涡轮叶片内冷通道的磨料流光整加工特性

郑志鑫　董志国　李孟楠　雷鸿博

关键词 磨料流加工；涡轮叶片；S 形流道；Polyflow 仿真模拟；内冷通道

中图分类号 TG73; TG58; TG664 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）01-0110-08

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0093

收稿日期 2022-06-18 修回日期 2022-07-22

航空发动机涡轮叶片的承温能力能够很大程度上影响发动机的性能。涡轮叶片需承受发动机燃烧后的高温高压燃气冲击，其工作环境十分恶劣。随着航空领域对于涡轮叶片耐高温的要求不断提高，单依赖涡轮叶片自身材料性能已不能满足当代发动机的使用要求。目前采用的冷却方法主要是增加涡轮叶片内部的多冷却通道[1]，其多采用消失模铸造等方法制造，其表面粗糙度较高，存在气体在流道内流动不顺畅、冷却效率低等问题，进而不能对航空叶片进行稳定、高效地冷却。

该领域的多位学者采用理论、数值模拟和试验相结合的方法对磨料流复杂曲面问题进行了研究。针对S 形弯头的内壁开孔抛光，LI 等[2-3] 基于大涡模拟方法，采用数值模拟与试验相结合，确定了磨粒流抛光S 形侧孔弯头的最佳工艺参数。同时还指出，适当增加磨粒流入口压力，多边形螺旋曲面管的内表面粗糙度从原来的1.160 μm 减小到0.285 μm。高航等[4] 针对复杂螺旋面的光整加工， 提出了增加螺旋引流段以消除螺旋面进出口回流区，磨料流加工后的螺旋表面粗糙度由10.50 μm 降为0.45 μm。计时鸣等[5] 提出了面约束软性磨粒流加工方法，有效解决了复杂结构曲面的抛光问题， 使得单晶硅表面粗糙度从506.71 nm 降到10.17 nm。由以上研究可以看出，磨料流光整加工对几何形状复杂的工件有更好的加工优势。

目前，对于航空涡轮叶片内部S 形多冷却流道抛光的研究较少。因此，拟采用一种磨料流光整加工技术方案，用Polyflow 软件进行数值模拟分析，确定S 形流道内的速度场、压力场的变化规律对工件加工效果的影响；对S 形内流道工件进行试验，研究其在不同材料条件下的粗糙度与材料去除量；根据磨料性质参数及试验加工条件，对仿真与试验结果进行对比，确定此方案的可行性。

1 流体磨料与流道特征

1.1 流体磨料

流体磨料所用的磨粒与载体会直接影响工件最终的加工效果和加工效率[6]。图1 为流体磨料。图1a 为试验配置的流体磨料初始状态，图1b 为放置10 min 后的状态。流体磨料所用的磨粒是質量分数为30%、粒径为0.15 mm 的SiC 颗粒， 载体为丁苯橡胶型载体，同时加入软化剂等添加剂，经测量其密度为1 067 kg/m³。

1.2 航空涡轮叶片及试验工件

图2 为航空涡轮叶片[7] 与工件。如图2a 所示：航空涡轮叶片中布满了气膜孔，其内部有多个S 形的内冷却流道。为了证明磨料流加工航空叶片内流道的可行性，图2b 选取了其中一个S 形流道为加工工件来代表叶片内部的流道结构。

2 流体磨料与壁面的作用机理

3 S 形流道的磨料流加工流场

S 形流道的工件内部结构十分复杂，呈弯曲狭长分布，试验不容易得到其压力场、速度场的变化规律。采用幂律流体本构模型进行仿真，用磨料流变特性试验得到材料性质的数据，用数据采集仪得到入口的压力边界条件，与试验结果进行对比验证该模型的准确性，从而了解S 形流道中压力场、速度场的变化规律。

3.1 模型建立网格划分

根据预先设计的S 形流道的工件尺寸进行建模，导入ANSYS 中进行网格划分。仿真模型与划分后的网格如图5 所示。

流道网格划分后，具体的网格参数及数据如表1所示。平均网格质量越接近1，网格质量越高。由表1可知平均网格质量为0.928 67，满足仿真要求（大于0.8）。

3.2 仿真参数设置

（1）流体材料属性设置：根据试验测得所用磨料的流变特性，其黏稠度系数为63.5，非牛顿指数n 为0.828 7。

（2）边界条件设置：入口压力为9 MPa，此处假设入口处流体磨料的流动状态是完全发展的；出口设置为Outflow 自由出口；壁面应用广义Navier 定律，滑移条件设置系数K=101 280，e=0.593。

3.3 数值模拟结果及分析

为了便于分析流道内部流场的情况，创建XY 平面进行分析。图6 为压力场沿流道的分布。由图6 可以看出：磨料压力沿着流道方向逐渐降低，经过第一个S弯压力降至5 MPa 左右，经过第二个S 弯，压力降至2 MPa左右，压力下降的幅度呈逐渐变小的趋势；同时，可看到流道出口处出现了较小的负压。这是由于出口处存在大气压力，并且磨料本身具有黏弹性，经历2 次转弯沿程压力损失比较大，因此到出口处会有较小的负压出现。

图7 为速度场的变化情况，整个S 形流道的结构比较平顺，整体来看速度的变化比较均匀，管道中心区域的速度比较大，速度向管壁逐渐降低。沿磨料流向方向上，管道中心区域和管道壁面区域前后的速度变化都不太明显。根据Preston 方程可知，在工件相同的加工区域，速度相同情况下，压力越高则材料去除量越高，加工效率也越高。

为了验证仿真的准确性，用试验中的磨料、流道横截面积及时间数据求出试验中管道的平均速度为1.67 m/s，与速度场最高速有96.5% 的相似率，与次高速度有86.9%的相似率，验证了管道内流场仿真的准确性。

4 流道的光整加工特性

4.1 试验过程与方案设计

磨料流加工试验装置如图8 所示。图8 中：机床为单向磨料流加工机床，在9 MPa 的恒压条件下进行试验；下料缸上面放上夹具、工件与压力传感器，传感器连上压力表，压力表与数据采集仪相连接；用电脑上的YE7600 软件对料缸内压力以及加工时间数据进行记录。每个加工循环约为50 s，1 个循环定义为1 次加工。经过多次循环加工后，工件可达到较为理想的工，作表面。

试验方案如表2 所示。试验分3 组进行， 试验1对较软的Q235 工件进行3 次加工；试验2 采用稍硬的45 钢进行3 次加工，研究材料硬度对加工效果的影响；试验3 在试验2 的基础上再进行3 次加工，对比加工次数对加工效果的影响。

4.2 S 形流道表面粗糙度分析

图9 为加工前的工件表面，可以看到沿切割方向的沟痕比较明显、有一些块状金属突起和金属堆积成列的现象出现。

图10 为表面粗糙度测量点分布区域。为了更好地描述加工试验前后工件不同位置的表面粗糙度及材料去除量的变化情况，选取了图10 中4 个典型的加工区域进行测量，分别是工件的加工入口区域A、第一个S 弯处区域B、第二个S 弯处区域C、加工出口区域D。

图11 为Q235 工件加工前后表面粗糙度。用粗糙度仪在Q235 工件上沿流向随机测量取均值得到其初始表面粗糙度值为0.327 μm。从图11a 中可以看出：经过3 次加工后，沿流向方向上，区域B，C 的表面粗糙度下降至0.155 μm 与0.176 μm， 分别下降了52.60% 与46.18%，区域B，C 的表面粗糙度下降幅度要大于区域A，D 的。磨料在区域B，C 的流向与原始表面沟痕夹角较大，原本较深的加工沟痕形貌被打破，从而整体变得更加平整， 沿流向方向的表面粗糙度也降低较多。

垂直流向的初始表面粗糙度为1.520 μm。从图11b 可以看出：垂直流向方向比沿流向方向表面粗糙度下降幅度更大，3 次加工后，区域B，C 的表面粗糙度分别降低到0.667 μm 与0.670 μm，分别下降了56.12%与55.92%，并且大于区域A，D 的降低幅度。

图12 为工件的4 个区域在光学显微镜下放大后的表面微观形貌。从图12 可以看出： 3 次加工后，区域A，D 整体的表观纹理流向并没有太大变化。区域A为磨料入口区域，压力较大，其对工件的切削能力强；区域D 为磨料的出口区域，由于沿管道内存在沿程压力损失，压力较小，依据Preston 方程，区域A 比区域D的材料去除量更高，加工后表面粗糙度更低。从图12b、12c 可以明显看出区域B，C 的表面变得更加平整。

图13 为45 钢工件加工前后表面粗糙度。45 钢工件沿流向原始粗糙度為0.329 μm。由图13a 可知：3 次加工后，沿流向区域A 的表面粗糙度降到0.258 μm，最大降幅为21.6%，表面粗糙度比工件Q235 的下降幅度小。Q235 材料比45 钢软，在相同的加工条件下，更易被磨料切削；经过6 次加工，工件4 个区域的粗糙度又有了明显的降低。但比前3 次下降得少，因为磨料具有黏温特性，随着加工次数增多，磨料温度升高黏度会随之下降，切削能力也会下降。

垂直于流线方向的初始粗糙度为1.134 μm，经过3 次加工后粗糙度得到了大幅的降低。从图13b 可知：区域A， B， C，D 所对应的粗糙度分别降至0.774， 0.705，0.748，0.945 μm ，区域B，C 粗糙度下降的幅度较大，分别为37.83%，34.04%，可知磨料流动方向与工件加工痕迹夹角越接近90°，材料去除率越高[11]。区域A，D 沿流线方向的加工痕迹没有本质的改变，而B，C 区域由于原来沿流向的加工痕迹被磨料打破了，垂直流向粗糙度会有明显的降低。

3 次加工后，4 个区域中区域B，D 粗糙度差距最大，分别为0.705， 0.945 μm，粗糙度差为0.240 μm。经过6次加工后，区域B， D 粗糙度差距仍最大，分别为0.581，0.717 μm，粗糙度差为0.136 μm，可知随着加工次数的增加，整个工件表面的均匀程度得到提高。

6 次加工后，工件的微观形貌如图14 所示，磨料压力沿着流动方向逐渐降低，在区域A、区域B、区域C中磨料颗粒产生的加工痕迹和材料去除较为明显，由于存在沿程压力损失，区域D 加工痕迹不太明显，可以看到一些金属材料堆积现象。

4.3 工件材料去除量的分析

2 种工件3 次加工后材料去除量的对比结果如图15所示，可以看出材料整体的去除量呈逐渐下降的趋势。根据仿真可知，S 形流道内的压力沿流动方向逐渐降低，而内部的速度是呈现均匀的中间高两边低的趋势；根据Preston 方程可知，在研究的4 个加工区域中，压力是影响材料去除率的主要因素，压力越大，切削能力也越强[12]。因此，沿流动方向材料去除量逐渐降低，区域A 比区域D 的材料去除量大4～5 倍。对比2 种材料在4 个相同区域的材料去除量，发现Q235 工件比45钢工件的材料去除量高，这是由于在相同的加工条件下，磨料更容易对较软的材料产生微切削作用，因而材料去除量也就更大。

5 结论

对航空叶片内流道进行简化并进行试验，磨料可以成功抛光S 形内流道，通过仿真和试验研究，得到以下结论：

（1）用Polyflow 软件仿真得出，流道内压力经过第一个S 弯后由9 MPa 降为5 MPa，经过第二个S 弯后压力降为2 MPa，压力下降的幅度呈逐渐变小的趋势，速度由通道中心区域向壁面逐渐减小。

（2）在S 形流道转弯处，流体磨料运动方向与工件初始表面流向能形成较大夹角，加工后转弯处的表面粗糙度比直流道处低。

（3）流道内沿流动方向存在沿程压力损失，3 次加工条件下，区域A 比区域D 的材料去除量大4～5 倍，粗糙度也更低。