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『技術(shù)專欄』關(guān)于葉片系列四:透平葉片之葉根,葉冠和葉型
閱讀:503 發(fā)布時間:2023-6-20之前,我們研究了通過快速流動的水、蒸汽、燃?xì)狻L(fēng)或其他流體產(chǎn)生連續(xù)動力的透平機(jī)。在本周的關(guān)于葉片系列專題中,我們將一起來探索一下裝有葉片的轉(zhuǎn)子部件,以及它是如何組裝的。葉片的葉根、葉冠和葉型的形狀和結(jié)構(gòu)取決于它被應(yīng)用在哪里(例如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或壓氣機(jī)) ,但本質(zhì)上來說,它們的功能是相同的。
葉片的形狀由熱力學(xué)和力學(xué)邊界條件決定,這些條件根據(jù)葉片所處的環(huán)境和應(yīng)用場合的不同而有很大的變化。
載荷能力的影響很大
葉片承受的載荷也決定了葉片的設(shè)計。
* 離心力、扭矩和彎曲力(空氣阻力形式) 等形式的靜態(tài)載荷以及運動葉片的動態(tài)載荷。
其它因素,如葉片伸長(由于熱) ,高溫、侵蝕、,腐蝕和氧化也將決定設(shè)計。
對設(shè)計過程的影響
首先,所有的設(shè)計都是為了確保產(chǎn)品符合規(guī)格,但以成本效益的方式來生產(chǎn),同時達(dá)到最少的浪費和的性能。葉根,葉冠和葉型的設(shè)計將取決于葉片所處的環(huán)境條件。
高、中、低壓的應(yīng)用決定了葉片尺寸和材料的選擇。例如,對于高壓透平機(jī),由于處在高溫高壓的環(huán)境,葉片往往更小。它還需要耐熱材料,如鎳基高溫合金。雖然低壓透平機(jī)具有較低的溫度,葉片往往特別長,并由普通不銹鋼耐熱材料制成。但由于葉片機(jī)械負(fù)荷大,高轉(zhuǎn)速下葉片質(zhì)量大,產(chǎn)生了較大的離心力和機(jī)械負(fù)荷,從而導(dǎo)致葉根更加復(fù)雜,安全性要求很高。
葉根,葉冠和葉型
葉根
葉根負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)子葉片安裝到轉(zhuǎn)子上,如果是靜子葉片,則安裝到機(jī)匣上。通過將靜子葉片/轉(zhuǎn)子葉片相鄰安裝,可以得到一個由靜子葉片和轉(zhuǎn)子葉片組成的一個大的圓形,并與通過渦輪機(jī)或壓縮機(jī)的空氣相互作用。葉根的形狀取決于熱力學(xué)和機(jī)械負(fù)荷,它將需要承受一段時間以上考驗。設(shè)計工程師必須降低制造成本,同時提高性能。更復(fù)雜的葉根設(shè)計意味著更高的安全等級,因為載荷將承擔(dān)更多,但這也意味著更高的制造成本,因為葉根的形狀在制造過程中需要更高要求的精度和工具以及技術(shù)。
轉(zhuǎn)子葉片/靜子葉片與轉(zhuǎn)子/機(jī)匣的連接通常是通過形狀配合或焊接連接而建立的
葉冠
葉冠的主要目的是通過相鄰葉冠之間松散的連接來穩(wěn)定轉(zhuǎn)子葉片/靜子葉片。裝配完成后,這個閉合的葉冠的環(huán)形降低了繞過葉型的氣體或空氣的流動泄漏。此外,在葉冠的頂部可以有一個迷宮式的設(shè)計,以進(jìn)一步減少泄漏。為了增加葉冠之間的穩(wěn)定性,它們可以用連鎖的幾何特征相互連接。
當(dāng)穩(wěn)定性和氣密性不是性能的一個影響因素時,上述特性并非必要
葉型
葉型是與經(jīng)過的氣體或蒸汽或流體相互作用的部分。透平葉片葉型的作用是將氣體的部分能量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。對于壓氣機(jī)葉片來說,轉(zhuǎn)子的強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)(通過發(fā)動機(jī))導(dǎo)致空氣被吸入并被多級葉片壓縮。因此,壓氣機(jī)是以保留的工作原理來工作。
靜子葉片葉型(渦輪機(jī)或壓氣機(jī))的作用是使氣流以理想的角度改變方向,以便與下一個葉片相互作用。這對于優(yōu)化性能和限度地利用氣體非常重要。轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片的葉型剖面都顯示出一個前緣、后緣,這是一個吸入側(cè)和壓力側(cè)。前緣是氣流進(jìn)入剖面的位置,而后緣是氣流離開剖面的位置。這些相鄰的葉片建立了氣流通道,氣流通過機(jī)匣并按照其設(shè)計的方式運行。
葉型輪廓從前緣到后緣彎曲,以確保氣流以特定方向進(jìn)入輪廓并在通道內(nèi)重新定向使其以所期望的方式相互作用并從另一個方向離開輪廓。葉型輪廓的入口和出口角度必須與氣流方向同步,以盡可能達(dá)到高效。吸入側(cè)和壓力側(cè)之間的設(shè)計必須盡可能平滑和均勻,以滿足高效率要求。
根據(jù)局部邊界條件(尤其是流速),葉型的輪廓從葉根到葉冠是不斷在變化著的。這就導(dǎo)致葉型形狀的連續(xù)變化以及從葉根到葉冠的傾斜和扭曲。
葉片的具體半徑、形狀、長度和厚度是通過復(fù)雜的模擬軟件確定的,該軟件可計算速度、溫度、壓力,并減少葉片在必須發(fā)揮性能的領(lǐng)域上的缺陷。
這些幾何元素必須在高性能水平的設(shè)備或平臺上進(jìn)行設(shè)計、制造和測量,以匹配等級的效率以及未來的改進(jìn)。在確定什么是性能設(shè)計以及在哪里改進(jìn)設(shè)計方面測量扮演著重要的作用。
如何測量
快速光學(xué)測量,與生產(chǎn)節(jié)拍同步
質(zhì)量控制和質(zhì)量保證是確保安全的重要組成部分。最后,我們來看一下使用溫澤的CORE D設(shè)備來測量葉片,該設(shè)備適用于更高效的葉片測量。特別是在航空領(lǐng)域,葉片的前緣非常薄。CORE 的光點可以測量非常小的半徑,并檢測到最小的缺陷。這也適用于醫(yī)療器械制造業(yè),,醫(yī)療器械的零件錯綜復(fù)雜。
與其它光學(xué)系統(tǒng)不同,CORE可以直接測量拋光和高反光表面成品的零件,無需將其噴白。這種集成的光學(xué)測頭提供了快速檢測復(fù)雜幾何零件所需的靈活性和測量能力。CORE 著眼于在制造車間直接進(jìn)行測量。CORE的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元優(yōu)化設(shè)計。直線導(dǎo)軌-寬軸承使其即使在18° – 30°C 的生產(chǎn)環(huán)境中,也能確保較長的使用壽命和穩(wěn)定的運行。
CORE 葉片測量“專家”
以更快的速度測量更多的組件是溫澤三坐標(biāo)測量機(jī)的使命
一體式、高分辨率、直接驅(qū)動的轉(zhuǎn)臺為測頭提供同步的部件定位,通過完整的 5 軸同步運動進(jìn)一步優(yōu)化了檢測周期。整個零件表面的掃描速度高達(dá) 400 毫米/秒。CORE 的行程范圍為 300 x 200 x 450 mm,并針對透平葉片、外科植入物和其它小型零件的大批量質(zhì)量控制的測量進(jìn)行了化。
* 靜態(tài)和動態(tài)重量:當(dāng)您走向停放在雜貨店前的汽車時,它被定義為靜態(tài)重量,但當(dāng)您進(jìn)入汽車并開始駕駛時,它可以被定義為道路上的一個動態(tài)重量的例子。
* 熱力學(xué)和力學(xué)邊界:它是指使其起作用的熱和機(jī)械環(huán)境。工作溫度、溫度變化、壓力、力、扭矩等。
關(guān)于溫澤
德國溫澤集團(tuán)是計量領(lǐng)域創(chuàng)新的。溫澤多樣化的產(chǎn)品提供了三維測量、計算機(jī)斷層掃描、光學(xué)高速掃描等多個行業(yè)的解決方案。溫澤集團(tuán)的技術(shù)解決方案在汽車、航空航天、發(fā)電及醫(yī)療等眾多行業(yè)中有大量應(yīng)用。溫澤在范圍內(nèi)已交付安裝超過10,000臺測量設(shè)備。其子公司和業(yè)務(wù)伙伴在超過50個國家銷售產(chǎn)品,并提供售后服務(wù)以滿足客戶需求。