Основни познания за лопатките на авиационния двигател (1)

1. Въведение в турбинните лопатки

Компонентът с най-лошите условия за работа в турбинния двигател е също и най-важният вращащ се компонент. В горещата част на компонентите на авиационните двигатели, турбинните лопатки са подложени на изтиране от високотемпературен газ и температурни промени по време на циклите за стартиране и спиране на двигателя, докато роторните лопатки са подложени на центробежна сила при високи скорости. Материалът трябва да има достатъчна високотемпературна издръжливост, стойност за умора, крипова стойност, както и добра уморна стойност, окислителна устойчивост, устойчивост към газов корозии и подходяща пластичност. Освен това се изисква продължителна организационна стабилност, добра ударна стойност, литейност и ниска плътност.

Температурата на газовия вход в продвинатите авиационни двигатели достига 1380℃, а тягата стига до 226KN. Турбинните лопатки са подложени на аеродинамични и центробежни сили, при което лопатките носят напрежение от около 140МПа; коренът на лопатката понася средно напрежение от 280~560МПа, а съответната част на лопатката е изложена на температура от 650~980℃, докато температурата на корена на лопатката е около 760℃.

Нивото на производителността на турбинните лопатки (особено носещата им температура) стана важен индикатор за продвинатостта на един модел двигател. В определен смисъл, литейния процес за бъдещите лопатки на двигателите директно определя производителността на двигателя и също така е значителен знак за нивото на авиационната промишленост на една държава.

2. Проектиране на формата на лопатките

Тъй като има много лопатки, ако те бъдат проектирани като прави регуларни форми, може да се намали доста от технологията за обработка, да се намали трудността при проектирането и да се намали доста от цените. Обаче повечето от лопатките са завити и криволинейни.

Позволете първо да ви представя някои основни концепции за листата.

Първо, какво е бегач? Долните са две типични диаграми на бегач.

Диаграма на потока на компресора

Диаграма на пътя на потока на турбина
Второ, каква е формулата за изчисление на периферната скорост? В потоковия канал периферната скорост е различна при различни радиуси (това може да се получи според формулата за изчисление в диаграмата по-долу).

Периферна скорост. Накрая, какво е ъгълът на атака на водата? Ъгълът на атака на водата е ъгълът между водата и хордата на лопастта относно посоката на скоростта на лопастта.

Взимайки самолетното крило като пример, е показан ъгълът на атака на въздушния поток. След това се обяснява защо лопастта трябва да бъде изкривена? Тъй като окръжните скорости при различни радиуси в каналите за поток са различни, ъгълът на атака на въздушния поток на различни радиусни нива варира значително; при върха на лопастта, поради голямия радиус и голямата окръжна скорость, се причинява голям положителен ъгъл на атака, който води до сериозна отделяне на въздуха от задната част на лопастта; при основата на лопастта, поради малкия радиус и малката окръжна скорость, се причинява голям отрицателен ъгъл на атака, който води до сериозна отделяне на въздуха от дъното на лопастта.

Затова, за пряките лопасти, освен част от най-близкия среден диаметър, който все още може да работи, останалите части ще причиняват сериозна отделяне на въздушния поток, т.е. ефективността на компресор или турбина, работеща с пряки лопасти, е изключително ниска и може дори да стигне до точка, в която тя не може да функционира изобщо. Ето защо лопастите трябва да бъдат закривени.

3.История на развитието

С увеличаването на мощността на авиационните двигатели, това се постига чрез повишаване на температурата на входа на компресора, което изисква използването на усъвършенствани лопатки с все по-висока устойчивост към температурата. Освен при високите температури, работната среда на лопатките от горния край е и в екстремно състояние на високо налягане, висока тегловина, висока вибрация и висока корозия, така че лопатките трябва да имат изключително високи комплексни характеристики. Това изисква лопатките да бъдат направени от специални сплавове (високотемпературни сплавове) и специални производствени процеси (точен градивен плюс насочено затвердяване), за да се направят специални матрични структури (едно kristalни структури), за да се удовлетворят нуждите най-много.

Сложните еднокристални празни турбинни лопатки са станали основната технология на днесnite двигатели с висока отношение тягова сила/маса. Презследването и използването на напреднали еднокристални сплавове, както и появата на технологията за производство на двустенни свръхвоздухозаклени еднокристални лопатки, са позволили на еднокристалната подготовка да играе ключова роля в най-напредналите военни и граждани авиационни двигатели днес. В момента еднокристалните лопатки не само че са инсталирани върху всички напреднали авиационни двигатели, но се използват все повече и в тежките газови турбини.

Единичните кристални супералои са вид напредни материали за турбинни лопатки, разработени на базата на еквияксни кристали и насочени колоновидни кристали. От началото на 80-те години първото поколение единични кристални супералои като PWA1480 и ReneN4 са получили широко приложение в различни авиационни двигатели. През края на 80-те години второто поколение единични кристални супералоиен лопатки, представени от PWA1484 и ReneN5, също са намерили широко приложение в напреднали авиационни двигатели като CFM56, F100, F110 и PW4000. В момента второто поколение единични кристални супералои в САЩ са достигнали зрелост и се използват широко в военни и граждани авиационни двигатели.

В сравнение с първото поколение еднокристални сплави, второто поколение еднокристални сплави, представени от PWA1484 на PW, CMSX-4 на RR и Rene'N5 на GE, са повишили температурата си за работа с 30°C чрез добавяне на 3% рений и подходящо увеличаване на съдържанието на молибден, постигайки добър баланс между силата и съпротивността към окисляване и корозия.

В третия еднокристален сплав Rene N6 и CMSX-10, сплавната композиция е оптимизирана в един стъпка, общото съдържание на неразтворимите елементи с голям атомен радиус е увеличено, особено добавянето на повече от 5wt% рений, което значително подобрява високотемпературната криповна сила, издръжливостта на сплава при 1150°C е по-голяма от 150 часа, което е много по-дълго от живота на първото поколение еднокристални сплави, около 10 часа, и също така има висока съпротивност към термалната умора, окисляването и термалната корозия.

Съединените щати и Япония последователно разработиха четвъртото поколение на еднокристални сплавове. Чрез добавяне на рутений беше постигнато още по-добро подобряване на стабилността на микроструктурата на сплава, както и увеличена плазменост при продължително високотемпературно излагане. Той има десет пъти по-дълъг ресурс при 1100 ℃ в сравнение с втория еднокристален сплав, а температурата за работа достигна до 1200 ℃. Еднокристалната композиция на същото поколение е показана по-долу.

4.Материал за лопаст и технология за производство

Деформирани високотемпературни сплавови лопasti

Развитието на деформируеми високотемпературни сплавове има история от повече от 50 години. Често използваните деформируеми високотемпературни сплави за лопатките на самолетните двигателe са показани в Таблица 1. При увеличаване на съдържанието на алуминий, титан, волфрам и молибден в високотемпературните сплавове, свойствата на материалите продължават да се подобряват, но горещата работна производителност намалява; след добавяне на скъпия сплавен елемент кобалт, комплексните свойства на материала могат да се подобрят, както и стабилността на високотемпературната структура.

Лопатките са ключови части на самолетните двигатели, а техният обем на производство съставлява около 30% от общия обем на производството на двигателите.
Лопатките на самолетните двигатели са тонкостенни и лесно деформируеми части. Как да се контролира техната деформация и да се обработват ефективно и с високо качество е една от важните теми за научноизследователска дейност в индустрията по производство на лопатки.

С появата на високопроизводителни CNC машинни оръдия, производственият процес на турбинни лопатки също е претърпял големи промени. Лопатките, обработвани чрез прецизна CNC обработка, имат висока точност и кратки периоди на производство, обикновено от 6 до 12 месеца в Китай (полуфинишна обработка); и от 3 до 6 месеца в чужбина (обработка без остатъчен материал).