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，