Základní znalosti o lopatkách letadlových motorů (1)

1. Úvod do turbínových lopatek

Komponent s nejhoršími pracovními podmínkami v turbínovém motoru je zároveň nejdůležitějším rotujícím komponentem. V horkých částech letadlových motorů jsou turbinové listy předmětem eroze vysokoteplotnými plyny a změnami teploty během cyklů spouštění a vypínání motoru, zatímco rotorové listy jsou vystaveny centrifugální síle při vysokých rychlostech. Materiál musí mít dostatečnou vysokoteplotnou tahovou pevnost, odolnost proti unavení, odolnost proti plazmu, stejně jako dobré odolnosti proti unavení, oxidaci, korozi plyny a vhodnou plastickost. Navíc se vyžaduje dlouhodobá organizační stabilita, dobrá odolnost proti nárazu, lihebnost a nízká hustota.

Teplota vstupního plynu u pokročilých letadlových motorů dosahuje 1380℃ a tah motoru dosahuje 226KN. Turbinové listy jsou předmětem aerodynamických a centrifugálních sil, s listy unášejícími tahové napětí asi 140MPa; kořen listu nese průměrné napětí 280~560MPa, a odpovídající tělo listu nese teplotu 650~980℃, zatímco kořen listu je asi 760℃.

Úroveň výkonu turbinových listů (zejména nosnost teploty) se stala důležitým ukazatelem pokročilé úrovně daného typu motoru. V určitém smyslu direktně odlévací proces budoucích motorních lopatek určuje výkon motoru a je také významným znakem úrovně letecké průmyslové odvětví státu.

2.Návrh tvaru lopatek

Poněvadž je mnoho lopatek, pokud byly navrženy jako přímé pravidelné tvary, mohla by být snížena spousta technologie zpracování, snížena náročnost návrhu a sníženy velké náklady. Nicméně, většina lopatek je zkroucená a zakřivená.

Nejprve vám představím některé základní pojmy o listech.

Za prvé, co je to běžec? Níže jsou dvě typické diagramy běžce.

Diagram toku kompresoru

Diagram tokové cesty turbíny
Za druhé, jaký je výpočetní vzorec pro obvodovou rychlost? V tokovém kanálu je obvodová rychlost různá u různých poloměrů (to lze získat podle výpočetního vzorce v následujícím diagramu).

Obvodová rychlost Nakonec, co je úhel nárazu vzduchu? Úhel nárazu vzduchu je úhel mezi proudem vzduchu a tětivou lopatky vzhledem k směru rychlosti lopatky.

Přejmeme-li si jako příklad křídlo letadla, ukazuje se úhel náporu vzdušného proudu. Následně se vysvětluje, proč musí být list zkroucený? Vzhledem k tomu, že obvodové rychlosti v různých polomerech v proudnicovém kanále jsou různé, velmi se liší úhel náporu vzdušného proudu na různých úrovních poloměrů; na konci listu, kvůli velkému poloměru a velké obvodové rychlosti, vznikne velký pozitivní úhel náporu, což způsobuje vážné oddělení vzdušného proudu na zadní části listu; u kořene listu, kvůli malému poloměru a malé obvodové rychlosti, vznikne velký negativní úhel náporu, což způsobuje vážné oddělení vzdušného proudu na straně s nižším tlakem listu.

Protože tedy, pro přímé listy, s výjimkou části nejbližšího středního průměru, která může ještě fungovat, zbytek částí vytvoří vážnou oddělovací proudění vzduchu, tj. účinnost kompresoru nebo turbíny pracující s přímými listy je extrémně nízká a může dokonce dosáhnout bodu, kdy vůbec nemohou být použity. To je důvod, proč musí být listy zkroucené.

3.Vývojová historie

S tím, jak síla letadlových motorů stále roste, dosahuje se toho zvyšováním teploty vstupu do kompresoru, což vyžaduje použití pokročilých lopatek s čím dál vyšší odolností proti teplotě. Kromě vysokotepelných podmínek je pracovní prostředí lopatek na horké straně také ve stavu extrémních podmínek vysokého tlaku, vysoké zátěže, vysoké vibrace a vysoké koroze, takže se po lopatkách žádá mimořádně vysoká celková výkonnost. To vyžaduje, aby byly lopatky vyrobeny ze speciálních slitinových materiálů (vysokoteplotných slitin) a speciálních výrobních procesů (přesné lití plus směrové tuhnutí), aby vytvořily speciální matricové struktury (jednocrystalinové struktury) a co nejvíce vyhověly potřebám.

Komplexní jednokrystalové duté turbinové listy se staly jádrovou technologií současných motorů s vysokým poměrem tahu a hmotnosti. Výzkum a použití pokročilých jednokrystalových lehounkých materiálů a vznik výrobní technologie dvojstěnných ultra vzduchem chlazených jednokrystalových lopatek umožnilo, aby jednokrystalová přípravná technologie sehrála klíčovou roli v nejmodernějších vojenských i komerčních leteckých motorech. V současnosti byly jednokrystalové lopatky nainstalovány na všechny pokročilé letecké motory a čím dál tím více se používají také v těžkých plynových turbínách.

Jednokrystalové nadpevnolinky jsou typ pokročilých materiálů pro vrtule motorů, vyvinutých na základě rovnoměrných krystalů a směrových sloupkovitých krystalů. Od počátku 80. let byly první generace jednokrystalových nadpevnolinek, jako jsou PWA1480 a ReneN4, široce používány v různých leteckých motorech. V pozdních 80. letech byly také široce použity druhé generace jednokrystalových nadpevnolinkových vrtulí, představované PWA1484 a ReneN5, v pokročilých leteckých motorech, jako jsou CFM56, F100, F110 a PW4000. V současnosti se druhá generace jednokrystalových nadpevnolinek ve Spojených státech osvědčila a je široce používána v armádních i civilních leteckých motorech.

Ve srovnání s prvním generací jednoduchých krystalových slitin zvýšila druhá generace jednoduchých krystalových slitin, reprezentovaná PW PWA1484, RR CMSX-4 a GE Rene'N5, přidáním 3 % rébia a přiměřeným zvýšením molybdenového obsahu o 30°C svou provozní teplotu, čímž dosáhla dobré rovnováhy mezi silou a odolností vůči oxidaci a korozi.

V třetí jednoduché krystalové slitině Rene N6 a CMSX-10 je slitinová složka optimalizována v jednom kroku, celkový obsah nerozpustných prvků s velkým atomovým poloměrem je zvýšen, zejména přídavek více než 5 hmotnostních % rébia, což významně zvyšuje pevnost při vysokých teplotách, trvanlivost slitiny při 1150°C je více než 150 hodin, což je mnohem delší než životnost první generace jednoduchých krystalových slitin asi 10 hodin, a současně má vysokou odolnost proti tepelné únavě, oxidaci a tepelné korozi.

USA a Japonsko postupně vyvinuly čtvrtou generaci jednkovových slitin. Přidáním rutenia byla dále zlepšena stabilita mikrostruktury slitiny a zvýšena krčivá pevnost při dlouhodobém vystavení vysoké teplotě. Její odolnostní životnost při 1100 ℃ je desetkrát vyšší než u druhé jednkové slitiny, a pracovní teplota dosáhla 1200 ℃. Jednková složení téže generace jsou uvedeny níže.

4.Základní materiál a technologie výroby listů

Deformované vysokohtové slitky listů

Vývoj deformovatelných vysokoteplotných slitin má historii déle než 50 let. Běžně používané deformovatelné vysokoteplotní slitiny pro lopatky letadlových motorů vyráběné doma jsou uvedeny v tabulce 1. S nárůstem obsahu hliníku, titanu, wolframu a molibdenu ve vysokoteplotních slitinách se zlepšují materiálové vlastnosti, ale klesá tepelná pracovnost; po přidání drahé slitinové přísady kobaltu lze zlepšit komplexní vlastnosti materiálu a zvýšit stabilitu vysokoteplotní struktury.

Lopatky jsou klíčovými součástmi letadlových motorů a jejich produkce tvoří asi 30 % celkového objemu výroby motoru.
Lopatky letadlových motorů jsou tenkostěnné a snadno deformovatelné součásti. Jak ovládat jejich deformaci a zpracovávat je efektivně a s vysokou kvalitou je jednou z důležitých výzkumných otázek v průmyslu na výrobu lopatek.

S příchodem vysokorychlostních CNC strojů se také výrobní proces turbinových listů podstatně změnil. Listy zpracované pomocí přesné CNC technologie mají vysokou přesnost a krátké výrobní cykly, obvykle 6 až 12 měsíců v Číně (polo-dopracování); a 3 až 6 měsíců v zahraničí (bezreziduové zpracování).