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关于涡轮叶片尺寸稳定性的实验调查关于涡轮叶片尺寸稳定性的实验调查
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。
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。
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”CeritaTM29-51”
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。
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
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