المعرفة الأساسية حول شفرات محركات الطائرات (1)

1. مقدمة حول الشفرات التوربينية

المكون الذي يعمل في أسوأ الظروف التشغيلية في محرك التوربين هو أيضًا أكثر المكونات الدوارة أهمية. في مكونات النهاية الساخنة لمحركات الطائرات، تتعرض شفرات التوربين للتآكل بسبب الغازات ذات درجات الحرارة العالية والتغيرات في درجة الحرارة أثناء دورة تشغيل وإيقاف المحرك، بينما تتعرض شفرات الدوار للقوة الطرد المركزي عند السرعات العالية. يُطلب من المادة أن تمتلك قوة شد كافية عند درجات الحرارة العالية، وقوة التحمل، وقوة الزحف، بالإضافة إلى قوة التعب الجيدة، والمقاومة للأكسدة، والمقاومة للتآكل الغازي والمرونة المناسبة. علاوة على ذلك، يُطلب أيضًا الاستقرار التنظيمي طويل الأمد، والقوة الصدمية الجيدة، والقابلية للصب والكثافة المنخفضة.

تصل درجة حرارة مدخل الغاز في محركات الطائرات المتقدمة إلى 1380℃ وقوة الدفع إلى 226 كيلو نيوتن. تخضع شفرات التوربين لقوى هوائية وقوية طاردة مركزية، حيث تحمل الشفرات إجهادًا مرنًا يبلغ حوالي 140 ميجا باسكال؛ تحمل جذور الشفرات إجهادًا متوسطًا يتراوح بين 280-560 ميجا باسكال، ويتحمل الجزء المقابل من الجسم الشفرة درجة حرارة تتراوح بين 650-980℃، بينما تكون درجة حرارة جذر الشفرة حوالي 760℃.

أصبح مستوى أداء شفرات التوربين (وخاصة قدرتها على تحمل الحرارة) مؤشرًا مهمًا لمستوى تقدم نوع معين من المحرك. وفي معنى ما، تحدد عملية صب شفرات المحركات المستقبلية مباشرة أداء المحرك، وهي أيضًا علامة مهمة على مستوى صناعة الطيران الوطنية.

2. تصميم شكل الشفرة

بما أن هناك العديد من الشفرات، إذا تم تصميمها بشكل منتظم مستقيم، يمكن تقليل الكثير من التقنيات المعالجة، وتخفيف صعوبة التصميم، وتقليل التكاليف بشكل كبير. ومع ذلك، فإن معظم الشفرات متعرجة ومنحنية.

دعني أولاً أقدم لك بعض المفاهيم الأساسية حول الأوراق.

أولاً، ما هو الجسر؟ أدناه هناك رسومتان نموذجيتان للجسور.

رسم توضيحي لتدفق المضخة

رسم توضيحي لمسار تدفق التوربين
ثانياً، ما هي صيغة الحساب الخاصة بالسرعة الدائرية؟ في القناة المتدفقة، السرعة الدائرية تختلف عند أشعاعات مختلفة (يمكن الحصول على ذلك وفقاً لصيغة الحساب في الرسم أدناه)

السرعة الدائريةأخيراً، ما هو زاوية الهجوم للتيار الهوائي؟ زاوية الهجوم للتيار الهوائي هي الزاوية بين التيار الهوائي والوتر الظاهري للشفرة بالنسبة لاتجاه سرعة الشفرة.

باستخدام جناح الطائرة كمثال، يتم عرض زاوية الهجوم لتيار الهواء. بعد ذلك، يتم تفسير سبب ضرورة تorsion الشفرة؟ نظرًا لاختلاف السرعات المحيطية عند أشعاعات مختلفة في القناة الجارية، فإن زاوية هجوم تيار الهواء تتغير بشكل كبير عند مستويات شعاعية مختلفة؛ عند طرف الشفرة، بسبب الشعاع الكبير والسرعة المحيطية الكبيرة، يتسبب ذلك في زاوية هجوم موجبة كبيرة، مما يؤدي إلى انفصال تيارات الهواء الحادة على ظهر الشفرة؛ عند قاعدة الشفرة، بسبب الشعاع الصغير والسرعة المحيطية الصغيرة، يتسبب ذلك في زاوية هجوم سالبة كبيرة، مما يؤدي إلى انفصال تيارات الهواء الحادة على حوض الشفرة.

لذلك، بالنسبة للشفرات المستقيمة، باستثناء جزء من القطر الأوسط الأقرب الذي يمكنه أن يعمل لا يزال، فإن بقية الأجزاء ستنتج انفصال تيار هواء خطير، أي أن كفاءة ضاغط أو توربين يعمل بشفرات مستقيمة تكون سيئة للغاية، وقد تصل إلى النقطة التي لا يمكنها العمل على الإطلاق. هذا هو السبب في أن الشفرات يجب أن تكون ملتويّة.

3.تاريخ التطوير

مع استمرار زيادة قوة محركات الطائرات، يتم تحقيق ذلك من خلال رفع درجة حرارة مدخل الضاغط، مما يتطلب استخدام شفرات متقدمة تتمتع بمقاومة أعلى للحرارة. بالإضافة إلى الظروف العالية الحرارة، فإن بيئة عمل الشفرات في الجزء الساخن تكون أيضًا في حالة متطرفة من الضغط العالي، الحمل العالي، الاهتزاز العالي والتحلل العالي، لذلك يُطلب من الشفرات أن تمتلك أداءً شاملاً عاليًا للغاية. هذا يتطلب صنع الشفرات من مواد سبيكة خاصة (السبيكات عالية الحرارة) وعمليات تصنيع خاصة (الصب الدقيق مع التبلور定向) لإنشاء هيكل مصفوف خاص (هياكل بلورية واحدة) لتلبية الاحتياجات إلى أقصى حد ممكن.

أصبحت الشفرات الهوائية ذات البلورة الواحدة المجوفة المعقدة التكنولوجيا الأساسية للمحركات الحالية ذات نسبة الدفع إلى الوزن العالية. لقد كان البحث والاستخدام للمواد السبائكية ذات البلورة الواحدة المتقدمة، وظهور تقنية تصنيع الشفرات ذات البلورة الواحدة المبردة بالهواء فوق الجدران المزدوجة، هو ما مكن تقنية إعداد البلورة الواحدة من لعب دور حاسم في أكثر المحركات المستخدمة في الطيران العسكري والتجاري تقدمًا اليوم. وفي الوقت الحالي، لم يتم تركيب الشفرات ذات البلورة الواحدة على جميع المحركات الجوية المتقدمة فحسب، بل يتم استخدامها بشكل متزايد في turbinات الغاز الثقيلة أيضًا.

السبائك الأحادية البلورية هي نوع من مواد شفرات المحرك المتقدمة التي تم تطويرها بناءً على البلورات المتساوية الحجم والبلورات العمودية定向. منذ أوائل الثمانينيات، تم استخدام الجيل الأول من السبائك الأحادية البلورية مثل PWA1480 وReneN4 بشكل واسع في مجموعة متنوعة من محركات الطائرات. في أواخر الثمانينيات، تم أيضًا استخدام شفرات السبائك الأحادية البلورية من الجيل الثاني مثل PWA1484 وReneN5 بشكل واسع في محركات الطائرات المتقدمة مثل CFM56، F100، F110، وPW4000. حاليًا، نضجت السبائك الأحادية البلورية من الجيل الثاني في الولايات المتحدة واستُخدمت بشكل واسع في محركات الطائرات العسكرية والمدنية.

مقارنة مع السبائك أحادية البلورة من الجيل الأول، فإن السبائك أحادية البلورة من الجيل الثاني والممثلة بـ PWA1484 من شركة PW، وCMSX-4 من شركة RR، وRene'N5 من شركة GE قد زادت درجة حرارة تشغيلها بمقدار 30°C بإضافة 3% من الرينيوم وزيادة محتوى الموليبدينوم بشكل مناسب، مما حقق توازنًا جيدًا بين القوة والمقاومة للأكسدة والتآكل.

في السبيكة أحادية البلورة من الجيل الثالث Rene N6 وCMSX-10، يتم تحسين التركيبة الكيميائية للسبائك خطوة واحدة، ويتم زيادة المحتوى الإجمالي للعناصر غير القابلة للذوبان ذات نصف قطر الذرة الكبير، خاصةً بإضافة أكثر من 5% وزن من الرينيوم، مما يحسن بشكل كبير قوة الزحف عند درجات الحرارة العالية. يزيد عمر التحمل للسبائك عند 1150 درجة مئوية عن 150 ساعة، وهو أعلى بكثير من عمر السبائك أحادية البلورة من الجيل الأول الذي يبلغ حوالي 10 ساعات، كما أنها تتمتع بمقاومة عالية للتعب الحراري والأكسدة والتآكل الحراري.

طورت الولايات المتحدة الأمريكية واليابان تباعًا الجيل الرابع من السبائك أحادية التبلور. عن طريق إضافة الراوثينيوم، تم تحسين استقرار هيكل السبيكة الدقيق بشكل أكبر، وزيادة قوة الزحف تحت التعرض طويل الأمد للحرارة العالية. فترة تحمله عند 1100 ℃ هي عشر مرات أعلى من السبيكة أحادية البلورة الثانية، ووصلت درجة التشغيل إلى 1200 ℃. يتواجد التكوين أحادي البلورة لنفس الجيل كما هو موضح أدناه.

4. مادة قاعدة الشفرة والتكنولوجيا الصناعية

شفرات السبائك الحرارية المتشوهة

لتطوير السبائك القابلة للتشوه عند درجات الحرارة العالية تاريخ يزيد عن 50 عامًا. تُظهر الجدول 1 السبائك القابلة للتشوه عند درجات الحرارة العالية المستخدمة بشكل شائع في شفرات محركات الطائرات المحلية. مع زيادة محتوى الألومنيوم، التيتانيوم، التنغستن والموليبدينوم في السبائك عالية الحرارة، تستمر خصائص المادة في التحسن، لكن أداء التشغيل الساخن يتناقص؛ بعد إضافة العنصر المُسبك الكوبالت الغالي الثمن، يمكن تحسين الأداء الشامل للمادة وتحسين استقرار البنية عند درجات الحرارة العالية.

الشفرات هي أجزاء رئيسية في محركات الطائرات، ويبلغ حجم تصنيعها حوالي 30٪ من إجمالي حجم تصنيع المحرك.
شفرات محركات الطائرات هي أجزاء رقيقة الحواف وسهلة التشوه. كيفية السيطرة على تشوهها ومعالجتها بكفاءة وبجودة عالية تعد واحدة من المواضيع البحثية المهمة في صناعة تصنيع الشفرات.

مع ظهور آلات CNC عالية الأداء، شهدت عملية تصنيع شفرات التوربين تغييرات كبيرة. تتميز الشفرات المصنعة باستخدام تقنية الحNC الدقيقة بدقة عالية ودورات تصنيع قصيرة، عادة ما تستغرق من 6 إلى 12 شهرًا في الصين (التصنيع شبه النهائي)؛ ومن 3 إلى 6 أشهر في الخارج (التصنيع بدون بقايا).