关于涡轮叶片尺寸稳定性地实验调查

关于涡轮叶片尺寸稳定性的实验调查摘要：本文介绍的是涡轮叶片简易蜡模尺稳定性的实验研究。

由于超级合金制作的涡轮叶片，具有严格的尺寸和形位公差。

叶片由熔模铸造制作而成，包括压蜡、制壳、脱蜡、浇注及后处理完成。

压蜡阶段的尺寸准确性如同后处理工序一样，对最终的叶片尺寸也有很大的影响。

此项实验工作的重点是在射蜡阶段，调查过程参数及叶片形位要素对关键尺寸收缩造成的影响。

为了降低分析和模具制造的复杂性，按照叶片形状设计了两种模型。

一副模具上带有两个穴(形成两个蜡模)。

选取射蜡温度和射蜡时间作为可变过程参数。

结果会发现，对叶片的弯曲度和不规则的厚度的影响有明显的不同。

射蜡时间比射蜡温度起了更加主要的影响。

1.介绍燃气涡轮的作用是把热能转化为机械能。

适用于很多工业领域，如泵，过滤，提纯，发电机及运输。

燃气涡轮的一个关键组成部分就是叶片，包括可转动的叶片及静止叶片。

叶片在困难运行条件下发挥作用，如高温，高机械压力，高热疲劳或腐蚀性环境等等。

涡轮叶片尺寸及形位公差都很小，是由超级合金采用熔模铸造的方式生产出来的。

此工序是用于生产高质量、形状复杂的产品。

熔模铸造特别是用在，当产品用其他制作方式如锻造或是加工的方法生产时，不划算，不实用，或是不可行的情况。

熔模铸造主要工序包括压蜡、制壳、脱蜡、干燥、浇注及修磨。

每一步都对最终产品尺寸有一定的影响，而压蜡和浇注是最主要的影响。

用于做模型的材料，必须有以下特点：底粘度、一定的固体强度,低混合、低收缩率、高稳定性、并且对于制壳用料有化学抗性、有可接合性并且对健康无害。

而蜡恰恰具有了以上所有特性，于是被选为做模型的材料。

蜡模的最终尺寸，在射蜡阶段会受到以下因素影响：1)蜡料种类，2)形状，3)过程参数。

从另一方面来说，仅知道所选蜡料的线性(体)收缩率，是不足以预知尺寸的最终结果的。

产品形状和过程参数对最终尺寸具有相当的影响。

蜡与半结晶状热塑聚合物具有类似的性质。

它们也有不一样的特点：1)低熔点(100摄氏度以下) 2)低热传导性。

3)对高加热速率敏感。

压蜡包括以下几个阶段：1)把固体蜡放入一个用油来加工的容器里溶化。

2)把溶化的蜡传送到射蜡机的桶里。

3)用射蜡机把蜡射入模具里。

3)冷却蜡模。

最后4)取出蜡模。

(通常接下来的工序是校正工序)如果校正要求达到既定的尺寸，那或者增加生产周期或者使用更多的工装，无论是哪种方式，都会增加熔模铸造的总成本。

图形1展示的是一个典型的射蜡机的简图。

过程参数对最终尺寸影响的程度，会由于叶片的复杂形状受到影响。

因此，这就是要进行研究形状要素与过程参数相互影响的关键所在。

2.背景有些研究学习了蜡的性质，既包括实验性研究也包括数字化的研究。

Sabau和Viswanathan这两个人首次用电脑做出了工业用蜡行为模拟的计算机程序，名为”Cerita TM29-51”Bonilla et al.提出了一种用于预测熔模铸造中的蜡模收缩率的方法。

由计算机辅助模拟热传导，并且导入射蜡参数。

他们用水来冷却蜡模。

Horace和Lubos研究了在射蜡过程中，射蜡参数对于由模具生产出来的蜡模尺寸稳定性的影响。

他们发现了不同的参数与所依赖的尺寸参数之间的相互关系。

产品的形状类似于交叉形。

Yarlagadda和Hock定义了通过硬质模具和软质模具生产的蜡模的准确性，并且用低压力射蜡模具优化了射蜡参数。

该产品形状类似于H型。

之前的研究都主要是针对的都是简单形状。

在某些应用方面，他们的这些结果可以做适当延伸来使用。

不过，对于产品形状对于最终尺寸的明确影响，这些从基本形状推断出来的数据就要小心使用了，是当应该在要求有高准确充且比较复杂的产品，如涡轮叶片。

3.问题阐述与目标如之前提到的，本研究是为了找出射蜡参数对最终尺寸的影响及蜡模(尺寸)稳定性与叶片形状的关系。

必须注意的是，形状对于怎样运用尺寸纠正措施具有很大的影响。

(此处是收缩的因素)在技术上或是科学角度来看，对于所有尺寸都用相同的收缩率是不适当的。

一般对于热塑聚合物来说，材料生产商会给出一个收缩率的范围。

这是因为，过程参数如保持的压力、保持时间及产品厚度对收缩率会有很重大的影响。

这些，都可以用压力-体积-温度表(PVT表)来解释。

另外，产品其他的约束因素，也会相应起影响到最终尺寸，在不同的冷却时间下，有溶芯或是抽芯等等。

而且，不规则的收缩还会造成扭曲变形，这就是在射蜡阶段众所周知的最主要的缺陷。

涡轮叶片有着复杂的形状。

这样，应用简单形状的结果到这个复杂形状里就没什么效果了。

从另一方面来说，由于其复杂性，要得到任何过程参数对于形位要素之间的关系显然就算不是不可，也都是非常困难的。

典型的涡轮叶片形状如图形2所示。

对于一个涡轮叶片来说，不规则的厚度螺旋桨、厚的根部、曲面和扭度都是关键要素。

为了消除形状的影响，建议用接受实际应用方式来检验包含形位要素的模型。

在本研究中，将对叶片的三个要素(不包括扭度)及它们与过程参数和尺寸稳定性的相互关系进行实验性地调查。

由于加工上的困难，在此不考虑扭度这个要素。

因此，设计了两个模型并且做了一个模具来生产蜡模。

一种模拟了螺旋桨曲面，其他设计模拟了不规则厚度(两种都包括有厚的根部。

)这样一来，就可以检测出每种要素对于最终尺寸有什么程度的影响了。

4. 方法和材料蜡模设计像前面提到的一样，叶片的几何形状被分为两个模型，称作“TP1”和“TP2”。

（图形3和4）设计TP1涵盖了翼型骨（曲率），设计TP2涵盖了翼型的不同厚度（从一遍的最小值到宽度3/2处的最大值，厚度依次减小）。

为了简洁明了，在设计中加入了立方根和一致的翼型宽度。

对于尺寸，GE Frame 5的第一步被选定设计模拟。

试验设备和过程生产了一个两槽的模具用来生产两个蜡模。

模具用AL5050制成，硬度值88HB。

图形5显示了这个模具的两个部分。

使用相同的设计和尺寸设置浇口，浇口在根部的中央。

在现有的研究中，已经对注入温度和保压时间做了研究。

闲钱的研究显示，注入温度和保压时间对最终尺寸具有最多的影响力。

【】因为蜡是在很低的压力下被注入，所以射压对尺寸具有毋庸置疑的影响力，但有陶芯或很薄的截面的件除外【1】。

接下来就在表1中指定的注射环境下压制蜡模。

表2 中所指定的其他参数在所有试验中都保持为常数。

使用的蜡型号为填充形蜡B417（DUSSEK C.），其性能在表3中给定。

选取了所有试验点中的三个样本进行检测，并提供有说服力的结果。

压制后，蜡模被放在支架上静置24小时，如图6所示。

用CMM测量出来的蜡模的相应尺寸如图7所示。

对蜡模翼上和根部的六个区域进行了测量。

利用CMM制造的点云模拟所需区域并提取关键尺寸，如下（图形8）：半径a：翼型弦长（图形9）。

在涡轮叶片中，翼型弦长是最重要的尺寸，因为在研磨过程中，叶片将被夹在翼型的前端和后缘。

半径b：相对于第一区域的第二、第三区域的横向偏差（图形10）。

这个偏差在所有的涡轮叶片中都会出现。

半径c：根部中央厚度（图形11）半径d：翼长用CMM对模上的相应尺寸进行了测量，以计算收缩。

5. 结果和讨论试验结果如图12-19。

图形12-14描述了在不同的融化时间下、保压时间下，三个翼型区域弦长的变化。

总体而言，保压时间增长导致收缩下降，这是一个预期的结果。

对于第二和第三区域，温度的影响就更为明显，因为他们相对于第一区域而言能更自由的收缩，而第一区域则被粘连在了根部上。

一般而言，融化温度的增加降低了收缩，有可能是因为更低的粘度增进了更统一的压力的作用。

因此，少许的压力降低的作用相对于更高水平的压力来说反而是增进了，尤其是对于远离注射点的区域而言，并因此导致了更低的收缩。

一个重要的结果就是蜡模TP1的收缩量比蜡模TP2高很多，（对于第二和第三区域来说，接近两倍）。

这可以归因为蜡模TP1的曲率特性。

对于这种设计，可以推断出这种收缩结果包括两种类型：热收缩和不均匀收缩。

第一种收缩时由于在冷却阶段的文图差异引起的，后者是由于收缩差异（比邻点之间的）称作“翘曲”【5】。

这是由于弯曲状的两个面之间的冷却速度差异（凹进面的冷却速度要低于凸起面的冷却速度）（图形15）。

图形16和17显示了第二三区域相对于第一区域在不同的保压时间和注入温度的情况下的偏差程度。

可以明显看到，保压时间越长，偏差越小。

温度的影响就更显而易见了，因此注入温度的升高导致了偏差的降低。

这两个参数预示了压力的效应的原因在前面已经解释过了。

然而，有趣的是TP2的偏差方向与TP1的相反。

偏差量更大，对注入温度的敏感性更强，因此在最高温度72℃时，偏差方向发生改变。

在蜡模TP1（包含曲率），能清楚地看到，偏差总是存在的并且是良性的，但在TP2上，这个值并不稳定，因此只要注入温度有一点小的增长，他就能消失不见。

图形18显示了保压时间和熔化难度对根部第二（中间）区域的影响。

能清楚看到根部收缩量相对来说较高，接近4%，原因在于根部较厚。

注入温度和保压时间的影响看起来好像可以忽略了，尽管这个影响是相当意外的。

众所周知，保压时间的增长将导致收缩的降低。

从很厚的根部获得的结果显示一个相反的现象，但是改变的程度并不是很强烈。

图形19显示了在注射参数下的翼长偏差。

能很明显的看出，保压时间的增长将导致翼长的减小，而温度的影响可以忽略不计。

实验还发现，对于两个蜡模来说收缩量是不同的。

这可以用两个区域的水力半径来解释，这两个区域是与加快水流、降低压力水平有关的。

关于水力半径的尺寸，TP1为，TP2为，要比TP1高。

较低的水力半径代表了更高的水流限制。

因此，预计会有更高的降压产生，并因此导致更高的收缩。

然而，我们还不能得出水压的差异是导致收缩差异的主要原因。

6. 总结这些实验结果表明：注入温度和保压时间对于蜡模最终尺寸都有很大的影响。

每种叶片几何形状对最终尺寸都有特定的影响。

弦长和翼型偏差受叶片曲率的影响最大。

这些问题不可能只通过工艺参数的改变就能消除。

一个校准过程看起来就很有必要了。

受曲率影响，翼型偏差的方向总是朝向凸起面。

预计出现的情况是，曲率越大，偏差越大。

根部的巨大厚度产生了明显的凹痕。

因此，生产如此大厚度的蜡模工艺是不能被接受的。

这个结果也证实了将一个蜡块（相同蜡材质）在注射前插入蜡模内是非常重要的。

因此，最终的收缩和凹痕都能得到明显的改善。

鸣谢：本文作者再次感谢MavadKaran (Jahed Noavar)工程公司员工的有力援助及科技设备的支持，尤其是Foroughi先生和Godsi先生（射蜡机操作员）。

同时，也感谢Shahab工程公司为我们提供检测设备。