蜂窩類零件更換維修的可行性研究

□ 王洪明

中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 沈陽 110043

1 研究背景

盤前蜂窩組件是低壓渦輪轉(zhuǎn)子的一部分，與高壓渦輪轉(zhuǎn)子篦齒相接觸，起到篦齒封嚴(yán)的作用。盤前蜂窩組件屬于蜂窩類零件，由殼體與蜂窩釬焊在一起，再通過電解磨削蜂窩到合格尺寸［1-3］。

發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)工作1 000 h后進(jìn)入維修階段，在維修過程中發(fā)現(xiàn)，如圖1所示，盤前蜂窩組件磨損較為嚴(yán)重，其與高壓渦輪轉(zhuǎn)子篦齒間的縫隙變大，發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓腔之間的泄漏流量隨封嚴(yán)間隙的增大而增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能也隨之惡化［4-9］。一般采用更換新品盤前蜂窩組件的方法來保證其與高壓渦輪轉(zhuǎn)子篦齒配合的要求，但是新品盤前蜂窩組件制造周期長、成本高，迫切需要研究盤前蜂窩組件的更換維修技術(shù)。

2 蜂窩更換維修方案

盤前蜂窩組件殼體厚為1.5 mm，直徑為400 mm，屬于薄壁件。經(jīng)過1 000 h的工作，盤前蜂窩組件存在不同程度的變形，因此，需要分兩步對(duì)原蜂窩進(jìn)行去除。首先采用車削加工，去除大部分蜂窩，對(duì)殘留蜂窩采用打磨、拋光的方法清除。然后進(jìn)行定點(diǎn)釬焊蜂窩、組件時(shí)效處理、磨削蜂窩等維修工藝。主要工藝路線為集件→車削磨損蜂窩→打磨與拋光殘留蜂窩→釬焊新蜂窩→盤前蜂窩組件時(shí)效處理→磨削盤前蜂窩組件。

3 蜂窩更換可靠性分析

對(duì)盤前蜂窩組件更換蜂窩，是將新品蜂窩釬焊到原盤前蜂窩組件的殼體上，并一起進(jìn)行時(shí)效處理。因此，需要研究原有殼體材料經(jīng)過多次釬焊和時(shí)效處理后，對(duì)殼體材料組織、性能的影響，進(jìn)而保證盤前蜂窩組件更換的可靠性。

3.1 殼體材料多次釬焊時(shí)效后性能分析

盤前蜂窩組件殼體材料為高溫合金材質(zhì)，選取與殼體材料相同的高溫合金試件，對(duì)試件重復(fù)進(jìn)行3次和6次釬焊、時(shí)效處理，再對(duì)試件進(jìn)行高溫瞬時(shí)力學(xué)性能檢查、高溫持久材料性能檢查、常溫力學(xué)性能檢查，見表1～表3。

由表1可見，各組試件抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率均能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，認(rèn)為高溫合金材質(zhì)重復(fù)釬焊、時(shí)效處理后高溫瞬時(shí)力學(xué)性能合格。

由表2可見，各組試件的延伸率能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，認(rèn)為高溫合金材質(zhì)重復(fù)釬焊、時(shí)效處理后高溫持久材料性能合格。

▲圖1 盤前蜂窩組件

由表3可見，各組試件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率、硬度值均能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，認(rèn)為高溫合金材質(zhì)重復(fù)釬焊、時(shí)效處理后常溫力學(xué)性能合格。

3.2 殼體材料金相組織分析

盤前蜂窩組件在外場應(yīng)用了1 000 h，工作溫度較高，其殼體材料的組織性能會(huì)發(fā)生變化，因此，對(duì)盤前蜂窩組件殼體進(jìn)行解剖，檢查殼體材料高溫合金的高倍金相組織，如圖2所示。高溫合金標(biāo)準(zhǔn)高倍金相組織如圖3所示，可見金相組織滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 殼體薄弱環(huán)節(jié)強(qiáng)度計(jì)算

盤前蜂窩組件裝配在低壓渦輪一級(jí)盤內(nèi)，與低壓渦輪一級(jí)盤通過圖4中加粗位置配合定位，其它位置與低壓渦輪一級(jí)盤沒有面接觸。盤前蜂窩組件隨低壓渦輪轉(zhuǎn)子一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過程需要承受離心力F的作用，則截面A為承受載荷最大的截面，如圖5所示。由于是維修加工，因此受盤前蜂窩組件質(zhì)量影響，在去除蜂窩時(shí)，盤前蜂窩組件殼體相比新品殼體壁厚小了0.1 mm，最薄弱處壁厚為0.9 mm左右，這一殼體壁厚能否滿足使用要求需要論證。

將盤前蜂窩組件殼體截面A以上部分

在軸向上劃分為六部分，每部分為一個(gè)規(guī)整的圓柱環(huán)，如圖6、圖7所示。選取圓柱環(huán)弧度dθ，假設(shè)每個(gè)圓柱環(huán)旋轉(zhuǎn)半徑為r，壁厚為a，軸向高度為H，則盤前蜂窩組件殼體選取部分體積V為：

式中：S為圓柱環(huán)底面積，m2。

則截取部分質(zhì)量m為：

式中：ρ為盤前蜂窩組件殼體材料密度，kg/m3。

圓柱環(huán)所受到的離心力F為：

▲圖2 殼體材料高倍金相組織

▲圖3 高溫合金標(biāo)準(zhǔn)高倍金相組織

表1 高溫瞬時(shí)力學(xué)性能檢查

表2 高溫持久材料性能檢查

表3 常溫力學(xué)性能檢查

▲圖4 盤前蜂窩組件配合定位

▲圖5 盤前蜂窩組件受力

▲圖6 盤前蜂窩組件劃分

▲圖7 劃分后圓柱環(huán)

式中：ω為盤前蜂窩組件旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

假設(shè)每一部分圓柱環(huán)旋轉(zhuǎn)半徑為 r1～r6， 對(duì)應(yīng)的質(zhì)量為m1～m6，所受的離心力為 F1～F6，與懸臂起點(diǎn)的中心距離為h1～h6，壁厚為 a1～a6，高度為 H1～H6，如圖8所示，則每一部分的力矩Mi為：

▲圖8 圓柱環(huán)參數(shù)

則盤前蜂窩組件殼體受到的力矩M為：

由式（5）計(jì)算得 M=72.48dθ。

選取圓柱環(huán)弧度dθ，相當(dāng)于懸臂梁結(jié)構(gòu)，且懸臂截面為矩形，如圖9所示。

▲圖9 圓柱環(huán)截面

抗彎截面系數(shù) W 為［11］：

抗彎強(qiáng)度σ為：

取安全因數(shù)n=3，則：

式中：［σ］為許用抗彎強(qiáng)度，MPa。

5 總結(jié)

通過盤前蜂窩組件殼體材料高溫合金多次釬焊時(shí)效處理后性能分析與殼體材料金相組織分析，驗(yàn)證了殼體材料允許多次釬焊時(shí)效處理。

針對(duì)盤前蜂窩組件殼體壁厚尺寸減小這一情況，通過對(duì)殼體薄弱環(huán)節(jié)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，確認(rèn)了壁厚滿足盤前蜂窩組件的使用要求。