Toemaal die prestasievereistes vir vliegtuie vir vervoer, militêre, produksie en ander doeleindes verhoog het, kon die vroegste pistoonskotters nie meer die behoeftes van hoogsnelheidsvlugt voldoen nie. Daarom is gas turbine motors sedert die 1950's geleidelik mainstream geword.
In 1928 het Sir Frank Whittle van die Verenigde Koninkryk in sy afstudeerskaatse, "Toekomstige Ontwikkeling in Vliegtuigontwerp", terwyl hy studeer het by die militêre akademie, aangedui dat onder die tegniese kennis van daardie tyd, die toekomstige ontwikkeling van propeller-motors nie aan die behoeftes van hoë altitude of vlugspeddes wat 800 km/h oorskry, sou voldoen nie. Hy het as eerste die konsep voorgestel van wat nou bekend staan as 'n straalmotor (motor motor): gekomprimeerde lug word deur 'n tradisionele pistoon na die brandkamer (branding) verskaf, en die hoë-temperatuur gas wat daarvan voortkom, word direk gebruik om vlug te voortsit, wat beskou kan word as 'n propellermotor met 'n brandkamerontwerp. Tydens nader navorsing het hy die idee van die gebruik van 'n swaar en ondoeltreffende pistoon verlaat en voorgestel om 'n turbine (turbine) te gebruik om gekomprimeerde lug na die brandkamer te verskaf, en die krag van die turbine word verkry uit die hoë-temperatuur uitlaatgas. In 1930 het Whittle 'n patentaanvraag ingedi en in 1937 het hy die wêreld se eerste sentrifugale turbojet-motor ontwikkel, wat amptelik in 1941 in die Gloster E.28/39-vliegtuig gebruik is. Sedertdien beheer gas-turbinemotors die lugvaartkragbron en is dit 'n belangrike simbool van 'n land se wetenskaplike en tegnologiese industrieële vlak en algehele nasionale mag.
Vliegtuigmotors kan in vier basistipes verdeel word volgens hul gebruik en strukturele kenmerke: turbojet-motors, turbofan-motors, turboskaf-motors en turboprop-motors:
Gasstruimotors vir lugvaart word turbojet-motors genoem, wat die vroegste gasstruimotors is wat gebruik is. Vanuit die perspektief van hoe truks voortgebring word, is turbojet-motors die eenvoudigste en mees direkte motore. Die rede daarvoor berus op die reaksiekrag wat deur die hoogsnelheidsinspuiting van die werveling voortgebring word. Tog neem die hoogsnelheidslugstroom baie warmte en kinetiese energie weg, wat groot energieverlies veroorsaak.
Die turbofan-motor deel die lug wat in die motor vloei in twee paaie: die binnekanal en die buitekanal, wat die totale lugvloei verhoog en die uitlaattemperatuur en spoed van die binnekanaallugstroom verminder.
Turboskroef- en turboprop-motors genereer nie truuk deur lugvloedinspuiting nie, so is die uitlaattemperatuur en spoed aansienlik verminder, die termiese effektiwiteit is relatief hoog, en die motorbrandstofverbruik is laag, wat geskik is vir langafstandsvliegtuie. Die spoed van die propeller verander algemeen nie, en verskillende truuke word verkry deur die blaarhoek te wysig.
Die propfan-motor is 'n motor tussen turboprop- en turbofan-motors. Dit kan in twee tipes verdeel word: propfan-motors met gesteue propellerkasies en propfan-motors sonder gesteue propellerkasies. Die propfan-motor is die mees mededingende nuwe energiebesparende motor wat geskik is vir subsoniese vlug.
Burgerlike lughemuline het deur meer as 'n halwe eeu van ontwikkeling gegaan. Die struktuur van die hemuline is van die vroeë sentrifugale turbinhemuline oorgeskakel na die enkelsensor-aksiale-vloethemuline, van die tweesensor-turbojet-hemuline na die lae omloopverhouding turbofan-hemuline, en uiteindelik na die hoë omloopverhouding turbofan-hemuline. Die struktuur is voortdurend geoptimeer met die strewe na doeltreffendheid en betroubaarheid. Die turbininvloetemperatuur was slegs 1200-1300K in die eerste generasie turbojet-hemulines in die 1940's en 1950's. Dit het met ongeveer 200K per vliegtuigopgradering toegeneem. Teen die 1980's was die turbininvloetemperatuur van die vierde generasie gevorderde vegtersvliegtuie bereik tot 1800-2000K[1].
Die beginsel van 'n sentrifugale lugkompressor is dat die impeller die gas laat roteer op hoë spoed, sodat die gas sentrifugale krag genereer. As gevolg van die uitbreidingsdrukstroom van die gas in die impeller word die stroom en druk van die gas ná die impeller verhoog, en daar word kontinu komprimêrelug geproduseer. Dit het 'n kort akseele dimensie en 'n hoë enkelspanningsverhouding. 'n Aksesvlaklugkompressor is 'n kompressor waarin die lugvloei basies parallel aan die as van die draaiende impeller vloei. Die aksesvlakkompressor bestaan uit meerdere stappe, elke stap bevat 'n ry rotorblaaie en 'n volgende ry statobleaaie. Die rotor is die werkblaaie en die rad, en die stator is die gids. Die lug word eers versnel deur die rotorblaaie, daarna vertraag en gekomprimeer in die statorblaaikanaal, en herhaal in die meervoudige blaaistappe totdat die totale spanningsverhouding die benodigde vlak bereik. Die aksesvlakkompressor het 'n klein diameter, wat dit gemaklik maak vir meervoudige traptandemgebruik om 'n hoër spanningsverhouding te verkry.
Turbofan-motors gebruik gewoonlik die omloopverhouding, motor-drukverhouding, turbininvloei-temperatuur en fan-drukverhouding as ontwerpparameters:
Omloopverhouding (BPR): Die verhouding van die massa gas wat deur die uitlaatduise vloei tot die massa gas wat deur die binne-duise in die motor vloei. Die rotor aan die voorkant van 'n turbojet-motor word gewoonlik die lae-druk-kompressor genoem, en die rotor aan die voorkant van 'n turbofan-motor word gewoonlik die fan genoem. Die gedrukte gas wat deur die lae-druk-kompressor vloei, gaan deur al die dele van die turbojet-motor; die gas wat deur die fan vloei, word verdeel in die binne-en buite-duise. Sedert die ontstaan van turbofan-motors neem BPR toe, en hierdie tendens is veral duidelik in siviele turbofan-motors.
Motor-drukverhouding (EPR): Die verhouding van die totale druk by die nozzle-uitlaat tot die totale druk by die kompressor-ingang.
Turbine-inlettemperatuur: Die temperatuur van die brandkameruitlaat wanneer dit die turbine binnekom.
Fankompressieverhouding: Verwys ook na kompressieverhouding, die verhouding van die gasdruk by die kompresoruitlaat tot die gasdruk by die inlet.
Twee effektiwiditeite:
Termiese effektiwiditeit: 'n Maatstaf vir hoe doeltreffend 'n motor die warmte-energie wat deur brandstofverbranding gegenereer word, in meganiese energie omskep.
Propulasie-effektiwiditeit: 'n Maatstaf vir die proporsie van die meganiese energie wat deur die motor gegenereer word, wat gebruik word om die vliegtuig voort te beweeg.
In die 1970's was die Verenigde State die eerste om PWA1422 rigtingssolidifiseringblare in militêre en siviele lugvaartmotors te gebruik.
Ná die 1980's het die dryfstoot-gewig-verhouding van die derde- generaasie motor toegeneem tot meer as 8, en die turbinblaaie begin gebruik maak van die eerste-generasie SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 en China se DD3. Sy temperatuurdraagvermoë is 80K hoër as dié van die beste rigtingssolidifisering-giet hoëtemperatuuralloys PWA1422. Voordelig. Saam met die filmkoeling enkelkanaal holtegnologie bereik die bedryfstemperatuur van die turbinblaaie 1600-1750K.
Die vierde-generasie turboventielmotor maak gebruik van die tweede-generasie SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4, en DD6. Deur Re-elemente by te voeg en multi-kanaal hoë-druk lugkoelingstegnologie, bereik die bedryfstemperatuur van die turbinblaaie 1800K-2000K. By 2000K en 100h word die duursterkte 140MPa.
Die derde generasie SX, wat na die 1990's ontwikkel is, sluit RenéN6, CMRX-10 en DD9 in, wat baie duidelike kruipsterktevoordellings oor die tweede generasie SX het. Onder die beskerming van komplekse koelingkanaale en termiese barrièrsbedekkinge bereik die turbininvloei temperatuur wat dit kan verdrags 3000K. Die intermetalliese samestelling alloys wat in die blare gebruik word, bereik 2200K, en die 100h-duurskakel sterkte bereik 100MPa.
Momenteel word die vierde generasie SX, verteenwoordig deur MC-NG[4], TMS-138 ens., en die vyfde generasie SX, verteenwoordig deur TMS-162 ens., ontwikkel. Sy samestelling word gekenmerk deur die byvoeging van nuwe seldsame aardelemente soos Ru en Pt, wat die hoëtemperatuur-kruipprestasie van SX betydelik verbeter. Die werktuigtemperatuur van die vyfde generasie hoëtemperatuuralloys het nou 1150°C bereik, wat naby die teoretiese limietoperasietemperatuur van 1226°C kom.
3.1 Samestellingskenmerke en fase samestelling van nikkelgebaseerde enkelsiaal superlegaas
Volgens die tipe van basiselemente kan hoëtemperatuurlegaas verdeel word in yster-gebaseerd, nikkel-gebaseerd en kobalt-gebaseerd, en verdere onderverdeel in gieting, smeeding en poedermetaal makrostrukture. Nikkel-gebaseerde legaas het beter hoëtemperatuurpresteerde as die ander twee tipes hoëtemperatuurlegaas en kan lank tyd in swaar hoëtemperatuur-omgewings werk.
Nickel-gebaseerde hoëtemperatuurlegings bevat ten minste 50% Ni. Hul FCC-struktuur maak hulle hoog kompatibel met sommige leggingsbestanddele. Die aantal leggingsbestanddele wat tydens die ontwerpproses bygevoeg word, oorskry dikwels 10. Die gemeenheid van die toegevoegde leggingsbestanddele word soos volg geklassifiseer: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo en W is eerste-klasselemente, wat as austenietestabiliserende elemente dien; (2) Al, Ti, Ta en Nb het groter atoomradii, wat die vorming van versterkingsfase soos verbinding Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) bevorder, en is tweede-klasselemente; (3) B, C en Zr is derde-klasselemente. Hul atoomgrootte is baie kleiner as dié van Ni-atome, en hulle word maklik gesegregeer na die korrelgrense van die γ-fase, waar hulle 'n rol speel in korrelgrensversterking [14].
Die fases van nickel-gebaseerde enkelkristalhoëtemperatuurlegings is hoofsaaklik: γ-fase, γ'-fase, karbidefase en topologiese nou-pak fase (TCP-fase).
γ-fase: Die γ-fase is 'n austenietfase met 'n kristalstruktur van FCC, wat 'n vaste oplossing is gevorm deur elemente soos Cr, Mo, Co, W en Re wat in nikkel opgelos word.
γ'-fase: Die γ'-fase is 'n Ni3(Al, Ti) intermetalliese samestelling van FCC, wat as 'n neerslagfase gevorm word en 'n sekere kohesie en wanverhouding met die matriksfase behou, en rik is in Al, Ti, Ta en ander elemente.
Karbiedfase: Vanaf die tweede generasie van nikkelgebaseerde SX word 'n klein hoeveelheid C bygevoeg, wat lei tot die verskyn van karbiede. 'n Klein hoeveelheid karbiede is versprei in die matriks, wat die hoë-temperatuurprestasie van die allias tot 'n sekere mate verbeter. Dit word gewoonlik in drie tipes verdeel: MC, M23C6 en M6C.
TCP-fase: In die geval van dienstouaging, oormatige refraktêre elemente soos Cr, Mo, W en Re bevorder die vorming van die TCP-fase. TCP word gewoonlik in plaatvorm gevorm. Die plaatstruktuur het 'n negatiewe invloed op plooibaarheid, kruip en vermoeideienskappe. TCP-fase is een van die bronne van kruipbreuk.
Vervestingemechanisme
Die sterkte van nikkelgebaseerde superlegers kom uit die koppeling van verskeie vervestingemechanismes, insluitend vaste-oplossing vervesting, neerslagvervesting en hitbehandeling om dislokasiedigtheid te verhoog en 'n dislokasiesubstruktuur te ontwikkel wat vervesting bied.
Vaste-oplossing vervesting is om die basiese sterkte te verbeter deur verskillende oplosbare elemente by te voeg, insluitend Cr, W, Co, Mo, Re en Ru.
Die verskillende atoomradii lei tot 'n sekere mate van atoomroosterverdraaiing, wat dislokasiebeweging inhibeer. Vaste-oplossing vervesting neem toe met die toename van atoomgrootteverskil.
Vaste oplossingsversterking het ook die effek van afname in stapfoutenergie (SFE), wat hoofsaaklik dislokasiekruisglip inhibeer, wat die primêre deformasie模式 van nie-ideale kristalle by hoë temperature is.
Atoomgroepjies of kort-bereik-orde-mikrostrukture is 'n ander meganisme wat help om versterking deur vaste oplossing te verkry. Re-atome in SX segreger in die trekspanningsgebied van die dislokasiekern by die γ/γ’ grens, vormend 'n "Cottrell atmosfeer", wat effektief dislokasiebeweging en kragvoortplanting voorkom. (Oplosaatome is geconcentreerd in die trekspanningsarea van randdislokasies, wat roosterontvorming verminder, 'n Coriolis gasstruktur vorm, en 'n sterk vaste oplossingsversterkings-effek produseer. Die effek neem toe met die toename van oplosatoom-konsentrasie en die toename van grootteverskil.)
Re, W, Mo, Ru, Cr en Co versterk die γ-fase doeltreffend. Die vaste oplossing-versterking van die γ-matriks speel 'n uiterst belangrike rol in die kruipsterkte van nikkelgebaseerde hoëtemperatuurallele.
Die neerslagverhardings-effek word beïnvloed deur die volume-fraksie en grootte van die γ' fase. Die doel van die optimering 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 tot goeie kruipsterkte lei. Dit verteenwoordig die nuttige maksimumwaarde van die verhardings-effek van die γ/γ' grens, 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’ fase klein is, neig dislokasies om dit te omgaan, wat lei tot 'n afname in kruipsterkte. Wanneer dislokasies genoodsaak word om die γ’ fase te deursny, bereik die kruipsterkte sy maksimum. Soos die γ’ fase deeltjies groter word, neig dislokasies om tussen hulle te buig, wat lei tot 'n afname in kruipsterkte [14].
Daar is drie hoof versterkingsmekanismes vir neerslag:
Roostermisstemming-versterking: Die γ’ fase word versprei en neergelaai in die γ fase-matriks op 'n kohërente wyse. Beide is FCC-strukture. Die roostermisstemming weerspieël die stabiliteit en spanningstoestand van die kohërente grens tussen die twee fases. Die beste geval is wanneer die matriks en die neergelaai fase dieselfde kristalstruktuur en roosterafmetings van dieselfde geometrie het, sodat meer neergelaai fases in die γ fase kan word ingevul. Die misstemmingsbereik van nikkelgebaseerde hoëtemperatuurallies is 0~±1%. Re en Ru is duidelik gesegregeer met die γ fase. Die toename van Re en Ru verhoog die roostermisstemming.
Ordeningsversterking: Dislokasie-snyding sal wanorde teweegbring tussen die matriks en die neergelaai fase, wat meer energie vereis
Uitstekingbypass-meganisme: genoem die Orowan-meganisme (Orowan bowing), dit is 'n versterkingsmeganisme waarvolgens die uitgevloeide fase in die metaalmatriks die bewegende dislokasie hindrer om voort te beweeg. Basiese beginsel: Wanneer die bewegende dislokasie 'n deeltjie ontmoet, kan dit nie deurkom nie, wat lei tot bypassgedrag, groei van die dislokasielyn en die benodigde drywende krag neem toe, wat lei tot 'n versterkings-effek.
3.3 Ontwikkeling van hoëtemperatuurlegering-gietmetodes
Die vroegste legering wat in hoë-temperatuur omgewings gebruik is, kan teruggevoer word na die uitvinding van Nichrome in 1906. Die opkoms van turbo-kompressore en gas-turbine motore het die aansienlike ontwikkeling van hoë-temperatuur legeringe gestimuleer. Die blaaie van die eerste generasie gas-turbine motore is deur buisvorming en smeeding vervaardig, wat duidelik die beperkings van daardie tyd gehad het. Tans word hoë-temperatuur legering turbineblaaie hoofsaaklik deur investering-giet verwerk, spesifiek rigtingssolidifisering (DS). Die DS-metode is vir die eerste keer deur die Versnyder-span van Pratt & Whitney in die VSA in die 1970's uitgevind [3]. Tydens die dekades van ontwikkeling, is die voorkeursmateriaal vir turbineblaaie verander van gelyksydige krisse tot kolomagtige krisse, en uiteindelik geoptimeer na enkele kristalle hoë-temperatuur legering materiaal.
DS-tegnologie word gebruik om kolomvormige kernallowe SX-komponente te produseer, wat beduidend die trekbaarheid en warmteskokweerstand van hoëtemperatuurallowe verbeter. DS-tegnologie verseker dat die geproduseerde kolomvormige krisse 'n [001]-oriëntasie het, wat parallel is met die hoofstresas van die komponent, in plaas van 'n ewekansige krisoriëntasie. In beginsel moet DS verseker dat die stywing van die smeltende metaal in die gietproses plaasvind terwyl die vloeibaar voedingsmetaal altyd in 'n net-stygende toestand bly.
Die gieten van kolomvormige krisse moet twee voorwaardes voldoen: (1) Eenrigtingse warmtevloei verseker dat die vast-vloeikoppel by die groeipunt van die korrel in een rigting beweeg; (2) Daar mag geen kristallisasie voor die bewegingsrigting van die vast-vloeikoppel plaasvind nie.
Aangesien die breuk van die blaar gewoonlik plaasvind in die hoëtemperatuur swak struktuur van die korrelgrens, word tydens die rigtingssolidifiseringsproses 'n solidifkasie-mold met 'n "korrelselekteur"-struktuur gebruik om die korrelgrens te elimineer. Die kruissnitgrootte van hierdie struktuur is byna gelyk aan die korrelgrootte, sodat slegs een enkele optimaal gegroei korrel die gietvorm se holte binnekom, en dan voortgaan om as 'n enkelkristal te groei tot die hele blaar uit slegs een korrel bestaan.
Die kristalselekteur kan in twee dele verdeel word: die beginblok en die spiraal:
Aan die begin van die DS-proses begin die korrels om te nuklereer aan die onderkant van die beginblok. Tydens die vroeë stadium van korrelgroei is die aantal groot, die grootte klein en die oriëntasieverskil groot. Die mededingende groeiedragting tussen die korrels domineer, en die geometriese blokkeffek van die sywand is swak. Op hierdie tyd is die oriëntasieoptimerings effek duidelik; wanneer die hoogte van die korrels in die beginblok toeneem, verminder die aantal korrels, neem die grootte toe en kom die oriëntasie nader by mekaar. Die mededingende groeiedragting tussen die korrels verminder, en die geometriese blokkeffek van die sywand domineer, wat verseker dat die krisalysoriëntasie voortgesit kan word, maar die oriëntasieoptimerings effek word geswaai. Deur die radius van die beginblok te verminder en die hoogte van die beginblok te verhoog, kan die oriëntasie van die korrels wat in die spiraalseksie ingaan doeltreffend geoptimeer word. Verhoog die lengte van die beginblok sal egter die effektiewe groeiruimte van die gietstuk verkort, en sal jou 'n produksiekus en voorbereidingskoste oplewer. Daarom is dit nodig om die geometriese struktuur van die substraat redelik te ontwerp.
Die hooffunksie van die spiraal is om effektiwelik enkelsiale te selekteer, en die vermoë om die korreloriëntasie te optimaliseer is swak. Wanneer die DS-proses in 'n spiraal plaasvind, verskaf die gebogen kanaal ruimte vir dendrietaktakgroei, en die sekondêre dendrite van die korrels beweeg in die rigting van die vloeilinie. Die korrels het 'n sterk horisontale ontwikkelingsneiging, en die oriëntasie van die korrels is in 'n wisselende toestand, met 'n swak optimaliseringseffek. Dus, die seleksie van korrels in die spiraal hang hoofsaaklik af van die meetkundige beperkingsvoordeel, mededingingsgroeivoordeel, en ruimte-uitbreidingsvoordeel van die korrels in die spiraalsegment [7], eerder as die groeivoordeel van die voorkeuroriëntasie van die korrels, wat 'n hoë mate van ewekansigheid het [6]. Dus, die hoofreden vir die mislukking van kristelseleksie is dat die spiraal nie die rol van enkelsiaalseleksie speel nie. Deur die buitemiddellyn van die spiraal te verhoog, die pitch te verminder, die middellyn van die spiraalvlak, en die beginhoek te verminder, kan die kristelseleksie-effek asemmerdik verbeter word.
Die voorbereiding van holle enkelsiaalkristal turbinblaaie vereis meer as 'n dozijn stappe (meesterleger smelt, enkelsiaalkristal membranhus voorbereiding, komplekse konfigurasie keramiese kern voorbereiding, smeltgiet, rigtingssolidifisering, hittebehandeling, oppervlakbehandeling, termiese barrierekoue voorbereiding, ens.). Die komplekse proses is geneig tot verskeie gebreke, soos vreemde korrels, flekken, kleinerhoek korrelgrense, streepkristalle, rigtingsafwyking, herkristallisasie, groot hoek korrelgrense, en kristalseleksie mislukking.
Hot News2024-12-31
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
NO
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
