Analýza života turbínového disku

Turbínové kolo je jednou z hlavních součástí letadlového motoru. Je to komponenta používaná k montáži a pevnému zakotvení turbínových listů pro přenos síly. Působí v prostředí s vysokou teplotou, vysokým tlakem a vysokou rychlostí a má extrémně vysoké požadavky na materiál konstrukce. Letadlové motory jsou produkty vysoce přesné technologie. Aby bylo možné zvýšit poměr tahu k hmotnosti motorů a splnit stále rostoucí požadavky na výkonnost letadel, jejich výkonnostní parametry se neustále zlepšují. V tomto kontextu se zvyšují i požadavky na materiály turbínových kol.
Turbínové kolo je vrcholem ze šesti hlavních součástí plynového turbinového motoru. Jeho bezpečnost a životnost mají v plynových turbinech zvláště důležité postavení. Turobní kola jsou využívána cyklicky.
Kromě omezení počtu cyklů existuje také omezení délky služby. Velký důraz na životnost turbínového kol je pravděpodobně způsoben následujícími hlavními důvody:
1. Vrtulní disk je velký v rozměrech, těžký a dosahuje vysoké rychlosti. Průměrné střihové napětí vrtulního disku moderních plynových turbin ve maximální rychlosti bylo
zvýšeno na 758 MPa. Toto přibližuje nebo dokonce překonáva prahovou pevnost mnoha materiálů pro vrtulní disky.
2. Kvalita výroby vrtulního disku je těžká k ovládání. Aktuálně jsou používány vrtulní disky vykovávané ze samostatného kusu a procházející složitými technologickými postupy. Aby se zaručila stabilita kvality každého disku, je nutné zajistit stabilní úroveň procesu v každém jednotlivém kroku. To je obtížné provést, zejména pro některé velké zásoby.
3. Během používání podléhá vrtulní disk komplexním změnám prostředí, teploty a napětí. Zvláště u vrtulních disků vojenských motorů má tato změna náhodné charakteristiky, což přináší velké potíže při predikci a řízení života vrtulního disku.
4. Po dlouhodobém používání materiálů turbinových desk se struktura rozpadne. Materiály turbinových desk, které se v současnosti používají, jsou obvykle vysokotemperaturní slitiny. Tyto slitiny jsou posíleny metastabilními druhými fázemi a karbidy. Během dlouhodobého používání dochází kvůli stárnutí vysoce teplotním stresům k aglomeraci a růstu druhé fáze, karbidy mění tvar a někteří z nich vytvářejí škodlivé choulostivé fáze, což způsobuje celkové snížení pevnosti a plastickosti slitiny.
Shrnutím můžeme vidět dvojici ostrých protikladů: na jedné straně, protože turbínový disk zaujímá zvláště důležité postavení v plynové turbině, musí být lidé schopni přesně předpovídat a řídit jeho životnost; na druhé straně, kvůli mnoha nestabilním, neurčitým, složitým a měnivým faktorům v procesu výroby a používání turbínového disku je obtížné jeho životnost předpovídat a řídit. Přesto právě tento pár protikladů podporuje neustálý a hloubkový rozvoj prací na analýze a predikci životnosti turbínového disku a také stimuluje rozvoj souvisejících oborů.