Grundlæggende viden om flyvevåbenmotorers lammere (1)

1.Introduktion til turbineblade

Komponenten med de værste arbejdsforhold i turbine motoren er også den vigtigste roterende komponent. I de varme ende-komponenter i flymotorer udsættes turbinebladene for højtemperaturgaserosion og temperaturændringer under motorens start- og stopcykler, mens rotorbladene udsættes for centrifugalkraft på høje hastigheder. Materialeløsningen kræver tilstrækkelig højtemperaturspenstyrke, holdbarhedsstyrke, krybeffektstyrke, samt god træthedstyrke, oxidationsmodstand, gaskorrosionsmodstand og passende plasticitet. Desuden kræves der langtidsorganisk stabilitet, god impaktsstyrke, skabenhed og lav tetthedsniveau.

Indgangstemperaturen for avancerede flymotorer når 1380℃, og trætheden når 226KN. Turbinbladene udsættes for aerodynamiske og centrifugalkræfter, hvor bladene udholder en trækspænding på omkring 140MPa; bladrodet udholder en gennemsnitlig spænding på 280~560MPa, og det tilhørende bladkrop udholder en temperatur på 650~980℃, mens bladrodets temperatur er omkring 760℃.

Ydelsesniveauet af turbinbladene (især deres temperaturudholdenhed) har blevet en vigtig indikator for den avancerede grad af en motor type. I en vis forstand afgører skiveprocessen for fremtidige motorblad direkte motorens ydelse og er også en betydningsfuld markør for et lands luftfartindustri niveau.

2.Bladeformdesign

Da der er mange blade, kan meget bearbejdnings teknologi reduceres, hvis de designes som rette regelmæssige former, hvilket også mindsker designsværheden og reducerer omkostningerne. Dog er de fleste blade扭曲 og krøllet.

Lad mig først introducere dig for nogle grundlæggende begreber omkring blade.

For det første, hvad er en løber? Nedenfor ses to typiske løberdiagrammer.

Kompressorstrømsdiagram

Turbinstrømsvejdiagram
For det andet, hvad er beregningsformlen for perifære hastighed? I strømkanalen er perifære hastigheden forskellig ved forskellige radiusser (dette kan findes ud fra beregningsformlen i figuren nedenfor).

Perifær hastighed. Endelig, hvad er angrebsvinklen af luftstrømmen? Angrebsvinklen af luftstrømmen er vinklen mellem luftstrømmen og bladets akkord i forhold til bladets hastighedsretning.

Med flyvingen som eksempel vises angrebsvinklen af luftstrømmen. Herefter forklaringen af, hvorfor løbet skal være drejet? Da omkredssrehastigheden på forskellige radius i strømningskanalen er forskellig, varierer angrebsvinklen af luftstrømmen på forskellige radiusniveauer meget; ved løbets top, på grund af den store radius og den store omkredshastighed, forårsages der en stor positiv angrebsvinkel, hvilket fører til alvorlig luftstrømsseparation på bagden af løbet; ved løbets rod, på grund af den lille radius og den lille omkredshastighed, forårsages der en stor negativ angrebsvinkel, hvilket fører til alvorlig luftstrømsseparation på løbets bassin.

Derfor, for rette blade, undtagen en del af den nærmeste midterdiameter, der stadig kan fungere, vil resten af delene føre til alvorlig strømningsskilning, det vil sige, at effektiviteten af en kompressor eller turbine, der arbejder med rette blade, er ekstremt lav og kan endda nå et punkt, hvor den ikke kan fungere overhovedet. Dette er grunden til, at blade skal vreses.

3.Udviklingshistorie

Da kraften i flymotorer fortsat øges, opnås det ved at øge kompressorens indgangstemperatur, hvilket kræver brug af avancerede blade med højere og højere temperaturmodstand. Udenfor højtemperaturbetingelserne er arbejdsmiljøet for varmeblad også i en ekstrem tilstand med høj tryk, høj belastning, høj vibration og høj korrosion, så bladene kræves at have ekstremt høj almen ydelse. Dette kræver, at bladene fremstilles af specielle legeringsmaterialer (højtemperaturlegeringer) og specielle fremstillingsprocesser (præcist kasting plus retningsbestemt fastgørelse) for at lave specielle matrixstrukturer (enkristalstrukturer) for at opfylde behovene i størst mulig omfang.

Komplekse enkristallige hule turbineblader er blevet kernen i den nuværende teknologi for motore med høj thrust-to-weigh-forhold. Det er forskning og anvendelse af avancerede enkristallege legeringer samt udviklingen af dubbelvands ultra-luft-kølede enkristalj-blade, der har gjort enkristalj-præparations-teknologien til at spille en afgørende rolle i de mest avancerede militære og civile luftfartsmotorer i dag. I øjeblikket er enkristalj-blade ikke kun monteret på alle avancerede flymotorer, men bruges også mere og mere i tunge gas-turbiner.

Enkeltkristall superlegemer er en type avancerede motorbladematerialer, udviklet på baggrund af ligeledede kristaller og rettede søjlekrystaller. Siden begyndelsen af 1980'erne har de første generationers enkeltkristall superlegemer som PWA1480 og ReneN4 været omfattende i brug i en række flymotorer. I slutningen af 1980'erne blev også den anden generations enkeltkristall superlegemer, repræsenteret af PWA1484 og ReneN5, omfattende i brug i avancerede flymotorer såsom CFM56, F100, F110 og PW4000. I øjeblikket har den anden generations enkeltkristall superlegemer i USA opnået modning og bliver bredt anvendt i både militære og civile flymotorer.

I forhold til de første generations enkristallalloyer har de anden generations enkristallalloyer, som repræsenteres af PW's PWA1484, RR's CMSX-4 og GE's Rene'N5, øget deres driftstemperatur med 30°C ved at tilføje 3% rhenium og passende øge indholdet af molybdat, hvilket opnår en god balance mellem styrke og modstand mod oxidation og korrosion.

I den tredje generations enkristallalloyer Rene N6 og CMSX-10 er alloy-sammensætningen optimeret i ét trin. Det samlede indhold af uløselige elementer med stor atomradius er blevet øget, især ved at tilføje mere end 5vægt% rhenium, hvilket forbedrer højtemperaturskrymningstyrken betydeligt. Alliansens holdbarhedslevetid på 1150 grader er større end 150 timer, hvilket er meget længere end den første generations enkristallalliances levetid på omkring 10 timer, og det har også høj temperaturmodstand, oxidation og varmekorrosion.

USA og Japan har i følge hinanden udviklet den fjerde generation af enkristallige alloyer. Ved at tilføje rutenium er stabilitten af alloyens mikrostruktur blevet forbedret, og krybeffekten under langtids-højtemperaturudslag er blevet forøget. Dets holdbarhedslev i 1100 ℃ er 10 gange højere end den anden enkristallige alloy, og driftstemperaturen har nået 1200 ℃. Den samme generations enkristallisk sammensætning vises nedenfor.

4.Bladbasale materiale og fremstillings teknologi

Deformeret højtemperaturspændingsblade

Udviklingen af deformerbare højtemperaturslegemer har en historie på mere end 50 år. De hyppigst brugte deformerbare højtemperaturslegemer til hjemlige flymotorblader vises i Tabel 1. Med øget indhold af aluminium, titan, wolfram og molibdad i højtemperaturslegemer forbedres materialets egenskaber kontinuerligt, men det termiske arbejdsydelighed aftager; efter tilføjelsen af det dyre ligevægtselement kobalt kan materialets samlede ydeevne forbedres, og stabilietten af den højtemperaturstruktur kan forbedres.

Blader er nøgledelene i flymotorer, og deres produktionstilskusning udgør omkring 30% af den samlede motorproduktion.
Flymotorblader er tyndvandrede og let forvridelige dele. Hvordan man kontrollerer deres forvridning og behandler dem effektivt og med høj kvalitet er en af de vigtige forskningsemner i bladproduceringsindustrien.

Med udviklingen af højpræstations CNC-maskiner er produktoprocessen for turbineblader også gennemgået store ændringer. Blader, der behandles ved hjælp af præcist CNC-skærmeteknologi, har høj præcision og korte produktionstider, normalt 6 til 12 måneder i Kina (halvafsluttede bearbejding); og 3 til 6 måneder i udlandet (residu-fri bearbejding).