航空发动机挂钩式导向器叶片及其冷却结构简介

5.2.1 挂钩式导向器叶片

对于大多数不传力的导向器,特别是多转子发动机中的中压、低压涡轮导向器,其叶片均做成挂钩式的结构。图69所示的斯贝高压第2级导向器叶片即为挂钩式的。导向器叶片叶冠的后缘做有安装边,与机匣上做的安装边相靠,在3或4片叶片焊成一组时,每组叶片的安装边上有一小孔,与涡轮机匣安装边上的销钉相配,并用卡环将其固定,叶冠前缘做有向前伸出的安装边,插到机匣中相应的环槽中,导向叶片即挂在机匣上了。

由于导向器叶片底座上还要固定级间封严环,这时,封严环既要通过导向器叶片定心于机匣上,又要允许导向叶片径向自由地膨胀。为此,封严环先固定于支承环上,支承环前安装边上开有均匀分布的矩形槽(槽数与叶片数同),每个导向叶片底座前缘向下伸出一方形凸块,插在支承环相应的矩形槽中。

矩形槽允许导向叶片的凸块前后与上下移动,但周向却被限死不能移动,用此,将支承环也即封严环通过导向叶片定心于机匣上,并具有良好的热定心性能。支承环后安装边上开有环形槽,导向叶片底座后缘向下伸出的挡边插入环形槽中,限制支承环前后移动。

利用这种既允许相配零件相对自由膨胀,又能使支承环通过叶片定心于机匣的导向叶片“挂钩”式连接方式,在军民用发动机除第1级导向器外的所有导向器中得到广泛采用。

5.2.2 螺钉固定的导向器

图85示出另外一类不传力导向器叶片的安装方式,它曾普遍用于苏制发动机上。导向器叶片既带冠又有底座,精密铸造成一体,叶冠上前、后做有两个带内螺纹的凸台,底座下做有圆销,用螺钉穿过机匣上的两个孔,拧到叶冠上的螺纹凸台中,将叶片固定于机匣上,机匣上穿过螺钉的孔,前孔做成与螺钉直径一样,后者孔径大于螺钉直径,以允许工作时,叶片向后自由膨胀。

对于叶高较小的叶片(例如WP6的第2级导向器叶片),叶片悬臂地固定于机匣上,对于图中所示的长叶片,为增加支承刚性,底座下的圆销,插入到整环的结合环中的相应孔中。 为使叶片在工作时能自由径向地膨胀,圆销与结合环间应留有足够的间距,且底座两侧面与相邻叶片底座的侧面间也应留有足够的间隙。

与挂钩式结构相比,用螺钉连接的方式零件(螺钉)数目多,每个叶片上均需攻出2个螺纹孔,因而较为复杂。

图85、螺钉固定的不传力导向器

5.3 复合倾斜的导向器叶片

通常,导向器的叶片做成沿径向呈直线形,如图86(a)所示。20世纪80年代中期发展的一些发动机,为了减少叶尖与叶根在内外环处内附面层引起的分离损失,将叶片沿径向做成弯曲的,如图86(b)所示。图86(b)中还示出了两种叶片沿叶高的气动损失分布,采用弯曲形后,明显地使叶尖与叶根处的损失降低。

图86、 JT9D7R4与PW4000导向器比较

在有的发动机中,将叶片沿轴线方向也做成弯曲的,如图87(b)所示,通常沿轴线方向叶片均做成直线形,如图87(a)所示。这种在两个方向均做成弯曲形的叶片,称为复合倾斜叶片,是一种高效率的导向器叶片设计。由于导向器叶片内腔冷却

图87、复合倾斜与常规导向器比较

5.4 导向器叶片的冷却结构

涡轮第1级导向器处于燃烧室出口处,承受的燃气温度最高,因此,必须对它进行冷却,有时,第2级导向器叶片也需冷却。在后面的各级中,则由于燃气温度已降低较多而不需冷却。但有的发动机中,为了减少叶片重量,对后几级叶片虽不冷却,也采用空心结构。

由于导向器叶片在工作中是不转动的,因此可以用插入特形的衬管来组织冷却气流的流动,形成对流、冲击及气膜冷却。图88示出的CF6 6高压第1级导向器叶片的冷却结构即具有一定的代表性。叶片做成空心的,其内腔也做成叶型状,分前后两腔,两腔间有隔板隔开。

前后两腔分别插入两管壁上钻有很多小孔的特形衬管,衬管的外形做成与叶片内腔型面一致,两者间保持很小的间隙,在衬管外表面上每侧做有几个小凸起,凸起紧靠叶型内腔腔壁,凸起的高度即为衬管与叶片内腔间的间隙。当两衬管插入叶片后,将留有引气口的上盖板焊在叶冠上。

图88、 CF6 6高压涡轮导向器冷却结构

由压气机出口(即第16级)引来的空气分两路进入叶片内腔,由叶冠进气口引进的空气流入后腔的衬管中,通过小孔喷向叶片内腔壁,形成冲击冷却,然后由尾缘上的一排孔流出,在流动过程中,形成对流冷却。

另一路空气由叶片底座上的进气口进入前腔的衬管中,由小孔喷向叶片内腔壁面,然后通过叶片前缘处的几排小孔流出叶片,形成气膜冷却。

图89所示为AЛ31Ф高压第1级导向叶片冷却结构。叶片内腔也做成前后两腔。 前腔中插入前缘开槽的衬管,并将前腔隔成两个腔室Ⅰ、Ⅱ。

由燃烧室外环来的空气分成两股,1股由衬管Ⅰ内向下流动,并直接喷向叶片内腔前缘,并由前缘上的若干个小孔喷出叶片。

另一股空气由衬管后的腔室Ⅱ向下流动,并由衬管与叶片内腔壁组成的间隙很小的通道向前流动,然后由叶片前缘叶盆与叶背上的若干排气膜孔中流出,形成围绕叶片前缘的气膜。

图89、 AЛ31Ф高压涡轮导向器冷却结构图

叶片后腔中插入基本与腔室型面一致的衬管,在两者间留有一定间隙,压气机出口空气经过装在外涵道内的散热器(空气空气换热器)降温后由叶冠后缘的进气口进入叶片后腔的衬管,一方面由衬管上的小孔喷向叶片内腔腔壁,然后向后由叶片尾缘的出气口流出。

为了加强冷却效果,在气流流过窄缝通道中设有换热强化器,即在通道表面上有两组相互交叉的肋条(称为涡流矩阵),增大冷却空气与叶片的接触面积,以便更好地进行热交换。流进叶片后腔内的衬管的空气有一大部分是由叶片底座流出用以冷却高压涡轮工作叶片与涡轮盘的。