¿Cómo se fabrican las palas del rotor de la turbina de alta presión del motor aeronáutico?

El principio de cómo se fabrican las palas del rotor de la turbina de alta presión del motor de avión es muy simple, pero los diversos parámetros en este proceso requieren muchas pruebas para obtener los parámetros de cada nodo, la composición de los materiales auxiliares y mucha suerte.

Primero, las palas del rotor de la turbina de alta presión requieren conductos internos de aire de enfriamiento complejos (ver figura a continuación). Primero, se fabrican los conductos internos de aire de enfriamiento (excluyendo los orificios de aire de enfriamiento, que se discutirán más tarde). Luego, el molde de cera se vierte con una cerámica especial para formar los conductos de aire.

Después de tener este molde de vía aérea cerámica, únelo con el molde externo de la hoja y mételo en el horno de fundición. La aleación supersónica fundida* entra en la cavidad del molde de arriba hacia abajo (incluyendo el molde interno de la vía aérea cerámica y el molde externo de cera). Es muy problemático aplicar innumerables capas de recubrimientos entre cada fabricación de moldes. Las empresas alemanas usan robots para hacerlo, y parece que Rusia todavía utiliza cepillos de tía. Estos recubrimientos determinan directamente la calidad de la fundición, y la tasa de tolerancia es extremadamente baja.

En este momento, la máquina de fundición controlará estrictamente la temperatura de la aleación supersónica fundida, y luego permitirá que se solidifique en un plano horizontal (es decir, el crecimiento del cristal), de abajo hacia arriba, cuando el cristal crece en espiral (selector de cristales), se comprimen y seleccionan mutuamente, y finalmente solo quedará un cristal que esté más cerca de la dirección preestablecida, y este cristal continuará creciendo hacia arriba.

Porque el eje de alta presión tiene que rotar más de 10,000 veces, cada pieza está sometida a más de 10 toneladas de fuerza centrífuga, y como la resistencia de los cristales de níquel en cada dirección es diferente, su diagonal (la dirección más fuerte) necesita estar dentro de 10 grados de la dirección de la fuerza centrífuga. (Otra cosa a mencionar, la aleación de base de níquel unidireccional utilizada en el rotor de la turbina de baja presión requiere la dirección del cristal, pero no solo un cristal, ya que el punto de fusión de un cristal único es 50K mayor que el de un policristalino (incluyendo un cristal unidireccional))

La tasa de rendimiento no es alta. Por lo que sé, muchas excelentes fábricas de fundición precisa en Alemania han intentado este proceso y finalmente quebraron. El umbral realmente es demasiado alto.

Finalmente, se obtiene el producto terminado y se utiliza un álcali especial para disolver el molde cerámico del conducto de aire que queda en el conducto para hacer agujeros de enfriamiento. Hay agujeros de disolución electroquímica y agujeros electroquímicos. Los agujeros más comunes se hacen con láser. La forma de los agujeros también es muy compleja. Luego está el recubrimiento por electroplacado, que también es un conocimiento enorme.

La imagen de abajo muestra polícristal a la izquierda, cristal unidireccional en el medio y cristal único a la derecha.

Sin embargo, después del vaciado, las aspas no tienen los orificios que conectan el ducto de aire de enfriamiento interno y la superficie de la aspa. Esto generalmente se hace con láser. Debido a que el aire de enfriamiento pierde mucha presión cuando es extraído del compresor de alta presión y fluye desde el eje hueco hasta la turbina de alta presión, aunque el flujo de aire central también pierde presión al pasar por la combustión, y el proceso desde el eje hasta la aspa tiene un efecto de compresión centrífuga y aumento de presión, aún se requiere una presión estática más alta para dirigir el aire de enfriamiento hacia la superficie de la aspa. En este momento, se necesita un orificio con una sección transversal ensanchada para manejar el aire de enfriamiento, reducir la presión dinámica e incrementar la presión estática, y luego el aire de enfriamiento empuja el flujo de aire caliente lejos de la superficie de la aspa (mucho disparate). Además, una velocidad demasiado alta causará que el enfriamiento sea inyectado directamente en el flujo de aire central, y tiene otra función, que es formar una capa de película de aire de enfriamiento sobre la superficie de la aspa para protegerla, lo cual requiere desaceleración e incremento de presión.

Por lo tanto, este tipo de agujero necesita optimizar su forma geométrica para diferentes posiciones. El taladrado láser se puede automatizar fácilmente, pero la desventaja es que habrá estrés en la superficie interna.

La parte trasera del estator de la turbina (cristal unidireccional, fuera de tema) necesita perforarse con agujeros de enfriamiento para servir al rotor de la turbina posterior. Esta aguja es extremadamente delgada y no puede soportar el estrés interno, por lo que se fabrica utilizando corrosión electroquímica. Por supuesto, estas no son reglas absolutas y diferentes empresas tienen diferentes métodos de procesamiento.

Después de hacer esto, se ha obtenido una hoja de turbina de cristal único, pero aún no ha sido recubierta. Las hojas de turbina modernas requieren una capa de revestimiento térmico de circonia, un cerámico de óxido de circonio. Como es una cerámica, es frágil en cierta medida. Cuando la turbina está funcionando, si hay una deformación mínima, toda la pieza podría desprenderse y las hojas de la turbina se derretirían inmediatamente. Esto es absolutamente inaceptable dentro de Hangfa.

Luego está el proceso EB-PVD (Deposición de vapor físico por haz de electrones), método de deposición de vapor.

Por supuesto, hay muchas capas de otros materiales antes de hacerlo, como el recubrimiento de platino (platino), proyección plasma, etc. También hay una capa para reforzar la circonia y pegarla como si fuera pegamento. Por supuesto, hay pequeñas diferencias entre cada empresa, y no son estáticas.

Primero, el cañón de electrones emite un haz de electrones, que es guiado por el campo magnético y golpea el sustrato de circonio. El sustrato bombardeado por los electrones pasará a un estado gaseoso, y el circonio en estado gaseoso es dirigido hacia la superficie de la hoja para comenzar a crecer. El circonio crecerá en pequeños bastoncillos con un diámetro de 1 micrómetro y una longitud de 50 micrómetros, cubriendo densamente la superficie de las hojas sin que los poros queden recubiertos. Como no es una pieza sólida de cerámica, los pequeños bastoncillos pueden moverse ligeramente en relación entre sí sin que se despegue toda la pieza, lo que resuelve el problema de fallo causado por deformación.

El zirconio tiene una dureza extremadamente alta y una conductividad térmica extremadamente baja, lo que puede lograr un gradiente de temperatura muy pronunciado entre el sustrato de níquel y el flujo de aire caliente. Con enfriamiento interno y enfriamiento por película de aire, la hoja puede funcionar durante mucho tiempo con alta resistencia y alta confiabilidad en un entorno mucho más alto que su propia temperatura de fusión.

En este punto, se completa la superficie de la hoja. Para ajustarse a la rueda de la turbina, la hoja también necesita una raíz de hoja con estructura en forma de pino o de mortaja y tenón.

Como se mencionó anteriormente, cada hoja de turbina soporta más de diez toneladas de fuerza centrífuga durante el trabajo, y la base de la hoja también necesita ser procesada muy finamente. La aleación supersónica de níquel es muy dura, resistente al calor y muy difícil de procesar.

La base de la hoja se desgasta. La hoja se sujeta con un accesorio especial, y las ruedas de abrasión superior e inferior con geometría opuesta (molde femenino) desgastan hacia adentro.

Esto hará que la rueda de molienda falle rápidamente, por lo que se añade una rueda de molienda con diamante positivo al exterior de las dos ruedas de molienda para moler continuamente la rueda de molienda y mantenerla funcionando. Los diamantes industriales en la rueda de diamante están pegados por robots.

Después de estos procesos y la inspección, la hoja está lista para trabajar. Es solo una parte de un motor de avión, y un motor de avión es solo un módulo en un avión.