一种薄壁不锈钢材料的低毕渥数焊接式不等环量蜗壳的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航空活塞发动机涡轮增压器技术领域，具体涉及一种薄壁不锈钢材料的低毕渥数焊接式不等环量蜗壳。
【背景技术】
[0002]涡轮蜗壳是航空活塞发动机用的重要部件，航空发动机排出的高温废气在蜗壳流道内推动涡轮做功，蜗壳的材料、结构、流道形状对增压器的效率、可靠性有着重要的影响。蜗壳工作温度在1100°c -1300°c之间，因此涡轮蜗壳的材料要有较好的耐热性能和抗火焰氧化能力。由于涡轮增压器所承受的主要载荷大部分通过轴承体传递给涡轮蜗壳，故要求其具有良好的机械强度。涡轮蜗壳的流道形状复杂，局部壳体壁较薄，对材料的成型方法和切削加工性能也有较高要求。另外，结构轻量化一直是航空发动机设计所追求的目标。
[0003]由于航空增压器蜗壳的形状复杂，尤其是流道面多为自由曲面，因此，现有的蜗壳大都采用铸造成型的方式，如砂型铸造或重力型金属铸造。材料选择方面，在保证满足强度要求的前提下，以铸造性能相对较好的奥氏体耐热铸钢为主。铸造式蜗壳虽然具有机械性能好、可靠性高等优点，但在以下方面存在不足:
[0004]1.重量大。虽然铸钢属于铸造性能较好的钢材料，但与铁、铝等金属材料相比，金属流动性能相对较差，铸造性能仍有较大差距。因此，以耐热铸钢为材料的铸造式蜗壳壁厚较大，整体重量偏高，不满足航空轻量化的要求。
[0005]2.成型难度高。由于铸钢材料的金属流动性和铸造性能差，导致蜗壳的成型难度较高，在结构工艺性设计方面，多以形状简单、易于成型的结构为主，壁厚也不宜设计的过薄，蜗壳的设计空间较小，存在着一定的局限性。
[0006]3.开发周期较长。由于铸造式蜗壳成型难度高，铸造模具设计难度较大，需要经过多次的修改和试验才能完成最终的模具设计。
[0007]4.热惯性高。内流道形状复杂、铸造难度高决定了铸造式蜗壳只能采用厚壁结构，由此带来了毕渥数高、热惯性高的问题，与薄壁蜗壳相比，蜗壳温度升高或降低相同的温度所需时间更长。
[0008]近年来，快速模具技术和薄壁不锈钢焊接技术快速发展。快速模具技术是用可以自由变换形状的工具对具有一定形状、结构不是非常复杂的零件快速成型，该技术可以大幅缩短模具开发的周期；薄壁不锈钢焊接技术是以304H、316H等低碳不锈钢材料为母材，采用氩弧焊的焊接方法对薄壁的不锈钢板完成焊接的成型方法。该焊接方法使热影响区的耐腐蚀性较高、热烈率较低、焊缝质量较高。但迄今为止，尚未见到以上两种技术应用于增压器蜗壳制造方面的报道。
【发明内容】
[0009]本发明针对铸造式蜗壳在航空增压器应用方面的不足，本发明提出一种薄壁不锈钢材料的低毕渥数焊接式不等环量蜗壳，满足结构简单、重量轻、高可靠性、高空密封性能好的航空活塞发动机增压器设计要求。
[0010]本发明一种薄壁不锈钢材料的低毕渥数焊接式不等环量蜗壳，包括流道组件、出口外壳体组件和定位组件。
[0011 ] 其中，流道组件包括上流道壳体、下流道壳体和进口法兰。上流道壳体和下流道壳体焊接成一体，形成蜗壳流道；进口法兰直接焊接在蜗壳流道的进口端面上，构成流道焊合件；上述流道组件中靠近蜗壳流道进口的位置设有放气孔。
[0012]出口外壳体组件由外壳体、放气阀基体、出口异形法兰和蜗壳出口壳体构成；其中，外壳体侧壁开有放气阀安装孔。放气阀基体作为放气阀的载体，焊接在放气阀安装孔处；蜗壳出口壳体为渐变收缩口筒状结构，截面形状从圆弧过渡为直线。蜗壳出口壳体焊接在外壳体底部；出口异形法兰焊接在外壳体顶部；上述出口外壳体组件底部以流道组件中上流道壳体的内定位面为基准，与流道组件焊接成一体，使出口外壳体组件靠近蜗壳流道，出口异型法兰远离蜗壳流道。
[0013]定位组件由轴向定位板、径向定位环和补气管构成；径向定位环预留有补气管的定位孔。径向定位环外圆柱面预留有定位槽，定位槽作为轴向定位和径向定位环连接的轴向和径向定位基准，进而将轴向定位板通过定位槽与径向定位环精确定位后，同轴与径向定位环焊接成一体；定位组件以流道组件中下流道壳体的内定位面为基准与流道组件焊接成一体。
[0014]本发明对比已有技术，优点在于:
[0015](I)本发明蜗壳结构简单，重量轻。与铸造成型相比，焊接成型对于蜗壳的厚度没有太高的要求，在保证结构强度的前提下厚度可适当减少，具有相同流道的焊接式蜗壳相比铸造式蜗壳重量可降低40% — 50%，满足了航空轻量化的要求；
[0016](2)本发明蜗壳成型难度低。与铸造成型相比，单件的冲压成型或快速模具成型以及组件的焊接成型的难度明显降低，且可根据需要设计相对复杂的结构。
[0017](3)本发明蜗壳开发周期短。借助快速模具辅助成型，可使从设计完成到产品加工完成的制造周期缩短到一周以内，大幅缩短了增压器蜗壳产品的开发周期。
[0018](4)本发明蜗壳热惯性低。薄壁不锈钢蜗壳与厚壁耐热铸钢蜗壳相比，对温度变化的响应快，即同气源条件下，蜗壳被高温燃气加热到相同温度，前者所需时间比后者短，热惯性低。在同等技术条件下，配有薄壁不锈钢蜗壳的增压器的涡轮效率要高于配有耐热铸钢蜗壳的增压器。
[0019](5)本发明蜗壳易于改型。焊接式蜗壳在结构修改时具有较好的便利性，将需要修改的零件对应的焊点打开后，将修改后的零件替换原零件并在相应的位置重新焊接即可。
【附图说明】
[0020]图1是本发明蜗壳三维局部剖切图；
[0021]图2是流道组件结构示意图。
[0022]图中:
[0023]1-流道组件2-出口外壳体组件3-定位组件
[0024]101-上流道壳体 102-下流道壳体 103-进口法兰
[0025]104-放气孔201-外壳体202-放气阀基体
[0026]203-出口异形法兰204-蜗壳出口壳体301-轴向定位板
[0027]302-径向定位环 303-补气管
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0029]本发明所述的一种薄壁不锈钢材料的低毕渥数焊接式不等环量蜗壳，采用薄壁不锈钢材料的低毕渥数焊接式不等环量蜗壳，包括流道组件1、出口外壳体组件2和定位组件3，如图1所示。
[0030]其中，流道组件I包括上流道壳体101、下流道壳体102和进口法兰103，如图2所示；上流道壳体101和下流道壳体102翻边形成内定位面后焊接成一体，形成蜗壳流道，进口法兰103直接焊接在蜗壳流道的进口端面上，构成流道焊合件。上述流道组件I中靠近蜗壳流道进口的位置设有放气孔104。
[0031]传统的蜗壳型线设计主要有两种:一种是基于蜗壳内速度为常值假设的周向平均速度法，通过这一方法设计出来的蜗壳型线为一条阿基米德螺旋线；一种是基于等环量法或者称为等速度矩法假设设计出来的蜗壳，通过这一方