燃气轮机航空叶片介绍.pdf

航空发动机叶片 众所周知，在航空发动机里叶片是透平机械的“心脏” ，是透平机械中极为 主要的零件 透平是一种旋转式的流体动力机械，它直接起着将蒸汽或燃气的热 能转变为机械能的作用 叶片一般都处在高温， 高压和腐蚀的介质下工作 动叶 片还以很高的速度转动 在大型汽轮机中， 叶片顶端的线速度已超过600 ｍ/ｓ， 因此叶片还要承受很大的离心应力叶片不仅数量多， 而且形状复杂， 加工要求 严格；叶片的加工工作量很大， 约占汽轮机、 燃气轮机总加工量的四分之一到三 分之一叶片的加工质量直接影响到机组的运行效率和可靠行，而叶片的质量和 寿命与叶片的加工方式有着密切的关系所以，叶片的加工方式对透平机械的工 作质量及生产经济性有很大的影响 这就是国内外透平机械行业为什么重视研究 叶片加工的原因 随着科学技术的发展， 叶片的加工手段也是日新月异，先进的 加工技术正在广泛采用 叶片的主要特点是：材料中含有昂贵的高温合金元素；加工性能较差；结 构复杂；精度和表面质量要求高； 品种和数量都很多 这就决定了叶片加工生产 的发展方向是：组织专业化生产，采用少、无切削的先进的毛坯制造工艺，以提 高产品质量， 节约耐高温材料； 采用自动化和半自动化的高效机床，组织流水生 产的自动生产线，逐步采用数控和计算机技术加工。

叶片的种类繁多，但各类 叶片均主要由两个主要部分组成，即汽道部分和装配面部分组成 因此叶片的加 工也分为装配面的加工和汽道部分的加工装配面部分又叫叶根部分， 它使叶片 安全可靠地、 准确合理地固定在叶轮上， 以保证汽道部分的正常工作 因此装配 部分的结构和精度需按汽道部分的作用、尺寸、精度要求以及所受应力的性质和 大小而定由于各类叶片汽道部分的作用、尺寸、形式和工作各不相同，所以装 配部分的结构种类也很多有时由于密封、调频、减振和受力的要求，叶片往往 还带有叶冠（或称围带）和拉筋（或称减震凸台）叶冠和拉筋也可归为装配面 部分汽道部分又叫型线部分，它形成工作气流的通道，完成叶片应起的作用， 因此汽道部分加工质量的好坏直接影响到机组的效率 下面说一下叶片的材料，由于透平叶片的工作条件和受力情况比较复杂， 因此对叶片材料的要求也是多方面的，其中主要的要求概括如下：（1） ．具有足 够的机械强度 即在工作温度范围内具有足够的，稳定的机械强度 （屈服极限和 强度极限），并且在工作温度范围内这些机械强度具有稳定的数值在高温情况 下（一般指 450℃以上） ，具有足够的蠕变极限和持久强度极限 （2）.具有高的 韧性和塑性以及高温下抗热脆性（高温下稳定的冲击韧性），避免叶片在载荷作 用下产生脆性断裂。

3）.耐蚀性抵抗高温下气体中有害物质的腐蚀以及湿蒸 汽和空气中氧的腐蚀能力 （4）.耐磨性抵抗湿蒸汽中水滴和燃气中固体物质 的磨蚀 （5）.具有良好的冷、热加工性能 （6）.具有良好的减振性叶片是处 在交变载荷下工作， 除要求有较高的疲劳极限外，还要求有良好的减震性能， 即 高的对数衰减率 这样可以减小振动产生的交变应力，减小叶片疲劳断裂的可能 性 根据使用温度、使用温度和化学成份等，可以将叶片材料分为两类：（1）. 马氏体、马氏体 -铁素体和铁素体钢 这类钢的使用温度最高不超过580℃，可以 作为汽轮机叶片材料2）.奥氏体钢、铁镍合金和镍基合金等着类钢的使 用温度最高不超过700～750℃，可以作为燃气轮机叶片材料 马氏体类钢包括 1Cr13、2Cr13、Cr11MoV 、Cr12WMoV 等1Cr13 和 2Cr13 马氏体不锈钢广泛被采用作为汽轮机叶片材料，他具有较好的耐腐蚀性和热强 性，特别是它的减振性很好，其对数衰减率δ可达 0.025按照其热强性， 1Cr13 钢可用于 450℃～475℃；2Cr13 钢可用于 400℃～450℃2Cr13 钢的含量较高， 故室温强度和硬度较高。

常作汽轮机低压部分叶片， 但 2Cr13钢的抗水滴冲蚀性 能不足，用来作末级叶片还需要进行表面硬化或镶焊硬质合金Cr11MoV 和 Cr12MoV 是改形的 12% Cr钢它保持原来 1Cr13 钢的优点，由于分别加入了强 化元素钼、钒和钨， 钼和钒使其热强性远比1Cr13 钢高 Cr11MoV 可在温度 550℃ 下使用； Cr12WMoV 可在温度 580℃下使用 Cr12WMoV 的屈服极限高，耐腐 蚀性好，亦可作为大型汽轮机的长叶片材料马氏体类钢具有良好的减振性能， 通常情况下其对数率减率δ在 0.015～0.055范围内，它比奥氏体的 δ大 5～10 倍 研制新型航空发动机是铸造高温合金发展的强大动力，而熔铸工艺的不断进 步则是铸造高温台金发展的坚强后盾回顾过去的半个世纪， 对于高温合金发展 起着重要作用的熔铸工艺的革新有许多，而其中三个事件最为重要： 真空熔炼技 术的发明、熔模铸造工艺的发展和定向凝固技术的崛起真空熔炼技术真空熔 炼技术真空熔炼技术真空熔炼技术真空熔炼可显著降低高温合盒中有害于 力学性能的杂质和气体含量， 而且可以精确控制合金成分． 使合金性能稳定 熔 模铸造工艺熔模铸造工艺熔模铸造工艺熔模铸造工艺。

国内外熔模铸造技术 的发展使铸造叶片不断进步， 从最初的实心叶片到空心叶片， 从有加工余量叶片 到无余量叶片，再到定向 (单晶)空心无余量叶片，叶片的外形和内腔也越来越复 杂；空心气冷叶片的出现既减轻了叶片重量，又提高了叶片的承温能力定向 凝固技术定向凝固技术定向凝固技术定向凝固技术该技术的发展使铸造高温合 金承温能力大幅度提高从承温能力最高的等轴晶合金到最高的第三代单晶合金， 其承温能力约提高l50℃ 1990s年代之后，为满足新型发动机之需要，计算机数值模拟在合金成分 设计和铸造工艺过程中的应用日趋增多在采用整体精密涡轮取代锻件组合工 艺中，由于涡轮铸件几何形状复杂，断面尺寸大，采用普通铸造工艺的铸件，宏 观晶粒粗大且不均匀， 由此带来组织及性能的不一致性此外铸造合金固有的较 低屈服强度和疲劳性能，往往不能满足叶片设计要求近年来，出现了“细晶铸 造工艺细晶铸造工艺细晶铸造工艺细晶铸造工艺”等技术，即利用铸型及浇铸温 度控制、凝固过程中机械电磁叫板、 旋转铸造以及加入形核剂等方法，实现晶粒 细化的美国 Howmet 公司等用于细晶铸造制造叶片等转动件，常用合金为： In792、 Mar-M247 和 In713C 合金；导向叶片等静止件则多用IN718C、 PWA1472、 Rene220 、及 R55 合金。

尽管高温合金用于飞机发动机叶片已经50 多年了，这些材料有优异的机械 性能，材料研究人员， 仍然在改进其性能， 使设计工程师能够发展研制可在更高 温度下工作的、 效率更高的喷气发动机 不过，一种新型的金属间化合物材料正 在浮现，它有可能彻底替代高温合金高温合金在高温工作下时会生成一种γ 相，研究表明， 这种相是使材料具有高温强度、抗蠕变性能和耐高温氧化的主要 原因因此，人们开始了金属间化合物材料的研究金属间化合物，密度只有 高温合金一半，至少可以用于低压分段，用于取代高温合金2010 年，美国通 用公司、精密铸件公司等申请了一项由NASA 支持的航空工业技术项目 （AITP） ， 通过验证和评定钛铝金属间化合物（TiAl ，Ti-47Al-2Nb-2Cr ，原子分数）以及现 在用于低压涡轮叶片的高温合金，使其投入工业生产中与镍基高温合金相比， TiAl 金属间化合物的耐冲击性能较差； 将通过疲劳试验等，将技术风险降至最低 英国罗尔斯 -罗伊斯公司，在 1999年， 也申请了一项 γ相钛铝金属间化合物专利， 该材料是由伯明翰大学承担研制的 这种材料可以满足未来军用和民用发动机性 能目标的要求， 可以用于制造从压缩机至燃烧室的部件，包括叶片。

这种合金的 牌号，由罗尔斯 -罗伊斯公司定为 : Ti-45-2-2-XD 可见航空发动机叶片的制造技术直接影响着发动机的性能等，各国对叶片 的研究更是深入，随着科技的发展，空心叶片的问世以及叶片涂层技术的成熟， 未来的发动机，要想有更好的性能，我想在很大程度上依赖叶片技术的成熟与否。