5.2.1 掛鈎式導向器葉片
對於大多數不傳力的導向器,特別是多轉子發動機中的中壓、低壓渦輪導向器,其葉片均做成掛鈎式的結構。圖69所示的斯貝高壓第2級導向器葉片即為掛鈎式的。導向器葉片葉冠的後緣做有安裝邊,與機匣上做的安裝邊相靠,在3或4片葉片焊成一組時,每組葉片的安裝邊上有一小孔,與渦輪機匣安裝邊上的銷釘相配,並用卡環將其固定,葉冠前緣做有向前伸出的安裝邊,插到機匣中相應的環槽中,導向葉片即掛在機匣上了。
由於導向器葉片底座上還要固定級間封嚴環,這時,封嚴環既要通過導向器葉片定心於機匣上,又要允許導向葉片徑向自由地膨脹。為此,封嚴環先固定於支承環上,支承環前安裝邊上開有均勻分布的矩形槽(槽數與葉片數同),每個導向葉片底座前緣向下伸出一方形凸塊,插在支承環相應的矩形槽中。
矩形槽允許導向葉片的凸塊前後與上下移動,但周向卻被限死不能移動,用此,將支承環也即封嚴環通過導向葉片定心於機匣上,並具有良好的熱定心性能。支承環後安裝邊上開有環形槽,導向葉片底座後緣向下伸出的擋邊插入環形槽中,限制支承環前後移動。
利用這種既允許相配零件相對自由膨脹,又能使支承環通過葉片定心於機匣的導向葉片「掛鈎」式連接方式,在軍民用發動機除第1級導向器外的所有導向器中得到廣泛採用。
5.2.2 螺釘固定的導向器
圖85示出另外一類不傳力導向器葉片的安裝方式,它曾普遍用於蘇制發動機上。導向器葉片既帶冠又有底座,精密鑄造成一體,葉冠上前、後做有兩個帶內螺紋的凸臺,底座下做有圓銷,用螺釘穿過機匣上的兩個孔,擰到葉冠上的螺紋凸臺中,將葉片固定於機匣上,機匣上穿過螺釘的孔,前孔做成與螺釘直徑一樣,後者孔徑大於螺釘直徑,以允許工作時,葉片向後自由膨脹。
對於葉高較小的葉片(例如 WP6的第2級導向器葉片),葉片懸臂地固定於機匣上,對於圖中所示的長葉片,為增加支承剛性,底座下的圓銷,插入到整環的結合環中的相應孔中。 為使葉片在工作時能自由徑向地膨脹,圓銷與結合環間應留有足夠的間距,且底座兩側面與相鄰葉片底座的側面間也應留有足夠的間隙。
與掛鈎式結構相比,用螺釘連接的方式零件(螺釘)數目多,每個葉片上均需攻出2個螺紋孔,因而較為複雜。
圖85、螺釘固定的不傳力導向器
5.3 複合傾斜的導向器葉片
通常,導向器的葉片做成沿徑向呈直線形,如圖86(a)所示。20世紀80年代中期發展的一些發動機,為了減少葉尖與葉根在內外環處內附面層引起的分離損失,將葉片沿徑向做成彎曲的,如圖86(b)所示。圖86(b)中還示出了兩種葉片沿葉高的氣動損失分布,採用彎曲形後,明顯地使葉尖與葉根處的損失降低。
圖86、 JT9D7R4與PW4000導向器比較
在有的發動機中,將葉片沿軸線方向也做成彎曲的,如圖87(b)所示,通常沿軸線方向葉片均做成直線形,如圖87(a)所示。這種在兩個方向均做成彎曲形的葉片,稱為複合傾斜葉片,是一種高效率的導向器葉片設計。由於導向器葉片內腔冷卻
圖87、複合傾斜與常規導向器比較
5.4 導向器葉片的冷卻結構
渦輪第1級導向器處於燃燒室出口處,承受的燃氣溫度最高,因此,必須對它進行冷卻,有時,第2級導向器葉片也需冷卻。在後面的各級中,則由於燃氣溫度已降低較多而不需冷卻。但有的發動機中,為了減少葉片重量,對後幾級葉片雖不冷卻,也採用空心結構。
由於導向器葉片在工作中是不轉動的,因此可以用插入特形的襯管來組織冷卻氣流的流動,形成對流、衝擊及氣膜冷卻。圖88示出的CF6 6高壓第1級導向器葉片的冷卻結構即具有一定的代表性。葉片做成空心的,其內腔也做成葉型狀,分前後兩腔,兩腔間有隔板隔開。
前後兩腔分別插入兩管壁上鑽有很多小孔的特形襯管,襯管的外形做成與葉片內腔型面一致,兩者間保持很小的間隙,在襯管外表面上每側做有幾個小凸起,凸起緊靠葉型內腔腔壁,凸起的高度即為襯管與葉片內腔間的間隙。當兩襯管插入葉片後,將留有引氣口的上蓋板焊在葉冠上。
圖88、 CF6 6高壓渦輪導向器冷卻結構
由壓氣機出口(即第16級)引來的空氣分兩路進入葉片內腔,由葉冠進氣口引進的空氣流入後腔的襯管中,通過小孔噴向葉片內腔壁,形成衝擊冷卻,然後由尾緣上的一排孔流出,在流動過程中,形成對流冷卻。
另一路空氣由葉片底座上的進氣口進入前腔的襯管中,由小孔噴向葉片內腔壁面,然後通過葉片前緣處的幾排小孔流出葉片,形成氣膜冷卻。
圖89所示為 AЛ31Ф高壓第1級導向葉片冷卻結構。葉片內腔也做成前後兩腔。 前腔中插入前緣開槽的襯管,並將前腔隔成兩個腔室Ⅰ、Ⅱ。
由燃燒室外環來的空氣分成兩股,1股由襯管Ⅰ內向下流動,並直接噴向葉片內腔前緣,並由前緣上的若干個小孔噴出葉片。
另一股空氣由襯管後的腔室Ⅱ向下流動,並由襯管與葉片內腔壁組成的間隙很小的通道向前流動,然後由葉片前緣葉盆與葉背上的若干排氣膜孔中流出,形成圍繞葉片前緣的氣膜。
圖89、 AЛ31Ф高壓渦輪導向器冷卻結構圖
葉片後腔中插入基本與腔室型面一致的襯管,在兩者間留有一定間隙,壓氣機出口空氣經過裝在外涵道內的散熱器(空氣 空氣換熱器)降溫後由葉冠後緣的進氣口進入葉片後腔的襯管,一方面由襯管上的小孔噴向葉片內腔腔壁,然後向後由葉片尾緣的出氣口流出。
為了加強冷卻效果,在氣流流過窄縫通道中設有換熱強化器,即在通道表面上有兩組相互交叉的肋條(稱為渦流矩陣),增大冷卻空氣與葉片的接觸面積,以便更好地進行熱交換。流進葉片後腔內的襯管的空氣有一大部分是由葉片底座流出用以冷卻高壓渦輪工作葉片與渦輪盤的。