CN109648651A - 一种利用阵列水射流解决涡轮叶片热障涂层堵孔的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种利用阵列水射流解决涡轮叶片热障涂层堵孔的装置与方法，其特征是所述的装置包括叶背射流板和叶盆射流板、伺服电机、伺服运动台、集液腔、床身、工作台和叶片夹具座。叶背射流板及叶盆射流板根据涡轮叶片叶背及叶盆型面以5mm‑10mm的加工间距反拷贝制作，叶背射流板及叶盆射流板上还制作有阵列射流孔，每个射流孔对应涡轮叶片叶背或叶盆上的一个气膜孔，每个射流孔与所对应气膜孔的孔径大小及孔轴方向一致。叶背射流板与叶盆射流板均安装在集液腔的侧方。控制进入集液腔的液体压力，从叶背射流板及叶盆射流板上产生阵列水射流，对涂覆了热障涂层的涡轮叶片上的每个气膜孔同时进行通孔加工。本发明工艺简单、高效、安全环保。

Description

一种利用阵列水射流解决涡轮叶片热障涂层堵孔的装置与 方法

技术领域

本发明属于水射流加工领域，涉及一种利用阵列水射流解决涡轮叶片热障涂层堵孔的装置与方法。

背景技术

为了提高航空发动机推重比和降低油耗，先进航空发动机涡轮前燃气温度已达到1580-1680℃。由于涡轮叶片材料的熔点往往低于燃气温度，需要利用冷却技术保证叶片安全工作。目前采用的涡轮叶片冷却方式是：一方面，在叶片上制作气膜冷却孔（气膜孔），利用气膜孔喷出冷却气体对涡轮叶片进行冷却和散热；另一方面，在涡轮叶片表面涂覆热障涂层，将叶片与高温燃气隔离。

在涡轮叶片制造过程中，航空发动机制造企业通常先采用电火花方法在金属叶片上加工出所有的气膜孔，然后在叶片表面涂覆热障涂层。但是此方法会导致已加工成型的气膜孔孔口全部或者部分被热障涂层堵塞，需要人工逐一疏通被堵塞的气膜孔。在现有技术中，申请号为CN201611073601的发明专利提出了一种解决涡轮叶片热障涂层堵孔的方法，但是该专利中提出的是利用打磨针手工逐一疏通被堵塞的气膜孔，效率低。因此，亟需一种高效解决热障涂层堵孔的装置与方法。本发明利用阵列水射流对涂覆了热障涂层后的涡轮叶片上所有的气膜孔同时进行通孔加工，工艺简单、高效、安全环保、适用于批量生产。

发明内容

本发明的目的是针对现有的飞机发动机涡轮叶片热障涂层堵孔清除难度大，效率不高的问题，提供一种利用阵列水射流解决涡轮叶片热障涂层堵孔的装置与方法，通过该装置对涂覆了热障涂层的涡轮叶片进行阵列水射流疏通气膜孔的加工，快速、批量去除叶片气膜孔孔口的堵塞物。

本发明的技术方案之一是：

一种利用阵列水射流解决涡轮叶片热障涂层堵孔的装置，它包括工作台15和夹具座16，其特征在于：涡轮叶片7通过榫头夹具安装在夹具座16上，夹具座16安装在工作台15上；叶背射流板6和叶盆射流板8分别安装在第一集液腔5和第二集液腔10的侧方；第一集液腔5和第二集液腔10分别连接有第一进液口4和第二进液口9；第一集液腔5与第一伺服运动台3连接，第二集液腔10与第二伺服运动台11连接；第一伺服电机1和第二伺服电机13分别驱动第一集液腔5和第二集液腔10，以调整叶背射流板6与涡轮叶片7叶背之间、叶盆射流板8与涡轮叶片7叶盆之间的射流加工间距至设定值；叶背射流板6根据涡轮叶片叶背型面反拷贝制作；叶背射流板6上制作有与第一集液腔5相贯通的阵列射流孔，每个射流孔对应涡轮叶片叶背上的一个气膜孔，每个射流孔与所对应气膜孔的孔径大小及孔轴方向一致；叶盆射流板8根据涡轮叶片叶盆型面反拷贝制作，叶盆射流板8上制作有第二集液腔10相贯通的阵列射流孔，每个射流孔对应涡轮叶片叶盆上的一个气膜孔，每个射流孔与所对应气膜孔的孔径大小及孔轴方向一致。

所述的叶背射流板6距离涡轮叶片7的叶背的距离为5mm-10mm；叶盆射流板8距离涡轮叶片7的叶盆的距离为5mm-10mm。

所述的叶背射流板6与叶盆射流板8上的射流孔为带有圆锥收缩流道的圆柱喷嘴结构，圆锥收缩段长度为射流孔出口直径的1-2倍，射流孔入口直径为射流孔出口直径的2倍；

所述的第一集液腔、第二集液腔、叶背射流板6、叶盆射流板8均采用不锈钢材质制作。

射流工作液体采用自来水，通过第一进液口4和第二进液口9分别向第一集液腔5和第二集液腔10提供工作液。

本发明的技术方案之二是：

一种利用阵列水射流解决涡轮叶片热障涂层堵孔的方法，其步骤在于：

第一步，制作叶背射流板6和叶盆射流板8：根据涡轮叶片叶背和叶盆的几何形状、气膜孔位置、数量、方向以及加工间距反拷贝制作叶背射流板6和叶盆射流板8；叶背射流板6和叶盆射流板8的厚度为5-10mm，距离涡轮叶片对应面的间距为5-10mm；在叶背射流板及叶盆射流板上制作阵列射流孔，使每个射流孔对应于涡轮叶片上的一个气膜孔，且每个射流孔与所对应的气膜孔孔径大小及孔轴方向一致；

第二步，将叶背射流板6安装在第一集液腔5上，将叶盆射流板8安装在第二集液腔10上，使叶背射流板6和叶盆射流板8上的射流孔与对应的第一集液腔5和第二集液腔10内腔贯通；

第三步：将待加工的涡轮叶片7的榫头放置在榫槽夹具20内，并使夹具夹紧榫头；

第四步：通过控制第一伺服电机1和第二伺服电机13分别移动第一集液腔5和第二集液腔10，使得叶背射流板6和叶盆射流板8分别与涡轮叶片叶背及叶盆之间的距离为设定好的加工间距；

第五步：通过第一进液口和第二进液口2向对应的第一集液腔5和第二集液腔10内加注压力为5-20Mpa的自来水，使叶背射流板6和叶盆射流板8上的射流孔产生高压射流，开始水射流通孔加工；

第六步：保持水射流通孔加工时间1-5分钟，具体加工时间根据具体型号的涡轮叶片及热障涂层堵孔程度通过试验确定；通孔加工完成后，停止第一进液口和第二进液口的进液；

第七步：通过第一伺服电机1和第二伺服电机13移动第一集液腔5和第二集液腔10，取出加工好的涡轮叶片。重新回到第三步，进行下一个涡轮叶片的通孔加工。

本发明的有益效果是：

1、利用叶背射流板与叶盆射流板输出阵列水射流，每注射流对应一个气膜孔，且每注射流的直径及方向与所对应气膜孔的孔径及轴向一致，实现涡轮叶片叶背及叶盆上的气膜孔一次性整体疏通加工，极大提高了气膜孔的疏通效率。涡轮叶片装夹方便、快捷。

2、针对不同型号的涡轮叶片，只需更换叶背射流板与叶盆射流板即可在所述装置上实现气膜孔的通孔加工，降低了成本。

3、采用自来水供液，工艺简单、安全环保。

附图说明

图1是本发明整体装置的结构示意图。

图2是本发明装置中叶片和射流板处的放大图。

图3是本发明装置中射流孔的结构图。

图4是本发明整体装置的三维结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例一。

如图1、2、3、4所示。

一种利用阵列水射流解决涡轮叶片热障涂层堵孔的装置，它包括工作台15和夹具座16，涡轮叶片7通过榫头夹具安装在夹具座16上，夹具座16安装在工作台15上；叶背射流板6和叶盆射流板8分别安装在第一集液腔5和第二集液腔10的侧方；第一集液腔5和第二集液腔10分别连接有第一进液口4和第二进液口9；第一集液腔5与第一伺服运动台3连接，第二集液腔10与第二伺服运动台11连接；第一伺服电机1和第二伺服电机13分别驱动第一集液腔5和第二集液腔10，以调整叶背射流板6与涡轮叶片7叶背之间、叶盆射流板8与涡轮叶片7叶盆之间的射流加工间距至设定值，如图1所示。叶背射流板6根据涡轮叶片叶背型面反拷贝制作；叶背射流板6上制作有与第一集液腔5相贯通的阵列射流孔，每个射流孔对应涡轮叶片叶背上的一个气膜孔，每个射流孔与所对应气膜孔的孔径大小及孔轴方向一致；叶盆射流板8根据涡轮叶片叶盆型面反拷贝制作，叶盆射流板8上制作有第二集液腔10相贯通的阵列射流孔，每个射流孔对应涡轮叶片叶盆上的一个气膜孔，每个射流孔与所对应气膜孔的孔径大小及孔轴方向一致。叶背射流板6距离涡轮叶片7的叶背的距离为5mm-10mm，如图2所示；叶盆射流板8距离涡轮叶片7的叶盆的距离为5mm-10mm。叶背射流板6与叶盆射流板8上的射流孔的结构相同，如图3所示，所述的射流孔均为带有圆锥收缩流道的圆柱喷嘴结构，圆锥收缩段长度（l）为射流孔出口直径(d ₂ )的1-2倍，射流孔入口直径(d ₁ )为射流孔出口直径(d ₂ )的2倍；具体实施时，第一集液腔、第二集液腔、叶背射流板6、叶盆射流板8均采用不锈钢材质制作。射流工作液体最好采用自来水，通过第一进液口4和第二进液口9分别向第一集液腔5和第二集液腔10提供压力为5-20Mpa工作液，从而保证从叶背射流板6和叶盆射流板8射流孔中喷出能打通涡轮叶片7上的因热障涂层堵住的通孔的高压水射流。

详述如下：

一种利用阵列水射流解决涡轮叶片热障涂层堵孔的装置，包括依次设置的伺服电机1和13、滚珠丝杠2和12、伺服运动台3和11、进液管4和9、集液腔5和10、叶背射流板6、涡轮叶片7、叶盆射流板8、床身14、工作台15、夹具座16、滚柱导轨17、榫头夹具20。如图1所示，伺服电机1和13固定安装在床身14上，所述的伺服电机1和13分别与滚珠丝杠2和12连接，所述的滚珠丝杠2与12分别与伺服运动台3和11连接，所述的伺服运动台3和11安置在滚柱导轨17上，所述的滚柱导轨17位于床身14上，伺服运动台3与11分别与集液腔5和集液腔10相连，所述的集液腔5与叶背射流板6相连，所述的集液腔10与叶盆射流板8相连。涡轮叶片7通过榫头与榫头夹具安装在夹具座16上，所述的夹具座16安装在工作台15上。进一步的，伺服电机1和13通过电机轴的旋转带动滚珠丝杠2和12的转动，带动伺服运动台3和11的移动，进而带动集液腔5和集液腔10，以及叶背集液腔上的叶背射流板6和叶盆集液腔上的叶盆射流板8的移动，最终控制叶背射流板6和叶盆射流板8与涡轮叶片7的间距，实现对加工状态的控制。进一步的，如图2所示，叶背射流板6上的每个射流孔对应于涡轮叶片叶背上的每个气膜孔，叶背射流板上每个射流孔的直径及孔轴方向与涡轮叶片叶背上的所对应的气膜孔的孔径及孔轴方向相同；叶盆射流板8对应于涡轮叶片的叶盆型面及气膜孔，其制作方法与叶背射流板制作方法相同。

实施例二。

如图1、2、3、4所示。

一种利用阵列水射流解决涡轮叶片热障涂层堵孔的方法，本实施例中采用的涡轮叶片材质为高温合金，热障涂层材质为陶瓷，集液腔和射流板均采用不锈钢制作；

本实施例中涡轮叶片气膜孔的孔径为0.5mm，叶背上有30个气膜孔，叶盆上有60个气膜孔；

本实施例中的加工间距为10mm，射流出口压力为10MPa（具体实施时，射流出口压力可视叶片上通孔的堵塞情况在5-20MPa之间进行选择）；

本实施例中集液腔的进液口管径为10mm；

本实施例中的射流板厚度为10mm；

本实施例中的涡轮叶片截面形状、射流板的截面形状、射流孔和气膜孔的位置如图2所示；

步骤如下：

1、根据涡轮叶片的叶背和叶盆的几何形状、加工间距及气膜孔位置反拷贝设计叶背射流板和叶盆射流板，射流板型面加工采用电火花成型加工方法制作，射流板上的射流孔采用电火花小孔成型加工方法制作，使射流板表面形状、射流孔位置和方向都与涡轮叶片的表面形状和气膜孔的位置和方向分别对应，如图2所示；

2、将叶背射流板安装在集液腔5上，将叶盆射流板安装在集液腔10上；

3、将待加工的涡轮叶片的榫头放置在榫槽夹具内，并使夹具夹紧榫头；

4、通过控制两侧伺服电机分别移动叶背集液腔和叶盆集液腔，调整叶背射流板、叶盆射流板与涡轮叶片叶背、叶盆的距离至加工间距，加工间距为10mm（也可为5-10毫米之间进行选择）；

5、控制进液口1和进液口2的液体压力为10MPa，开始水射流通孔加工；

6、保持水射流通孔加工时间1-5分钟，通孔加工完成后，停止进液口4和进液口9的进液；

7、通过伺服电机移动集液腔和射流板至安全距离，取出加工好的涡轮叶片，重新回到第三步，进行下一个涡轮叶片的通孔加工。

通过调整进液口4、9的进淮压力及调整涡轮叶片与叶背射流板、叶盆射流板之间的距离可构成本发明的不同的实施例。

以上所述的具体实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种利用阵列水射流解决涡轮叶片热障涂层堵孔的装置，它包括工作台（15）和夹具座（16），其特征在于：涡轮叶片（7）通过榫头夹具安装在夹具座（16）上，夹具座（16）安装在工作台（15）上；叶背射流板（6）和叶盆射流板（8）分别安装在第一集液腔（5）和第二集液腔（10）的侧方；第一集液腔（5）和第二集液腔（10）分别连接有第一进液口（4）和第二进液口（9）；第一集液腔（5）与第一伺服运动台（3）连接，第二集液腔（10）与第二伺服运动台（11）连接；第一伺服电机（1）和第二伺服电机（13）分别驱动第一集液腔（5）和第二集液腔（10），以调整叶背射流板（6）与涡轮叶片（7）叶背之间、叶盆射流板（8）与涡轮叶片（7）叶盆之间的射流加工间距至设定值；叶背射流板（6）根据涡轮叶片叶背型面反拷贝制作；叶背射流板（6）上制作有与第一集液腔（5）相贯通的阵列射流孔，每个射流孔对应涡轮叶片叶背上的一个气膜孔，每个射流孔与所对应气膜孔的孔径大小及孔轴方向一致；叶盆射流板（8）根据涡轮叶片叶盆型面反拷贝制作，叶盆射流板（8）上制作有第二集液腔（10）相贯通的阵列射流孔，每个射流孔对应涡轮叶片叶盆上的一个气膜孔，每个射流孔与所对应气膜孔的孔径大小及孔轴方向一致。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：叶背射流板（6）距离涡轮叶片（7）的叶背的距离为5mm-10mm；叶盆射流板（8）距离涡轮叶片（7）的叶盆的距离为5mm-10mm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：叶背射流板（6）与叶盆射流板（8）上的射流孔为带有圆锥收缩流道的圆柱喷嘴结构，圆锥收缩段长度为射流孔出口直径的1-2倍，射流孔入口直径为射流孔出口直径的2倍。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的第一集液腔、第二集液腔、叶背射流板（6）、叶盆射流板（8）均采用不锈钢材质制作。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：射流工作液体采用自来水，通过第一进液口（4）和第二进液口（9）分别向第一集液腔（5）和第二集液腔（10）提供工作液。

6.一种利用阵列水射流解决涡轮叶片热障涂层堵孔的方法，其步骤在于：

第一步，制作叶背射流板（6）和叶盆射流板（8）：根据涡轮叶片叶背和叶盆的几何形状、气膜孔位置、数量、方向以及加工间距反拷贝制作叶背射流板（6）和叶盆射流板（8）；叶背射流板（6）和叶盆射流板（8）的厚度为5-10mm，距离涡轮叶片对应面的间距为5-10mm；在叶背射流板及叶盆射流板上制作阵列射流孔，使每个射流孔对应于涡轮叶片上的一个气膜孔，且每个射流孔与所对应的气膜孔孔径大小及孔轴方向一致；

第二步，将叶背射流板（6）安装在第一集液腔（5）上，将叶盆射流板（8）安装在第二集液腔（10）上，使叶背射流板（6）和叶盆射流板（8）上的射流孔与对应的第一集液腔（5）和第二集液腔（10）内腔贯通；

第三步：将待加工的涡轮叶片（7）的榫头放置在榫槽夹具（20）内，并使夹具夹紧榫头；

第四步：通过控制第一伺服电机（1）和第二伺服电机（13）分别移动第一集液腔（5）和第二集液腔（10），使得叶背射流板（6）和叶盆射流板（8）分别与涡轮叶片叶背及叶盆之间的距离为设定好的加工间距；

第五步：通过第一进液口和第二进液口2向对应的第一集液腔（5）和第二集液腔（10）内加注压力为5-20MPa的自来水，使叶背射流板（6）和叶盆射流板（8）上的射流孔产生高压射流，开始水射流通孔加工；

第六步：保持水射流通孔加工时间1-5分钟，具体加工时间根据具体型号的涡轮叶片及热障涂层堵孔程度通过试验确定；通孔加工完成后，停止第一进液口和第二进液口的进液；

第七步：通过第一伺服电机（1）和第二伺服电机（13）移动第一集液腔（5）和第二集液腔（10），取出加工好的涡轮叶片；重新回到第三步，进行下一个涡轮叶片的通孔加工。