Βασικές γνώσεις για τα φύλλα των μηχανών αεροσκαφών (1)

1.Εισαγωγή στα φύλλα του ροτόρα

Το συστατικό με τις χειρότερες συνθήκες εργασίας στον κινητήρα τουρμπίνας είναι επίσης και το πιο σημαντικό περιστρεφόμενο συστατικό. Στα θερμά τέλη των αεροπορικών κινητήρων, τα φύλλα της τουρμπίνας υφίστανται επιβλάβεια από υψηλότερη θερμοκρασίας αέριο και αλλαγές θερμοκρασίας κατά τους κύκλους εκκίνησης και σταμάτησης του κινητήρα, ενώ τα φύλλα του ρότορα υφίστανται κεντριφύγο δύναμη σε υψηλές ταχύτητες. Το υλικό πρέπει να έχει αρκετή υψηλοθερμιακή σύρρεση, αντοχή σε ανεξάντληση, αντοχή σε κρέαση, καθώς και καλή αντοχή σε κατάθλιψη, αντοχή σε οξείδωση, αντοχή σε αεριούς κόροι και κατάλληλη πλαστικότητα. Επιπλέον, απαιτείται μακροχρόνια οργανωτική σταθερότητα, καλή αντοχή σε κρούση, καταχυτότητα και χαμηλή πυκνότητα.

Η θερμοκρασία εισαγωγής αέρα σε προηγμένα αεροπλανικά μοτόρα φθάνει στα 1380℃ και η οθόνη φθάνει στα 226KN. Οι τουρβινικές φύλλες υφίστανται αεροδυναμικές και κεντριφυγές δυνάμεις, με τα φύλλα να φέρουν μια τενσιονική έπισταση περίπου 140MPa. Η ρίζα του φύλλου φέρει μια μέση έπισταση 280~560MPa, ενώ το αντίστοιχο σώμα του φύλλου φέρει μια θερμοκρασία 650~980℃ και η ρίζα του φύλλου είναι περίπου 760℃.

Ο επίπεδος επίδοσης των τουρβινικών φύλλων (ειδικά η ικανότητα βάρησης θερμοκρασίας) έχει γίνει ένας σημαντικός δείκτης του προηγμένου επιπέδου ενός μοντέλου μοτόρα. Σε μια σημασία, ο καστινγκ προϊόντων μελλοντικών φύλλων μοτών αποφασίζει άμεσα την επίδοση του μοτόρα και είναι επίσης μια σημαντική σημείο επιπέδου της εθνικής αεροναυπηγικής βιομηχανίας.

2.Σχεδιασμός μορφής φύλλου

Επειδή υπάρχουν πολλά φύλλα, αν σχεδιαστούν σε ορθές κανονικές μορφές, μπορεί να μειωθεί σημαντικά η τεχνολογία επεξεργασίας, να μειωθεί η δυσκολία σχεδιασμού και να μειωθούν πολλά κόστη. Ωστόσο, τα περισσότερα φύλλα είναι στρογγυλωτά και καμπυλωμένα.

Ας σας παρουσιάσω καταρχάς μερικά βασικά χαρακτηριστικά των φύλλων.

Πρώτα, τι είναι ένας runner; Κάτω από αυτές βρίσκονται δύο τυπικές διαγράμματα runner.

Διάγραμμα ροής συμπιεστή

Διάγραμμα μοντέλου ροής τουρβίνας
Δεύτερα, τι είναι η εξίσωση υπολογισμού της περιφερειακής ταχύτητας; Στο διάδρομο ροής, η περιφερειακή ταχύτητα είναι διαφορετική σε διαφορετικές ακτίνες (αυτό μπορεί να προκύψει σύμφωνα με την εξίσωση υπολογισμού στο διάγραμμα κάτω από).

Περιφερειακή ταχύτητα. Τέλος, τι είναι ο γωνιός επίθεσης της αεροροής; Ο γωνιός επίθεσης της αεροροής είναι ο γωνιός μεταξύ της αεροροής και της χορδής του φύλλου ως προς την κατεύθυνση της ταχύτητας του φύλλου.

Χρησιμοποιώντας ως παράδειγμα το πτερύγιο του αεροπλάνου, εμφανίζεται ο γωνιασμός επίθεσης της ροής αέρα. Στη συνέχεια, εξηγείται γιατί το φύλλο πρέπει να είναι στρογγυλωμένο; Επειδή οι περιφεριακές ταχύτητες σε διαφορετικές ακτίνες στο κανάλι ροής είναι διαφορετικές, ο γωνιασμός επίθεσης της ροής αέρα σε διαφορετικά επίπεδα ακτίνας διαφέρει σημαντικά. Στο άκρο του φύλλου, λόγω της μεγάλης ακτίνας και της μεγάλης περιφεριακής ταχύτητας, προκαλείται μεγάλος θετικός γωνιασμός επίθεσης, που οδηγεί σε σοβαρή αποσύνδεση ροής αέρα στην πλάτη του φύλλου. Στη βάση του φύλλου, λόγω της μικρής ακτίνας και της μικρής περιφεριακής ταχύτητας, προκαλείται μεγάλος αρνητικός γωνιασμός επίθεσης, που οδηγεί σε σοβαρή αποσύνδεση ροής αέρα στο κοιλό του φύλλου.

Επομένως, για ορθές ζάρες, εκτός από μια παρτίδα της πλησιέστερης μεσαίας διάμετρου που μπορεί να λειτουργήσει ακόμα, τα υπόλοιπα τμήματα θα προκαλέσουν σοβαρή απόσπαση ρεύματος αέρα, δηλαδή η απόδοση ενός συμπιεστή ή κινητήρα με ορθές ζάρες είναι εξαιρετικά φτωχή, και μπορεί ακόμα και να φτάσει στο σημείο όπου δεν μπορεί να λειτουργήσει καθόλου. Για αυτόν τον λόγο, οι ζάρες πρέπει να είναι στρογγυλωμένες.

3.Ιστορία Ανάπτυξης

Καθώς η δύναμη των μοτών αεροπλάνων συνεχίζει να αυξάνεται, επιτυγχάνεται αυξάνοντας τη θερμοκρασία εισόδου του συμπιέστη, που απαιτεί τη χρήση προηγμένων φολιών με υψηλότερη αντοχή στη θερμοκρασία. Εκτός από τις συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, ο εργασιακός χώρος των φολιών της καυστής άκρης βρίσκεται επίσης σε ακραίο κατάστασμα υψηλής πίεσης, υψηλής φορτίασης, υψηλής ταραχής και υψηλής διαβρωτικότητας, έτσι ώστε τα φούλια να πρέπει να έχουν εξαιρετικά υψηλή συνολική απόδοση. Αυτό απαιτεί τα φούλια να κατασκευάζονται από ειδικές σύγκριμας υλικών (υψηλοθερμικά σύγκριμα) και ειδικές διαδικασίες κατασκευής (ακριβής χωνευματοποίηση προς κατεύθυνση) για να δημιουργούν ειδικές μητρώες δομές (μονοκριστάλλινες δομές) προκειμένου να καλύπτουν τις ανάγκες με τον μεγαλύτερο δυνατό τρόπο.

Οι πολύπλοκες μονοκρυσταλλινές κενές τουρβίνες έχουν γίνει η κεντρική τεχνολογία των σημερινών κινητήρων με υψηλό αναλογικό δυναμικό-βάρος. Η έρευνα και η χρήση προηγμένων μονοκρυσταλλινών υφασμάτων και η εμφάνιση της τεχνολογίας παραγωγής διπλώνοις υπερθερμανομένων μονοκρυσταλλινών λεπτών έχουν επιτρέψει στην τεχνολογία παρασκευής μονοκρυστάλλων να παίξει κλειδιακό ρόλο στους πιο προηγμένους στρατιωτικούς και εμπορικούς κινητήρες αεροπλάνων σήμερα. Σήμερα, οι μονοκρυσταλλινές λεπτές έχουν εγκατασταθεί σε όλους τους προηγμένους αεροναυτικούς κινητήρες και χρησιμοποιούνται ολο και περισσότερο σε βαριές αεριοθάλαμους.

Τα μονοκριστάλλινα υπερφθόρια είναι ένα είδος προηγμένων υλικών φακέλων μηχανήματος που αναπτύχθηκαν βάσει ισοκριστάλλινων και κατευθυνόμενων στηλοειδών κρυστάλλων. Από τις αρχές της δεκαετίας του '80, η πρώτη γενιά μονοκριστάλλινων υπερφθορίων όπως το PWA1480 και το ReneN4 έχουν ευρεί εφαρμογή σε διάφορα αεροπλανιακά μηχανήματα. Στα τέλη της δεκαετίας του '80, η δεύτερη γενιά μονοκριστάλλινων φακέλων υπερφθορίων, που εκπροσωπούνται από το PWA1484 και το ReneN5, χρησιμοποιήθηκαν επίσης ευρέως σε προηγμένα αεροπλανιακά μηχανήματα όπως το CFM56, F100, F110 και PW4000. Σήμερα, η δεύτερη γενιά μονοκριστάλλινων υπερφθορίων στις Ηνωμένες Πολιτείες έχει ωριμάσει και χρησιμοποιείται ευρέως σε στρατιωτικά και πολιτικά αεροπλανιακά μηχανήματα.

Σε σύγκριση με τα μονοκριστάλινα σόδια πρώτης γενιάς, τα μονοκριστάλινα σόδια δεύτερης γενιάς, που εκπροσωπούνται από το PWA1484 της PW, το CMSX-4 της RR και το Rene'N5 της GE, έχουν αυξήσει τη θερμοκρασία λειτουργίας τους κατά 30°C με την προσθήκη του 3% ρένιου και την κατάλληλη αύξηση του περιεχομένου μόλυβδου, επιτυγχάνοντας καλή ισορροπία μεταξύ της ισχύος και της αντοχής στην οξείδωση και τη διάβρωση.

Στα μονοκριστάλινα σόδια τρίτης γενιάς Rene N6 και CMSX-10, η σύνθεση του σοδίου βελτιώνεται με μία βήματα, αυξάνεται το συνολικό περιεχόμενο των στοιχείων με μεγάλο ατομικό ακτίνα που δεν λύνονται, ειδικά με την προσθήκη περισσότερων από 5wt% ρένιου, που βελτιώνει σημαντικά την αντοχή σε χρησιμοποίηση υψηλής θερμοκρασίας, με τη ζωή ενδυαφάνειας του σοδίου να είναι μεγαλύτερη από 150 ώρες στις 1150°C, πολύ μεγαλύτερη από τη ζωή των μονοκρισταλλινών σόδιων πρώτης γενιάς περίπου 10 ωρών, και έχει επίσης υψηλή αντοχή σε θερμική κατάποντη, οξείδωση και θερμική διάβρωση.

Η Ηνωμένη Πολιτεία και η Ιαπωνία έχουν αναπτύξει διαδοχικά την τέταρτη γενιά μονοκρυσταλλικών συγκρότων. Με την προσθήκη ρουθενίου, έχει επιτευχθεί περαιτέρω βελτίωση της σταθερότητας της μικροδομής του συγκροτικού και έχει αυξηθεί η αντοχή κρεμάνσης υπό μακροχρόνια εκτίθεση σε υψηλό θερμοκράσια. Η διάρκεια της ζωής του σε 1100 ℃ είναι 10 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του δεύτερου μονοκρυσταλλικού συγκροτικού, ενώ η λειτουργική θερμοκρασία έχει φτάσει στα 1200 ℃. Η μονοκρυσταλλική σύσταση της ίδιας γενιάς εμφανίζεται παρακάτω.

4. Υλικό βάσης και τεχνολογία κατασκευής των φολιών

Διαμορφωμένα υψηλοθερμικά σύγκροτα φολιών

Η ανάπτυξη μεταλλικών σύγχυτρων υψηλών θερμοκρασιών με ελαστικότητα έχει ιστορία πάνω από 50 χρόνια. Οι συνήθως χρησιμοποιούμενες μεταλλικές σύγχυτροι υψηλών θερμοκρασιών για τα φύλλα κινητήρων αεροπλάνων εντός της χώρας εμφανίζονται στον Πίνακα 1. Με την αύξηση του περιεχομένου αλουμινίου, τιτανίου, υδραργύρου και μολύβδιου στους σύγχυτρους υψηλών θερμοκρασιών, βελτιώνονται συνεχώς οι ιδιότητες του υλικού, αλλά μειώνεται η θερμή εργασιμότητα του· μετά την προσθήκη του ακριβού σύγχυτρου στιβάρου, μπορεί να βελτιωθεί η συνολική απόδοση του υλικού και να βελτιωθεί η σταθερότητα της δομής υψηλής θερμοκρασίας.

Τα φύλλα είναι κλειδιαίοι τομείς των κινητήρων αεροπλάνων, και ο όγκος της παραγωγής τους αντιπροσωπεύει περίπου το 30% του συνολικού όγκου παραγωγής του κινητήρα.
Τα φύλλα κινητήρων αεροπλάνων είναι κομμάτια με λεπτά τοιχώματα που εύκολα μετασχηματίζονται. Πώς να ελέγχουμε τη μετασχημάτωσή τους και να τα επεξεργαζόμαστε αποδοτικά και με υψηλή ποιότητα είναι ένα από τα σημαντικότερα θέματα μελετής στη βιομηχανία παραγωγής φύλλων.

Με την εμφάνιση υψηλής απόδοσης CNC μηχανικών εργαλείων, ο προϊσταμένος προσδιορισμός των νεροβόλων έχει επίσης υποστεί μεγάλες αλλαγές. Οι φύλλες που επεξεργάζονται χρησιμοποιώντας τεχνολογία CNC με ακρίβεια έχουν υψηλή ακρίβεια και σύντομους κύκλους παραγωγής, γενικά 6 έως 12 μήνες στην Κίνα (μερική ολοκλήρωση μεταγωγής) και 3 έως 6 μήνες στο εξωτερικό (χωρίς κατάλειπτα).