Analýza historie vývoje, stavu trhu a trendu vývoje turbínových lopatek Česká republika

Historie vývoje a trendy turbínových lopatek

Turbínové lopatky se dělí do dvou kategorií: vodicí lopatky turbíny a pracovní lopatky turbíny.

Hlavní funkcí rozváděcích lopatek turbíny je nastavení směru proudění výfukových plynů ze spalovací komory. Provozní teplota materiálu může dosáhnout až přes 1,100°C a napětí přenášené vodicími lopatkami turbíny je obecně menší než 70 MPa. Tato součást je často vyřazována z důvodu deformace způsobené velkým tepelným namáháním, trhlinami způsobenými tepelnou únavou způsobenými náhlými změnami teploty a popáleninami způsobenými místními nadměrnými teplotami.

Lopatky turbíny jsou umístěny v turbínovém motoru s nejvyšší teplotou, nejsložitějším namáháním a nejhorším prostředím. Tento komponent musí odolat vysokým teplotám a velkému odstředivému a tepelnému namáhání. Teplota, kterou vydrží, je 50-100℃ nižší než odpovídající vodicí lopatky turbíny, ale při otáčení vysokou rychlostí vlivem působení aerodynamické síly a odstředivé síly dosahuje namáhání tělesa lopatky 140MPa a kořen dosahuje 280-560MPa. Neustálé zlepšování konstrukce a materiálů turbínových lopatek se stalo jedním z klíčových faktorů zlepšování výkonu leteckých motorů.

Lopatky turbíny, hřídel turbíny, kotouč turbíny a další součásti dohromady tvoří turbínu leteckého motoru. Turbína je zdrojem energie, který pohání kompresor a další příslušenství. Turbínu lze rozdělit na dvě části: rotor a stator:

Rotor turbíny: Jedná se o celek složený z lopatek turbíny, kol, hřídelí a dalších rotujících částí namontovaných na hřídeli. Je zodpovědný za nasávání vysokoteplotního a vysokotlakého proudu vzduchu do hořáku, aby se zachoval chod motoru. Rotor turbíny pracuje při vysoké teplotě a vysoké rychlosti a přenáší vysoký výkon, takže jeho pracovní podmínky jsou extrémně drsné. Při práci při vysoké teplotě musí rotor turbíny odolávat extrémně vysoké odstředivé síle a také podléhá vlivu aerodynamického krouticího momentu atd. Prostředí s vysokou teplotou sníží konečnou pevnost materiálu lopatky turbíny a také způsobí tečení a eroze materiálu lopatek turbíny.

Stator turbíny: Skládá se z vodicích lopatek turbíny, vnějšího kroužku a vnitřního kroužku. Je upevněn na skříni a jeho hlavní funkcí je rozptylovat a usměrňovat proudění vzduchu pro rotor turbíny dalšího stupně tak, aby vyhovoval rychlostnímu trojúhelníku pracovních lopatek turbíny.

Aby se zlepšily výkonnostní ukazatele, jako je poměr tahu k hmotnosti, neustále se zvyšují požadavky na toleranci lopatek leteckých motorů a plynových turbín vůči vysokým teplotám a vysoké rychlosti větru. U běžných leteckých turbodmychadel má kompresor poháněný turbínou max

Vzduch vstupující do turbínového motoru rotuje vysokou rychlostí tisíců otáček za sekundu. Vzduch je v kompresoru stlačován krok za krokem. Tlakový poměr vícestupňového kompresoru může dosáhnout více než 25. Stlačený vzduch vstupuje do spalovací komory motoru, mísí se s palivem a hoří. Plamen paliva musí hořet stabilně ve vysokotlakém proudu vzduchu proudícího vysokou rychlostí více než 100 m/s.

Vysokoteplotní, vysokotlaký proud plynu ze spalovací komory pohání lopatky turbíny k otáčení rychlostí tisíců až desetitisíců otáček za minutu. Obvykle teplota před turbínou překročí bod tání materiálu turbínové lopatky. Během provozu musí lopatky turbín moderních motorů obvykle odolávat teplotám 1600~1800℃, rychlosti větru kolem 300 m/s a jimi způsobený obrovský tlak vzduchu.

Lopatky turbíny potřebují spolehlivě pracovat tisíce až desítky tisíc hodin v tak extrémně drsném pracovním prostředí. Turbínové lopatky mají složité profily a využívají velké množství pokročilých výrobních technologií, jako je směrové tuhnutí, prášková metalurgie, složité odlévání dutých lopatek, výroba komplexních keramických jader a zpracování mikrootvorů.

Turbínové lopatky jsou jednou ze součástí „dvou strojů“, které mají nejvíce výrobních procesů, nejdelší cyklus a nejnižší rychlost průchodu. Výroba složitých dutých turbínových lopatek se stala stěžejní technologií současného vývoje „dvou strojů“.

Stav trhu a vývojové trendy

Lopatky v leteckých motorech a plynových turbínách zahrnují zejména lopatky ventilátorů, lopatky turbín a lopatky kompresorů, z nichž hodnota lopatek turbín tvoří asi 60 % celkových nákladů na lopatky. Ve srovnání s lopatkami ventilátorů jsou suroviny turbínových lopatek hodnotnější a obtížněji zpracovatelné.

Turbínové lopatky jako důležitá součást motoru s horkým koncem vyžadují použití vysokoteplotních slitinových materiálů. Technologie jejich tavení vyžaduje vysoké požadavky a některé zdroje nerostných kovů jsou vzácné. Pokud jde o výrobní proces, lopatky turbíny obecně používají vytavitelné lití k dosažení tenkých stěn a složitých chladicích struktur. Náročnost výroby je výrazně vyšší než u jiných čepelí.

Například letecké motory CFM56 široce používané v řadách Boeing 737 a Airbus 320 mají více než tisíc lopatek turbín, z nichž každá stojí více než 10,000 100,000 juanů. Jednotková cena lopatek turbín v určitých částech dokonce přesahuje XNUMX XNUMX juanů.