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航空發(fā)動機浮壁式 燃燒室制造技術
閱讀：364 發(fā)布時間：2022-6-12 燃燒室（火焰筒）是發(fā)動機的重要熱端部件。在工作中，由于經(jīng)受急熱、急冷的熱應力和燃氣沖擊力[1]，火焰筒易發(fā)生裂紋等故障[2-4]。隨著航空發(fā)動機向更新一代發(fā)展，采用原有的火焰筒結構，燃燒室進口溫度、壓力和出口溫升將出現(xiàn)大幅度提高，使火焰筒壁溫問題越發(fā)突出。
解決該問題主要通過2種途徑：一是，提高火焰筒材料的許用溫度，提高火焰筒對高溫的耐受程度；二是，改進火焰筒壁面結構，以提高空氣冷卻效率，從而在提高燃燒室進口溫度、壓力和出口溫升的同時，還能保證火焰筒壁面的溫度不致升高[5]。
但是，目前火焰筒所使用的高溫合金材料的許用工作溫度很難提高，雖然新型陶瓷基復合材料（如C/SiC)可以替代高溫合金材料，但是目前關于其實用性的研究還比較少，尚處于實驗室階段，研究于這種材料的傳熱行為等[6]。
在火焰筒材料許用工作溫度難以提高的前提下，要提高火焰筒的性能，的方法就是改進火焰筒壁面結構，提高空氣冷卻效率[7]。沖擊-對流-氣膜復合冷卻的浮壁式壁面結構有效地解決了新一代火焰筒的冷卻問題，同時還改善了壁面的受力狀態(tài)，大大提高了火焰筒的性能。但結構的改變，給浮壁式結構火焰筒的制造帶來了諸多技術難題，主要包括：（1）浮動壁火焰筒由原來的雙層氣膜結構變成了薄壁單層結構，整個內外環(huán)筒體的結構剛性和強度急劇降低，而其加工精度要求卻提高了一個數(shù)量級，這對于整個工藝流程提出了更高的要求；（2）薄壁結構更容易產(chǎn)生焊接變形，且變形難于控制；（3）沖擊-對流的冷卻效果取決于浮動瓦沖擊小孔與筒體上的對流孔能否形成對流效應，也就是沖擊孔和對流孔的位置不能重疊，這一方面要求浮動瓦型面、定位螺栓、對流孔和擾流柱精鑄的相對位置要非常精確，另一方面要求筒體上的浮動瓦裝配定位孔和沖擊孔的相互位置也要非常精確，這對剛性極差的薄壁件難以做到。
針對該火焰筒結構剛性差，薄壁易變形，尺寸穩(wěn)定性極差，尺寸精度要求非常高，結構復雜等難點，本文基于焊接結構力學理論，進行結構工藝規(guī)劃，通過工藝優(yōu)化設計、預留余量、剛性固定、分區(qū)激光打小孔等方法實現(xiàn)了火焰筒結構高精度制造，為新型戰(zhàn)機的批量化生產(chǎn)、制造提供了一定的技術保障，本文提出的方法對于其他類似結構也具有指導意義。
火焰筒外環(huán)筒體組件工藝路線的制定
通過對組件結構、聯(lián)結方式、設計精度、熱表處理等特殊要求及各個組成零件的結構和尺寸的綜合分析，結合火焰筒在發(fā)動機上的裝配關系和使用要點，規(guī)劃工藝路線為：以頭部轉接段作為裝配焊接的基礎件，首先將主燃孔短管摻混孔短管裝配焊接在火焰筒外環(huán)上，將火焰筒外環(huán)和內環(huán)轉接段同時裝配定位焊到頭部轉接段上，形成火焰筒的骨架；其次往頭部轉接段裝配釬焊渦流器安裝座和擋濺盤，形成火焰筒的頭部；再次裝配焊接點火電嘴和射流噴嘴，往內環(huán)轉接段和外環(huán)上裝配并電子束焊接整體帽罩，完成火焰筒外環(huán)筒體的裝配和焊接；最后進行真空熱處理，校形，加工頭部和吊掛，清洗、標印、終檢（圖1）。
火焰筒外環(huán)筒體的焊接及變形控制
焊接熱源的局部性特點，都會使焊接產(chǎn)生應力和變形。焊接應力和變形直接影響焊接的強度、剛性、受壓時的穩(wěn)定性、加工精度和尺寸穩(wěn)定性等[8]。焊接應力與變形的分布及大小受下列因素控制：材料的線膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服點，焊件的形狀、尺寸和溫度場。而溫度場又與材料的導熱系數(shù)、比熱、密度以及焊接工藝參量和條件密切相關。這些情況使焊接應力變形問題十分復雜[9]，因此在實踐中往往采用理論和數(shù)值分析與實驗相結合的方法來掌握焊接應力變形的規(guī)律和影響因素，最終達到預測、控制和調控的目的。
1頭部轉接段的焊接和變形控制
頭部轉接段是整個火焰筒的核心，起到承上啟下的作用。該火焰筒的頭部轉接段與其他機種火焰筒的頭部轉接段不同。由平板料激光加工出的圓環(huán)件，整個零件剛性很低，抵抗變形的能力相對更差。與轉接段直接相焊接的有內環(huán)轉接段、火焰筒外環(huán)、渦流器安裝座和擋濺盤。前兩者與頭部轉接段之間為大的對接環(huán)形電子束焊縫，后兩者與頭部轉接段之間為真空釬焊縫。在這些焊縫中引起頭部轉接段變形的是2條電子束焊縫。
焊接頭部轉接段時主要的焊接變形有：（1）宏觀變形：包括收縮變形、失穩(wěn)變形和扭曲變形，其中收縮變形又包括縱向收縮變形（沿焊縫方向的收縮）和橫向收縮變形（垂直于焊縫方向的收縮）；（2）微觀變形：包括屈服應變、彈性應變和塑性應變。其中收縮變形和失穩(wěn)變形表現(xiàn)明顯。
為保證頭部轉接段和火焰筒外環(huán)及內環(huán)轉接段3者之間正確的相互位置關系和減小焊接變形，采取以下控制措施：
（1）在火焰筒外環(huán)和內環(huán)轉接段的待焊處的背面預留鎖底，鎖底寬4mm，鎖底突出主體2mm。預留鎖底的作用為防止電子束焊接穿透產(chǎn)生的細微顆粒飛濺污染到火焰筒主體，起到保護的作用。由于火焰筒外環(huán)為薄壁零件，預留的鎖底增加了待焊對接處零件的剛性，減小對接處的橢圓變形，從而使得對接處間隙比較均勻，預留的鎖底起到軸向定位作用，使得內環(huán)轉接段與外環(huán)之間的軸向相互位置不致差得太大。
（2）配車頭部轉接段的待焊配合面。由于火焰筒外環(huán)為薄壁環(huán)形件，剛性非常差，與轉接段對接處橢圓嚴重，如果轉接段按照設計圖尺寸加工，將無法裝配到火焰筒外環(huán)上，即使強行裝上，則因轉接段在3個件中剛性最差會產(chǎn)生失穩(wěn)變形，那么焊接后裝配變形就轉化為焊接變形。為了的控制焊接變形，轉接段必須按臺配車，才能保證裝配局部間隙和局部過盈都趨于最小。
（3）控制變形最重要的手段是采用夾具裝配定位焊，并在夾具限制狀態(tài)下焊接。裝配焊接時定位基準以轉接段上頭部孔中的幾個均布孔定周向額度位置和徑向定心，夾具輔助支撐轉接段的下表面，壓緊上表面，防止轉接段在焊接受熱時撓曲失穩(wěn)變形；外環(huán)以出口處的止口定中心，出口端面定軸向；內環(huán)轉接段以內口定中心，以螺栓孔定角向，以下端面輔助定軸向位置；
3個定中心處嚴格同軸，從而保證3個件的軸向、徑向和角向位相關系。
2 渦流器安裝座和擋濺盤的裝配和焊接
裝配渦流器安裝座和擋濺盤時最重要的是擋濺盤具有方向性，要嚴格向心，擋濺盤的內外弧裝配后各構成一整圓，與頭部轉接段同軸。其次，擋濺盤與頭部轉接段之間的間隙要保持均勻。由于擋濺盤和渦流器安裝座與頭部轉接段之間為真空釬焊，在高溫下整個組件失去強度，所以內環(huán)轉接段和整個頭部會因重力作用傾斜下沉。為了保證真空釬焊后內環(huán)轉接段、頭部和外環(huán)3者之間的軸向相對位置正確，釬焊時必須用夾具支撐頭部擋濺盤處和內環(huán)轉接段處，并用止口限制內環(huán)轉接段內孔和外環(huán)出口的止口，并保證兩者同軸。
3 帽罩的焊接和變形控制
該火焰筒的頭部帽罩與其他機種火焰筒的帽罩結構不同，其他機種的火焰筒帽罩都是兩體式的，分為內環(huán)帽罩和外環(huán)帽罩，分別焊接或裝配到內環(huán)和外環(huán)上。而該火焰筒的帽罩為整體式，帽罩的內環(huán)焊接在內環(huán)轉接段上，帽罩的外環(huán)焊接在外環(huán)上。之所以設計成整體帽罩，目的是讓帽罩起到使整個火焰筒剛性加強的作用，彌補因平板式頭部轉接段所帶來的剛性太差易變形的缺點。但是整體式帽罩為組件制造帶來很煩，帽罩的內止口與內環(huán)轉接段的止口配合，帽罩的外止口與外環(huán)的止口配合，而帽罩的兩側邊都帶一定的錐度，讓兩個止口同時配合，還要保證帽罩的高度尺寸符合公差，幾乎不可能做到，而且配合面與料厚方向成一定角度的錐面，各保留尖邊。為了保證電子束焊接的配合間隙要求，采用配車帽罩的方法，配車時要綜合考慮內外環(huán)的橢圓變形，使局部的配合間隙和局部的配合過盈大致相當，保證稍微敲修后過盈處能夠裝配進去，同時間隙處的間隙不致過大，能夠滿足電子束焊要求，另外裝配時不能損傷零件的尖邊，否則電子束容易穿透，造成焊漏。定位焊后要加密定位焊點，焊點間距不大于10mm，保證定位焊具有一定的連接強度，不致于在正式焊時零件因受熱應力使定位焊點崩開而無法形成焊縫。焊接帽罩時因內外2條焊縫都產(chǎn)生焊接收縮，外圈焊縫的收縮使得外環(huán)具有縮短和變小的趨勢，焊接應力壓迫頭部轉接段直徑縮小；內圈焊縫的收縮使得內環(huán)轉接段直徑縮小，同時將頭部轉接段內圓向內拉伸，最終的結果就是頭部分度圓直徑變小，渦流器安裝座向內位移，帽罩的高度變短，同時因應力不平衡，內外環(huán)的軸向相對位置尺寸發(fā)生變化，渦流器安裝座和擋濺盤發(fā)生傾斜，內外不在一個水平面上。帽罩焊接有利的一面是因焊接應力的作用，使整個零件的剛性加強；不利的一面是產(chǎn)生的焊接變形影響組件的尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性，內外環(huán)的高低差必須加以校正。否則，一方面影響火焰筒大組件的裝配尺寸和火焰筒的部裝，另一方面影響組合后加工余量的分布，另外還影響火焰筒的使用性能，噴嘴相對于渦流器安裝座歪斜。
沖擊孔及瓦片裝配定位孔的加工
火焰筒內環(huán)組件的外表面和外環(huán)組件的內表面各裝配幾層多塊浮動瓦片。每個瓦片都是錐扇形段，瓦片上鑄出幾個螺樁，螺紋機加工。其中中間一個螺柱為定位螺柱。對應的筒體壁上有幾個光孔，中間定位孔為圓孔，其余幾個孔為長孔。瓦片的內表面上密布著小擾流注，沖擊孔位于擾流注之間。
為保證沖擊孔與對流孔的位置不重疊，筒體上沖擊孔和瓦片裝配定位孔的位置度要非常精。但火焰筒筒體，尤其是外環(huán)筒體直徑尺寸很大，壁薄，剛性差，如果一排一排地加工沖擊孔，極難保證幾萬個沖擊孔的位置度要求。所以，采取特殊加工方式，將整個外環(huán)筒體按照瓦片的裝配關系劃分成多個扇形區(qū)域，每個區(qū)域內均以瓦片裝配定位孔為基準，激光切割沖擊孔，因為每個扇形區(qū)域都比較小，沖擊孔的偏離就不會太嚴重。雖然增加了加工周期，需要找正幾十次才能加工出一個零件，但卻保證了質量，提高了精度，滿足了新一代航空發(fā)動機對火焰筒性能的要求。