Namate die prestasievereistes vir vliegtuie vir vervoer, militêre, produksie en ander doeleindes toegeneem het, kon die vroegste suierenjins nie meer aan die behoeftes van hoëspoedvlugte voldoen nie. Daarom, sedert die 1950's, het gasturbine-enjins geleidelik hoofstroom geword.
In 1928 het sir Frank Whittle van die Verenigde Koninkryk in sy proefskrif "Future Development in Aircraft Design" tydens sy studie aan die militêre akademie daarop gewys dat die toekomstige ontwikkeling van skroefenjins nie by die behoeftes kon aanpas nie. van hoë hoogte bo seespieël of vlugsnelhede van meer as 800 km/h. Hy het eers die konsep voorgestel van wat nou 'n straalenjin (motorenjin) genoem word: saamgeperste lug word deur 'n tradisionele suier aan die verbrandingskamer (verbranding) voorsien, en die hoëtemperatuurgas wat opgewek word, word direk gebruik om vlug aan te dryf, wat kan as 'n skroefenjin plus 'n verbrandingskamerontwerp beskou word. In daaropvolgende navorsing het hy die idee laat vaar om 'n swaar en ondoeltreffende suier te gebruik en het voorgestel om 'n turbine (turbine) te gebruik om saamgeperste lug aan die verbrandingskamer te verskaf, en die krag van die turbine is verkry uit die hoëtemperatuur-uitlaatgas. In 1930 het Whittle om 'n patent aansoek gedoen, en in 1937 het hy die wêreld se eerste sentrifugale turbostraalenjin ontwikkel, wat amptelik in 28 in die Gloster E.39/1941-vliegtuig gebruik is. Sedertdien het gasturbine-enjins lugvaartkrag oorheers en is 'n belangrike simbool van 'n land se wetenskaplike en tegnologiese industriële vlak en omvattende nasionale sterkte.
Vliegtuigenjins kan in vier basiese tipes verdeel word volgens hul gebruike en strukturele eienskappe: turbostraal-enjins, turbowaaier-enjins, turboas-enjins en turboprop-enjins:
Lugvaartgasturbine-enjins word na verwys as turbostraal-enjins, wat die vroegste gasturbine-enjins is wat gebruik word. Vanuit die perspektief van die manier waarop stukrag gegenereer word, is turbostraalenjins die eenvoudigste en mees direkte enjins. Die redenasie berus op die reaksiekrag wat deur die hoëspoed-inspuiting van die draaikolk gegenereer word. Die hoëspoed-lugvloei neem egter terselfdertyd baie hitte en kinetiese energie weg, wat groot energieverlies veroorsaak.
Die turbowaaier-enjin verdeel die lug wat in die enjin vloei in twee paaie: die binnekanaal en die buitenste kanaal, wat die totale lugvloei verhoog en die uitlaattemperatuur en spoed van die binneste kanaallugvloei verminder.
Turboas- en turboprop-enjins genereer nie stukrag deur lugvloei-inspuiting nie, dus word die uitlaattemperatuur en spoed aansienlik verminder, die termiese doeltreffendheid is relatief hoog en die enjin se brandstofverbruik is laag, wat geskik is vir langafstandvliegtuie. Die spoed van die skroef verander oor die algemeen nie, en verskillende stootkragte word verkry deur die lemhoek aan te pas.
Die propfan-enjin is 'n enjin tussen turboprop- en turbofan-enjins. Dit kan verdeel word in propfan-enjins met buisskroefkaste en propfan-enjins sonder kanaalskroefkaste. Die propfan-enjin is die mees mededingende nuwe energiebesparende enjin wat geskik is vir subsoniese vlugte.
Siviele lugvaartenjins het meer as 'n halwe eeu van ontwikkeling deurgemaak. Die struktuur van die enjin het ontwikkel van die vroeë sentrifugale turbine-enjin na die enkel-rotor aksiale vloei-enjin, van die twee-rotor turbo-jet-enjin na die lae omleiding-verhouding turbofan enjin, en dan na die hoë omleiding verhouding turbofan enjin. Die struktuur is voortdurend geoptimaliseer met die strewe na doeltreffendheid en betroubaarheid. Die turbine-inlaattemperatuur was slegs 1200-1300K in die eerste generasie turbostralerenjins in die 1940's en 1950's. Dit het met ongeveer 200K toegeneem met elke vliegtuigopgradering. Teen die 1980's het die turbine-inlaattemperatuur van die vierde generasie gevorderde vegvliegtuie 1800-2000K[1] bereik.
Die beginsel van sentrifugale lugkompressor is dat die stuwer die gas dryf om teen hoë spoed te draai, sodat die gas sentrifugale krag opwek. As gevolg van die uitsettingsdrukvloei van die gas in die waaier, word die vloeitempo en druk van die gas verhoog nadat dit deur die waaier gegaan het, en saamgeperste lug word voortdurend geproduseer. Dit het 'n kort aksiale afmeting en 'n hoë enkelfase drukverhouding. Asvloei-lugkompressor is 'n kompressor waarin die lugvloei basies parallel met die as van die roterende stuwer vloei. Die aksiale vloeikompressor bestaan uit veelvuldige stadiums, elke stadium bevat 'n ry rotorlemme en 'n daaropvolgende ry statorlemme. Die rotor is die werkende lemme en die wiel, en die stator is die gids. Die lug word eers deur die rotorlemme versnel, in die statorlemkanaal vertraag en saamgepers, en in die multi-stadium lemme herhaal totdat die totale drukverhouding die vereiste vlak bereik. Die aksiale vloeikompressor het 'n klein deursnee, wat gerieflik is vir multi-stadium tandem gebruik om 'n hoër drukverhouding te verkry.
Turbowaaier-enjins gebruik gewoonlik omleidingsverhouding, enjindrukverhouding, turbine-inlaattemperatuur en waaierdrukverhouding as ontwerpparameters:
Omleidingsverhouding (BPR): Die verhouding van die massa gas wat deur die uitlaatkanale vloei tot die massa gas wat deur die binnekanale in die enjin vloei. Die rotor aan die voorkant van 'n turbojet-enjin word gewoonlik die laedrukkompressor genoem, en die rotor aan die voorkant van 'n turbowaaier-enjin word gewoonlik die waaier genoem. Die drukgas wat deur die laedrukkompressor gaan, gaan deur alle dele van die turbostraalenjin; die gas wat deur die waaier gaan, word in die binne- en buitekanale verdeel. Sedert die opkoms van turbofan-enjins, het BPR toegeneem, en hierdie neiging is veral duidelik in siviele turbofan-enjins.
Enjindrukverhouding (EPR): Die verhouding van die totale druk by die mondstukuitlaat tot die totale druk by die kompressorinlaat.
Turbine-inlaattemperatuur: Die temperatuur van die uitlaat van die verbrandingskamer wanneer dit die turbine binnegaan.
Waaier-kompressieverhouding: Ook na verwys as kompressieverhouding, die verhouding van die gasdruk by die kompressoruitlaat tot die gasdruk by die inlaat.
Twee doeltreffendheid:
Termiese doeltreffendheid: 'n Maatstaf van hoe doeltreffend 'n enjin die hitte-energie wat deur verbranding gegenereer word, omskakel na meganiese energie.
Aandryfdoeltreffendheid: 'n Maatstaf van die proporsie van die meganiese energie wat deur die enjin gegenereer word wat gebruik word om die vliegtuig aan te dryf.
In die 1970's was die Verenigde State die eerste wat PWA1422-rigtingstollingslemme in militêre en burgerlike vliegtuigenjins gebruik het.
Ná die 1980's het die stoot-tot-gewig-verhouding van die derdegenerasie-enjin tot meer as 8 toegeneem, en die turbinelemme het die eerstegenerasie SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 en China se DD3 begin gebruik. Sy temperatuurdravermoë is 80K hoër as dié van die beste rigtinggewende stollingsgiet-hoëtemperatuur-legering PWA1422. Voordele. Tesame met die filmverkoelende enkelkanaal-hol tegnologie, bereik die werkstemperatuur van die turbinelemme 1600-1750K. .
Die vierde generasie turbowaaier-enjin gebruik die tweede generasie SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 en DD6. Deur Re-elemente en multi-kanaal hoëdruk lugverkoelingstegnologie by te voeg, bereik die bedryfstemperatuur van die turbinelemme 1800K-2000K. By 2000K en 100h Die blywende sterkte bereik 140MPa.
Die derde generasie SX wat na die 1990's ontwikkel is, sluit RenéN6, CMRX-10 en DD9 in, wat baie duidelike kruipsterktevoordele bo die tweedegenerasie SX het. Onder die beskerming van komplekse verkoelingskanale en termiese versperringsbedekkings bereik die turbine-inlaattemperatuur wat dit kan weerstaan 3000K. Die intermetaal saamgestelde legering wat in die lemme gebruik word, bereik 2200K, en die 100h blywende sterkte bereik 100MPa.
Tans onder ontwikkeling is die vierde generasie SX verteenwoordig deur MC-NG[4], TMS-138, ens., en die vyfde generasie SX verteenwoordig deur TMS-162, ens. Die samestelling daarvan word gekenmerk deur die toevoeging van nuwe seldsame aardelemente soos bv. as Ru en Pt, wat die hoë-temperatuur kruipprestasie van SX aansienlik verbeter. Die werkstemperatuur van die vyfde generasie hoë-temperatuur legering het 1150°C bereik, wat naby die teoretiese limiet werkstemperatuur van 1226°C is.
3.1 Samestellingskenmerke en fasesamestelling van nikkel-gebaseerde enkelkristal superlegerings
Volgens die tipe matrikselemente kan hoë-temperatuur-legerings verdeel word in yster-, nikkel- en kobalt-gebaseerde, en verder onderverdeel in giet-, smee- en poeiermetallurgie-makrostrukture. Nikkel-gebaseerde legerings het beter hoë-temperatuur werkverrigting as die ander twee tipes hoë-temperatuur legerings en kan vir 'n lang tyd in harde hoë-temperatuur omgewings werk.
Nikkel-gebaseerde hoë-temperatuur legerings bevat ten minste 50% Ni. Hul FCC-struktuur maak hulle hoogs versoenbaar met sommige legeringselemente. Die aantal legeringselemente wat tydens die ontwerpproses bygevoeg word, oorskry dikwels 10. Die gemeenskaplikheid van die bygevoegde legeringselemente word soos volg geklassifiseer: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo en W is eersteklas elemente , wat as austeniet stabiliserende elemente dien; (2) Al, Ti, Ta en Nb het groter atoomradiusse, wat die vorming van versterkingsfases soos verbinding Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) bevorder, en is tweedeklas elemente; (3) B, C en Zr is derdeklas elemente. Hul atoomgrootte is baie kleiner as dié van Ni-atome, en hulle word maklik geskei na die graangrense van die γ-fase, wat 'n rol speel in die graangrensversterking [14].
Die fases van nikkel-gebaseerde enkelkristal-hoëtemperatuur-legerings is hoofsaaklik: γ-fase, γ'-fase, karbiedfase en topologiese nougepakte fase (TCP-fase).
γ-fase: γ-fase is 'n austenietfase met 'n kristalstruktuur van FCC, wat 'n vaste oplossing is wat gevorm word deur elemente soos Cr, Mo, Co, W en Re opgelos in nikkel.
γ'-fase: γ'-fase is 'n Ni3(Al, Ti) intermetaalverbinding van FCC, wat as 'n neerslagfase gevorm word en 'n sekere samehang en wanpassing met die matriksfase handhaaf, en ryk is aan Al, Ti, Ta en ander elemente.
Karbiedfase: Vanaf die tweede generasie van nikkel-gebaseerde SX word 'n klein hoeveelheid C bygevoeg, wat lei tot die voorkoms van karbiede. 'n Klein hoeveelheid karbiede word in die matriks versprei, wat die hoë-temperatuur werkverrigting van die legering tot 'n sekere mate verbeter. Dit word oor die algemeen in drie tipes verdeel: MC, M23C6 en M6C.
TCP-fase: In die geval van diensveroudering, bevorder oormatige vuurvaste elemente soos Cr, Mo, W en Re die neerslag van TCP-fase. TCP word gewoonlik in die vorm van 'n plaat gevorm. Die plaatstruktuur het 'n negatiewe impak op rekbaarheid, kruip en moegheid eienskappe. TCP-fase is een van die kraakbronne van kruipbreuk.
Versterkingsmeganisme
Die sterkte van nikkel-gebaseerde superlegerings kom van die koppeling van veelvuldige verhardingsmeganismes, insluitend versterking van vaste oplossing, versterking van neerslag en hittebehandeling om ontwrigting digtheid te verhoog en ontwrigting onderbou te ontwikkel om versterking te verskaf.
Verharding in vaste oplossing is om die basiese sterkte te verbeter deur verskillende oplosbare elemente by te voeg, insluitend Cr, W, Co, Mo, Re en Ru.
Die verskillende atoomradiusse lei tot 'n sekere mate van atoomroostervervorming, wat ontwrigtingbeweging inhibeer. Versterking van vaste oplossings neem toe met die toename in atoomgrootteverskil.
Soliede oplossing versterking het ook die effek van die vermindering van die stapelfout energie (SFE), hoofsaaklik inhibeer ontwrigting kruisglip, wat is die belangrikste vervorming modus van nie-ideale kristalle by hoë temperature.
Atoomklusters of kortafstand-orde-mikrostrukture is nog 'n meganisme wat help om versterking deur vaste oplossing te verkry. Re-atome in SX segreer in die trekspanningsgebied van die ontwrigtingskern by die γ/γ'-koppelvlak, wat 'n "Cottrell-atmosfeer" vorm, wat effektief ontwrigtingbeweging en kraakvoortplanting voorkom. (Opgeloste atome is gekonsentreer in die trekspanningsarea van randontwrigtings, wat roostervervorming verminder, 'n Coriolis-gasstruktuur vorm, en 'n sterk vaste oplossing versterkende effek lewer. Die effek neem toe met die toename in opgeloste atoomkonsentrasie en die toename in grootte verskil)
Re, W, Mo, Ru, Cr en Co versterk die γ-fase effektief. Die vaste oplossing versterking van die γ matriks speel 'n uiters belangrike rol in die kruipsterkte van nikkel-gebaseerde hoë-temperatuur legerings.
Die neerslagverhardingseffek word deur die volumefraksie en grootte van die γ'-fase beïnvloed. Die doel van die optimalisering van die samestelling van hoë-temperatuur legerings is hoofsaaklik om die volume fraksie van die γ' fase te verhoog en die meganiese eienskappe te verbeter. SX hoë-temperatuur legerings kan 65%-75% van die γ' fase bevat, wat goeie kruipsterkte tot gevolg het. Dit verteenwoordig die bruikbare maksimum waarde van die versterkende effek van die γ/γ'-koppelvlak, en verdere toename sal lei tot 'n beduidende afname in sterkte. Die kruipsterkte van hoë-temperatuur legerings met 'n hoë γ' fase volume fraksie word beïnvloed deur die grootte van die γ' fase deeltjies. Wanneer die γ'-fasegrootte klein is, is ontwrigtings geneig om rondom dit te klim, wat lei tot 'n afname in kruipsterkte. Wanneer ontwrigtings gedwing word om die γ'-fase te sny, bereik die kruipsterkte sy maksimum. Soos die γ'-fasedeeltjies in grootte toeneem, is ontwrigtings geneig om tussen hulle te buig, wat lei tot 'n afname in kruipsterkte [14].
Daar is drie hoof-neerslagversterkingsmeganismes:
Versterking van roostermispassing: γ'-fase word op 'n samehangende wyse in die γ-fasematriks versprei en neergeslaan. Albei is FCC-strukture. Die roostermispassing weerspieël die stabiliteit en spanningstoestand van die samehangende koppelvlak tussen die twee fases. Die beste geval is dat die matriks en die gepresipiteerde fase dieselfde kristalstruktuur en roosterparameters van dieselfde geometrie het, sodat meer gepresipiteerde fases in die γ-fase gevul kan word. Die wanverhouding van nikkel-gebaseerde hoë-temperatuur legerings is 0~±1%. Re en Ru is natuurlik geskei met die γ-fase. Die toename van Re en Ru verhoog die roosterwanpassing.
Orde versterking: Ontwrigting sny sal wanorde tussen die matriks en die presipiteerde fase veroorsaak, wat meer energie benodig
Ontwrigting-omleidingsmeganisme: genoem Orowan-meganisme (Orowan-buiging), dit is 'n versterkingsmeganisme waarin die neerslagfase in die metaalmatriks die ontwrigting in beweging verhinder om aan te hou beweeg. Basiese beginsel: Wanneer die bewegende ontwrigting 'n deeltjie teëkom, kan dit nie deurgaan nie, wat lei tot omseilgedrag, ontwrigting lyngroei, en die vereiste dryfkrag verhoog, wat lei tot versterkende effek.
3.3 Ontwikkeling van hoë-temperatuur legeringsgietmetodes
Die vroegste legering wat in hoëtemperatuur-omgewings gebruik word, kan teruggevoer word na die uitvinding van Nichrome in 1906. Die opkoms van turbo-kompressors en gasturbine-enjins het die aansienlike ontwikkeling van hoë-temperatuur-legerings gestimuleer. Die lemme van die eerste generasie gasturbine-enjins is vervaardig deur ekstrusie en smee, wat natuurlik die beperkings van die tye gehad het. Tans word hoë-temperatuur legering turbinelemme meestal gemaak deur beleggingsgietwerk, spesifiek rigtinggewende stolling (DS). Die DS-metode is vir die eerste keer in die 1970's deur die Versnyder-span van Pratt & Whitney in die Verenigde State uitgevind [3]. In die dekades van ontwikkeling het die voorkeurmateriaal vir turbinelemme verander van gelykassige kristalle na kolomvormige kristalle, en dan geoptimaliseer na enkelkristal hoë-temperatuur legeringsmateriale.
DS-tegnologie word gebruik om kolomkernlegering SX-komponente te vervaardig, wat die rekbaarheid en termiese skokweerstand van hoë-temperatuur legerings aansienlik verbeter. DS-tegnologie verseker dat die vervaardigde kolomvormige kristalle 'n [001] oriëntasie het, wat parallel is met die hoofspanning-as van die onderdeel, eerder as 'n ewekansige kristaloriëntasie. In beginsel moet DS verseker dat die stolling van die gesmelte metaal in die gietstuk uitgevoer word met die vloeibare voermetaal altyd in 'n net-gestolde toestand.
Die giet van kolomvormige kristalle moet aan twee voorwaardes voldoen: (1) Eenrigting-hittevloei verseker dat die vastestof-vloeistof-koppelvlak by die groeipunt van die graan in een rigting beweeg; (2) Daar moet geen kernvorming voor die beweegrigting van die vastestof-vloeistof-koppelvlak wees nie.
Omdat die breuk van die lem gewoonlik in die hoë-temperatuur swak struktuur van die korrelgrens voorkom, word 'n stollingsvorm met 'n "graan selector"-struktuur tydens die rigtinggewende stollingsproses gebruik om die korrelgrens uit te skakel. Die deursneegrootte van hierdie struktuur is naby aan die korrelgrootte, sodat slegs 'n enkele optimaal gegroeide korrel die vormholte van die gietstuk binnegaan, en dan aanhou groei in die vorm van 'n enkele kristal totdat die hele lem saamgestel is uit net een greintjie.
Die kristalkieser kan in twee dele verdeel word: die beginblok en die spiraal:
Aan die begin van die DS-proses begin die korrels aan die onderkant van die beginblok kernvorm. In die vroeë stadium van graangroei is die getal groot, die grootte is klein en die oriëntasieverskil is groot. Die mededingende groeigedrag tussen die korrels oorheers, en die geometriese blokkerende effek van die sywand is swak. Op hierdie tydstip is die oriëntasie-optimaliseringseffek voor die hand liggend; wanneer die hoogte van die korrels in die beginblok toeneem, neem die aantal korrels af, neem die grootte toe en is die oriëntasie naby. Die mededingende groeigedrag tussen die korrels neem af, en die geometriese blokkeringseffek van die sywand oorheers, wat verseker dat die kristalrigting voortdurend geoptimaliseer kan word, maar die oriëntasie-optimeringseffek word verswak. Deur die radius van die beginblok te verminder en die hoogte van die beginblok te verhoog, kan die oriëntasie van die korrels wat die spiraalgedeelte binnegaan, effektief geoptimaliseer word. Vergroting van die beginblok se lengte sal egter die effektiewe groeispasie van die gietstuk verkort en jou 'n produksiesiklus en voorbereidingskoste gee. Daarom is dit nodig om die geometriese struktuur van die substraat redelik te ontwerp.
Die hooffunksie van die spiraal is om enkelkristalle doeltreffend te kies, en die vermoë om die korreloriëntasie te optimaliseer is swak. Wanneer die DS-proses in 'n spiraal uitgevoer word, verskaf die geboë kanaal ruimte vir dendriettakgroei, en die sekondêre dendriete van die korrels vorder in die rigting van die likwiduslyn. Die korrels het 'n sterk laterale ontwikkelingstendens, en die oriëntasie van die korrels is in 'n wisselende toestand, met 'n swak optimaliseringseffek. Daarom hang die seleksie van korrels in die spiraal hoofsaaklik af van die geometriese beperkingsvoordeel, mededingende groeivoordeel en ruimtelike uitbreidingsvoordeel van die korrels in die spiraalsegment [7], eerder as die groeivoordeel van die voorkeuroriëntasie van die korrels, wat het 'n sterk ewekansigheid [6]. Daarom is die hoofrede vir die mislukking van kristalseleksie dat die spiraal nie die rol van enkelkristalseleksie speel nie. Deur die buitenste deursnee van die spiraal te vergroot, die toonhoogte, die deursnee van die spiraaloppervlak te verminder en die beginhoek te verminder, kan die kristalseleksie-effek aansienlik verbeter word.
Die voorbereiding van hol enkelkristal turbine lemme vereis meer as 'n dosyn stappe (hooflegering smelt, enkelkristal membraan dop voorbereiding, komplekse konfigurasie keramiek kern voorbereiding, smelt giet, rigting stolling, hitte behandeling, oppervlak behandeling, termiese versperring coating voorbereiding, ens. ). Die komplekse proses is geneig tot verskeie defekte, soos verdwaalde korrels, sproete, kleinhoekige korrelgrense, streepkristalle, oriëntasieafwyking, herkristallisasie, groothoekkorrelgrense en kristalseleksie-mislukking.
Warm nuus2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Ons professionele verkoopspan wag vir u konsultasie.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
GEEN
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
