一種薄壁不銹鋼材料的低畢渥數焊接式不等環量蝸殼的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于航空活塞發動機渦輪增壓器技術領域，具體涉及一種薄壁不銹鋼材料的低畢渥數焊接式不等環量蝸殼。
【背景技術】
[0002]渦輪蝸殼是航空活塞發動機用的重要部件，航空發動機排出的高溫廢氣在蝸殼流道內推動渦輪做功，蝸殼的材料、結構、流道形狀對增壓器的效率、可靠性有著重要的影響。蝸殼工作溫度在1100°c -1300°c之間，因此渦輪蝸殼的材料要有較好的耐熱性能和抗火焰氧化能力。由于渦輪增壓器所承受的主要載荷大部分通過軸承體傳遞給渦輪蝸殼，故要求其具有良好的機械強度。渦輪蝸殼的流道形狀復雜，局部殼體壁較薄，對材料的成型方法和切削加工性能也有較高要求。另外，結構輕量化一直是航空發動機設計所追求的目標。
[0003]由于航空增壓器蝸殼的形狀復雜，尤其是流道面多為自由曲面，因此，現有的蝸殼大都采用鑄造成型的方式，如砂型鑄造或重力型金屬鑄造。材料選擇方面，在保證滿足強度要求的前提下，以鑄造性能相對較好的奧氏體耐熱鑄鋼為主。鑄造式蝸殼雖然具有機械性能好、可靠性高等優點，但在以下方面存在不足:
[0004]1.重量大。雖然鑄鋼屬于鑄造性能較好的鋼材料，但與鐵、鋁等金屬材料相比，金屬流動性能相對較差，鑄造性能仍有較大差距。因此，以耐熱鑄鋼為材料的鑄造式蝸殼壁厚較大，整體重量偏高，不滿足航空輕量化的要求。
[0005]2.成型難度高。由于鑄鋼材料的金屬流動性和鑄造性能差，導致蝸殼的成型難度較高，在結構工藝性設計方面，多以形狀簡單、易于成型的結構為主，壁厚也不宜設計的過薄，蝸殼的設計空間較小，存在著一定的局限性。
[0006]3.開發周期較長。由于鑄造式蝸殼成型難度高，鑄造模具設計難度較大，需要經過多次的修改和試驗才能完成最終的模具設計。
[0007]4.熱慣性高。內流道形狀復雜、鑄造難度高決定了鑄造式蝸殼只能采用厚壁結構，由此帶來了畢渥數高、熱慣性高的問題，與薄壁蝸殼相比，蝸殼溫度升高或降低相同的溫度所需時間更長。
[0008]近年來，快速模具技術和薄壁不銹鋼焊接技術快速發展。快速模具技術是用可以自由變換形狀的工具對具有一定形狀、結構不是非常復雜的零件快速成型，該技術可以大幅縮短模具開發的周期；薄壁不銹鋼焊接技術是以304H、316H等低碳不銹鋼材料為母材，采用氬弧焊的焊接方法對薄壁的不銹鋼板完成焊接的成型方法。該焊接方法使熱影響區的耐腐蝕性較高、熱烈率較低、焊縫質量較高。但迄今為止，尚未見到以上兩種技術應用于增壓器蝸殼制造方面的報道。
【發明內容】
[0009]本發明針對鑄造式蝸殼在航空增壓器應用方面的不足，本發明提出一種薄壁不銹鋼材料的低畢渥數焊接式不等環量蝸殼，滿足結構簡單、重量輕、高可靠性、高空密封性能好的航空活塞發動機增壓器設計要求。
[0010]本發明一種薄壁不銹鋼材料的低畢渥數焊接式不等環量蝸殼，包括流道組件、出口外殼體組件和定位組件。
[0011 ] 其中，流道組件包括上流道殼體、下流道殼體和進口法蘭。上流道殼體和下流道殼體焊接成一體，形成蝸殼流道；進口法蘭直接焊接在蝸殼流道的進口端面上，構成流道焊合件；上述流道組件中靠近蝸殼流道進口的位置設有放氣孔。
[0012]出口外殼體組件由外殼體、放氣閥基體、出口異形法蘭和蝸殼出口殼體構成；其中，外殼體側壁開有放氣閥安裝孔。放氣閥基體作為放氣閥的載體，焊接在放氣閥安裝孔處；蝸殼出口殼體為漸變收縮口筒狀結構，截面形狀從圓弧過渡為直線。蝸殼出口殼體焊接在外殼體底部；出口異形法蘭焊接在外殼體頂部；上述出口外殼體組件底部以流道組件中上流道殼體的內定位面為基準，與流道組件焊接成一體，使出口外殼體組件靠近蝸殼流道，出口異型法蘭遠離蝸殼流道。
[0013]定位組件由軸向定位板、徑向定位環和補氣管構成；徑向定位環預留有補氣管的定位孔。徑向定位環外圓柱面預留有定位槽，定位槽作為軸向定位和徑向定位環連接的軸向和徑向定位基準，進而將軸向定位板通過定位槽與徑向定位環精確定位后，同軸與徑向定位環焊接成一體；定位組件以流道組件中下流道殼體的內定位面為基準與流道組件焊接成一體。
[0014]本發明對比已有技術，優點在于:
[0015](I)本發明蝸殼結構簡單，重量輕。與鑄造成型相比，焊接成型對于蝸殼的厚度沒有太高的要求，在保證結構強度的前提下厚度可適當減少，具有相同流道的焊接式蝸殼相比鑄造式蝸殼重量可降低40% — 50%，滿足了航空輕量化的要求；
[0016](2)本發明蝸殼成型難度低。與鑄造成型相比，單件的沖壓成型或快速模具成型以及組件的焊接成型的難度明顯降低，且可根據需要設計相對復雜的結構。
[0017](3)本發明蝸殼開發周期短。借助快速模具輔助成型，可使從設計完成到產品加工完成的制造周期縮短到一周以內，大幅縮短了增壓器蝸殼產品的開發周期。
[0018](4)本發明蝸殼熱慣性低。薄壁不銹鋼蝸殼與厚壁耐熱鑄鋼蝸殼相比，對溫度變化的響應快，即同氣源條件下，蝸殼被高溫燃氣加熱到相同溫度，前者所需時間比后者短，熱慣性低。在同等技術條件下，配有薄壁不銹鋼蝸殼的增壓器的渦輪效率要高于配有耐熱鑄鋼蝸殼的增壓器。
[0019](5)本發明蝸殼易于改型。焊接式蝸殼在結構修改時具有較好的便利性，將需要修改的零件對應的焊點打開后，將修改后的零件替換原零件并在相應的位置重新焊接即可。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明蝸殼三維局部剖切圖；
[0021]圖2是流道組件結構示意圖。
[0022]圖中:
[0023]1-流道組件2-出口外殼體組件3-定位組件
[0024]101-上流道殼體 102-下流道殼體 103-進口法蘭
[0025]104-放氣孔201-外殼體202-放氣閥基體
[0026]203-出口異形法蘭204-蝸殼出口殼體301-軸向定位板
[0027]302-徑向定位環 303-補氣管
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0029]本發明所述的一種薄壁不銹鋼材料的低畢渥數焊接式不等環量蝸殼，采用薄壁不銹鋼材料的低畢渥數焊接式不等環量蝸殼，包括流道組件1、出口外殼體組件2和定位組件3，如圖1所示。
[0030]其中，流道組件I包括上流道殼體101、下流道殼體102和進口法蘭103，如圖2所示；上流道殼體101和下流道殼體102翻邊形成內定位面后焊接成一體，形成蝸殼流道，進口法蘭103直接焊接在蝸殼流道的進口端面上，構成流道焊合件。上述流道組件I中靠近蝸殼流道進口的位置設有放氣孔104。
[0031]傳統的蝸殼型線設計主要有兩種:一種是基于蝸殼內速度為常值假設的周向平均速度法，通過這一方法設計出來的蝸殼型線為一條阿基米德螺旋線；一種是基于等環量法或者稱為等速度矩法假設設計出來的蝸殼，通過這一方