Introducció a les fulles de la turbina
El component amb les pitjors condicions de treball del motor de la turbina és també el component rotatiu més important. Als components de l’extrem calent dels motors d’avió, les fulles de la turbina estan sotmeses a erosió de gas a alta temperatura i canvis de temperatura durant la posada en marxa del motor i els cicles d’aturada, i les fulles del rotor estan sotmeses a força centrífuga a grans velocitats. El material és necessari per tenir una resistència a la tracció a la temperatura suficient, la resistència de resistència, la resistència al fluix, així com una bona resistència a la fatiga, la resistència a l’oxidació, la resistència a la corrosió del gas i la plasticitat adequada. A més, també calen estabilitat organitzativa a llarg termini, força d’impacte, catabilitat i baixa densitat.
La temperatura d’entrada de gas dels motors avançats d’avions arriba als 1380 graus i l’empenta arriba a 226 kN. Les fulles de la turbina estan sotmeses a forces aerodinàmiques i centrífugues, amb les fulles amb una tensió a la tracció d’uns 140MPa; L’arrel de la fulla té una tensió mitjana de 280 ~ 560mPa, i el cos de la fulla corresponent té una temperatura de 650 ~ 980 graus i l’arrel de la fulla és d’uns 760 graus.
El nivell de rendiment de les fulles de turbina (especialment la capacitat de rodament de la temperatura) s’ha convertit en un indicador important del nivell avançat d’un model de motor. En certa manera, el procés de colada de futures fulles del motor determina directament el rendiment del motor i també és una indústria de l'aviació nacional. Una marca significativa de nivell.
Disseny de forma de fulla
Com que hi ha moltes fulles, si estan dissenyades en formes regulars directes, es pot reduir molta tecnologia de processament, es pot reduir la dificultat de disseny i es poden reduir molts costos. Tot i això, la majoria de les fulles estan torçades i corbes.
Permeteu -me que primer us presenti alguns conceptes bàsics de les fulles.
Primer, què és un corredor? A continuació, es mostren dos diagrames típics de corredor.
Diagrama de flux de compressor
Diagrama de camins de flux de turbina
En segon lloc, quina és la fórmula de càlcul de la velocitat circumferencial? Al canal de flux, la velocitat circumferencial és diferent en diferents radis (això es pot obtenir segons la fórmula de càlcul de la figura següent)
Circumferencial Speedfinalment, quin és l’angle d’atac del flux d’aire? L’angle d’atac del flux d’aire és l’angle entre el flux d’aire i l’acord de la fulla respecte a la direcció de la velocitat de la fulla.
Agafant l’ala de l’avió com a exemple, es mostra l’angle d’atac del flux d’aire. A continuació, per què s’explica la fulla? Atès que les velocitats circumferencials a diferents radis del canal de flux són diferents, l'angle d'atac del flux d'aire a diferents nivells primitius de radi varia molt; A la punta de la fulla, a causa del gran radi i la gran velocitat circumferencial, es produeix un gran angle positiu d’atac, donant lloc a una separació greu de flux d’aire a la part posterior de la fulla; A l’arrel de la fulla, a causa del petit radi i la petita velocitat circumferencial, es produeix un gran angle negatiu d’atac, donant lloc a una separació greu del flux d’aire a la conca de la fulla de la fulla.
Per tant, per a les fulles rectes, tret d’una part del diàmetre més proper que encara pot funcionar, la resta de parts produirà una separació de flux d’aire greu, és a dir, l’eficiència d’un compressor o turbina que treballa amb fulles rectes és extremadament pobra, i fins i tot pot arribar al punt on no pot operar. És per això que s’han de torçar les fulles.
Història del desenvolupament
A mesura que la potència dels motors d’avió continua augmentant, s’aconsegueix augmentant la temperatura d’entrada del compressor, cosa que requereix l’ús de fulles avançades amb una major resistència a la temperatura. A més de les condicions d’alta temperatura, l’entorn de treball de les fulles d’extrem calent també es troba en un estat extrem d’alta pressió, alta càrrega, vibracions elevades i corrosió alta, de manera que les fulles han de tenir un rendiment integral extremadament alt. Això requereix que les fulles siguin de materials especials d’aliatge (aliatges d’alta temperatura) i processos especials de fabricació (colada de precisió més solidificació direccional) per fer estructures de matriu especials (estructures de cristall únic) per satisfer les necessitats en la major mesura possible.
Les fulles complexes de turbines buides d’un sol cristall s’han convertit en la tecnologia bàsica dels motors actuals de proporció d’empenta-pes. Es tracta de la investigació i l’ús de materials avançats d’aliatge d’un sol cristall i l’aparició de la tecnologia de fabricació de fulla d’un sol cristall de doble aire de doble paret que ha permès que la tecnologia de preparació d’un sol cristall tingui un paper clau en els motors d’aviació militar i comercial més avançats actuals. Actualment, les fulles d’un sol cristall no només s’han instal·lat en tots els motors avançats d’aviació, sinó que també s’utilitzen cada cop més en les turbines de gas pesat.
Els superallys de cristall simples són un tipus de materials avançats de fulla del motor desenvolupades a partir de cristalls equiaxats i cristalls de columnar direccionals. Des de principis de la dècada de 1980, la primera generació de superalls de cristall únic com PWA1480 i Renen4 han estat àmpliament utilitzades en diversos motors d’avions. A finals de la dècada de 1980, la segona generació de fulles de superallot de cristall representades per PWA1484 i Renen5 també es van utilitzar àmpliament en motors avançats d’avions com CFM56, F100, F110 i PW4000. Actualment, la segona generació de superallys de cristall únic als Estats Units han madurat i s’utilitzen àmpliament en motors d’avions militars i civils.
En comparació amb els aliatges de cristall únic de primera generació, els aliatges de cristall únic de segona generació representats per PWA1484 de PW, CMSX -4, i el Rene'N5 de GE han augmentat la seva temperatura de funcionament en 30 graus afegint un 3% de reni i augmenten adequadament el contingut de molybden, aconseguint un bon equilibri entre força i resistència a la oxidació i la corrosió.
En el tercer aliatge de cristall únic Rene N6 i CMSX -10, la composició d’aliatge s’optimitza en un sol pas, el contingut total d’elements insolubles amb un gran radi atòmic gran, sobretot l’addició de més de 5WT% reni, que millora significativament la força de temperatura, 1150 La vida de resistència de l’aliatge és més gran de 150 hores, que és molt més llarga que la vida de la primera generació de la vida de la primera generació de la vida de la vida de la primera generació de la vida del primer gener, que és molt més llarga de la vida al Aliatge d’unes 10 hores i també té resistència d’alta resistència a la fatiga tèrmica, l’oxidació i la corrosió tèrmica.
Els Estats Units i el Japó han desenvolupat successivament la quarta generació d’aliatges d’un sol cristall. Afegint ruteni, l’estabilitat de la microestructura d’aliatge s’ha millorat encara més i s’ha augmentat la resistència a la temperatura a llarg termini. La seva vida de resistència a 1100 graus és 10 vegades superior a la del segon aliatge de cristall únic i la temperatura de funcionament ha assolit els 1200 graus. A continuació es mostra la composició de cristall única de la mateixa generació.
Material de base de fulla i tecnologia de fabricació
Blades d’aliatge d’alta temperatura deformades
El desenvolupament d’aliatges deformables d’alta temperatura té una història de més de 50 anys. Els aliatges a alta temperatura deformables d’ús comú per a les fulles del motor d’avions domèstics es mostren a la taula 1. Amb l’augment d’alumini, titani, tungstè i contingut de molibdè en aliatges d’alta temperatura, les propietats del material continuen millorant, però el rendiment de treball en calent disminueix; Després d’afegir l’element costós de cobalt, es pot millorar el rendiment integral del material i es pot millorar l’estabilitat de l’estructura d’alta temperatura.
Les fulles són parts clau dels motors d’avions i el seu volum de fabricació representa al voltant del 30% del volum total de fabricació del motor.
Les fulles del motor d’avions són parts de paret fina i es poden deformar fàcilment. Com controlar la seva deformació i processar -les de manera eficaç i amb alta qualitat és un dels temes importants de la investigació de la indústria de la fabricació de fulles.
Amb l’aparició de màquines-eines de CNC d’alt rendiment, el procés de fabricació de les fulles de turbines també ha sofert canvis importants. Les fulles processades mitjançant la tecnologia de mecanitzat CNC de precisió tenen cicles de fabricació d’alta precisió i curts, generalment de 6 a 12 mesos a la Xina (mecanitzat semi-final); i de 3 a 6 mesos a l'estranger (mecanitzat sense residus).
