的彈簧的結構 ( 這種結構在GE公司發動機螺帽鎖緊裝置中用得較多)。

在出現卡環損壞葉片甩出的事件後,將此卡環改成厚3.68mm的長方形剖面的卡環,其材料也改用鎳基合金做。 據稱,卡環厚度加大後,使它的強度提高了2.5倍,改用鎳基合金後,使疲勞強度與耐磨蝕性能得到提高。

圖38、RB199中壓壓氣機結構圖

在有的壓氣機中,採用鎖板將葉片固定於輪盤的榫槽中,這種結構在渦輪中應用得較為普遍。RB199的中壓壓氣機3 級葉片中第1,3級葉片採用了鎖板結構如圖38所示。其第2級葉片靠1~2級間與2~3級間隔環鎖定葉片,鎖板的具體結構如圖29所示,在葉片底座前端(或後端)下面開有環槽,在輪盤前端面上燕尾形槽底的下部向前伸出一環形凸環,在盤前端面處形成了一環形凹槽。在葉片的環槽與輪盤前端面環槽中嵌入一片片的鎖板即將葉片鎖定在輪盤的榫槽中不能向前、向後竄動。

安裝鎖板時,先將2、3片葉片不裝進輪盤榫槽中,空出一缺口,將鎖板(一般1塊鎖板的寬度有2~3片葉片的寬度)由此缺口插到葉片與輪盤的環槽中,然後沿環槽往裡面推移,再裝第2塊鎖板……最後,再一片一片地裝入尚未裝入輪盤的葉片,將事先已將鎖板一端稍作彎曲過的窄形鎖板(1個葉片1個鎖板)插入輪盤的環槽中,輕輕敲打彎曲部分,使其伸入到葉片的環槽中,這時鎖板即全部裝到輪盤與葉片間,將所有葉片鎖定。

分解時,用工具將單個鎖板先撬開,使它先由葉片槽中開脫出來。這樣,可先使3個葉片由榫槽中拉出,然後將鎖板一個個地由此缺口拔出。

2.3.2 大斜度底座葉片的固定

在級增壓比比較大的葉片中,例如高涵道比渦扇發動機中風扇葉片一般級壓比為1.5~1.7,氣流在工作葉片中壓縮較大,因而在葉根處氣流通道均做成大斜度的底座,如圖39與圖40所示。

在蘇制的一些發動機中,將葉根也做成斜的,因而輪盤輪緣也需做成前小後大的錐形,裝葉片的榫槽沿錐面也開成斜的。在這種結構中,因為葉根結構簡單,因而葉片的重量較小;但是,工作中葉片的離心力將分成兩個分力,一個是垂直於輪緣錐面的,一個是沿槽向的。

圖39、用2個銷釘鎖緊葉片的結構

由於底座斜度大,槽向分力將會很大,這時,用普通鎖片是絕對不夠的,因而需採用大的銷釘來承受大的槽向力。圖39所示的是 WP7發動機低壓壓氣機第1級工作葉片的鎖緊方式,由於槽向力較大,採用了2個大銷釘來固定葉片,即在葉根底部前後各鑽了1個孔,在輪盤榫槽底部前後也各鑽有1個孔,當葉片裝入榫槽後,從輪緣下部開孔處打入兩個銷釘將葉片鎖定。

當葉片比較長時,這種鎖定方式是絕對不行的。 例如:RB211 22B高涵道比渦扇發動機,在高涵道比渦扇發動機中推力屬於中等偏高的發動機,其每個葉片工作時的離心力已達55000kg,如採用如圖39所示結構,作用葉片上的槽向分力將達27500kg,顯然用銷釘是承受不了的。

因而歐美研製的發動機,一般均不用如圖39所示的結構,其典型做法是,輪盤外緣不做成錐形而做成普通輪盤一樣,榫槽與輪盤中心是平行的;在葉片的底部做一個沿氣流通道相符合的底座(或稱平台),底座之下通過中間段(或稱中間根或延長根)與榫頭相連,如圖27、圖28與圖40中所示的葉片。

圖40、帶中間根的葉片與輪盤連接結構

此種結構中,由於榫槽與發動機中心線平行,因此,不論葉片底座的斜度有多大,均沒有離心力在槽向產生的分力,這時葉片上只承受氣動力引起的向前的軸向力,這個氣動負荷是較小的。

圖40所示的葉片,底座做得較寬,各個葉片的底座相互抵住組成一環;而圖41所示的葉片,將底座做得較窄,它只將葉根型面包住,以利於葉片的加工。這樣,在各葉片的底座間出現空當,為此,在葉片間裝有單獨作的平台,以填補空當。圖41中小框圖所示即為葉片與平台的關係。

圖41、兩葉片底座間夾持組成氣流通道的平台

葉片帶底座後對葉片的加工帶來不便,特別對寬弦葉片更是如此。為此,有的發動機的寬弦風扇葉片(例如 RB211535E4,GE90)先做成不帶底座的葉片,然後,在兩葉片間裝上葉間平台以形成氣流通道。

圖42所示為 RB211535E4風扇葉片與輪盤圖,由圖42可以看出,此時,中間平台即葉片間墊塊的兩側面需做成與葉片葉身型面相符合的型面。

圖42、 RB211 535E4風扇葉片間的墊塊

圖43所示為 GE90風扇葉片與中間平台的橫剖面圖。GE90的風扇葉片是用複合材料制的,中間平台則採用陽極化的 AL7075的鋁合金做成。在進行投入3.6kg(81b)大鳥試驗時,曾出現葉片撞向側邊被鋁合金平台端面所切斷。為此,在平台兩側面改用了複合材料。中間平台與輪盤的固定方式如圖44所示。

圖43、GE90風扇葉片與中間平台

圖44(a)所示結構與圖41所示的類似,即在輪盤盤緣作有前後兩環形鉤槽,中間平台用下伸的鉤插入鉤槽中。圖44(b)為輪盤上做有兩環形凸環並開有軸向孔(每個中間平台處有1孔),中間平台用下伸的兩凸起插入輪盤的凸環中,插入長銷釘將其固定。圖44(c)則是將中間平台下伸的凸耳插在輪緣上的凸起中並用銷釘固定。

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