Kui lennukite jõudluse nõuded transpordi-, sõjaväe-, tootmise- ja muude eesmärkide jaoks suurenesid, ei suutnud varasemad pistoonimootorid enam rahuldada kiiruse lennusid. Seetõttu on 1950. aastatest saadik voolanud gaasiturbiinimootorid allahävitanud peamistesse kasutuses olevateks.
1928. aastal väitis Ühendkuningriigi Sir Frank Whittle oma lõputöös "Tulevane areng lendamisehituses", mida ta õppis militaarakadeemias, et tehnilise teadmiste seisuga sel ajal ei suutnud tulevikus pruuni mootorid rahuldada vajadusi kõrgeimalt asuvates altitudel või lennusürmadega üle 800 km/h. Ta esitas esimest korda ideed, mida nimetatakse tänapäeva järgi turbinmootoriks (motor engine): kokkupüüditud õhut toimitatakse põlevkonnakambrisse (combustion) traditsioonilise pistooniga, ja kõrgtemperatuursete gaasidega, mis tekivad, kasutatakse otse lennukite liikumiseks, mis võib pidada pruunimootoriga pluss põlevkonnakambris disainina. Hiljemate uurimuste jooksul loobutas ta ideed pistooni kasutamisest, mis oli raske ja mitteefektiivne, ja etendis, et kasutada turbini (turbine), et pakkuda põlevkonnakambrile kokkupüüdikut õhut, mille turbini võimsus tuleneb kõrgtemperatuursetest väljapuhastest gaasidest. 1930. aastal saatis Whittle patendi taotluse ning 1937. aastal arendas ta maailma esimese sentrifuuga turbinmootori, mis kasutati ametlikult Gloster E.28/39 lennukis 1941. alates. Sellest ajast peale on gaasiturbini mootorid olnud aviaatsiooni võimsuse eesliigis ja need on oluline sümbol riigi teadus- ja tehnoloogia tööstusarengus ning selle integreeritud riiklikus tugevuses.
Lennukimootorid võivad jagune kahdeks põhiprofiiliks nende kasutusel ja struktuuriomaduste järgi: turbokiirg mootor, turbopuu motoor, turboshaht motoor ja turbonärimootor.
Aviatsiooni gaasiturbiidimootor tähendab turbokiirgmootori, mis on esimesed kasutatud gaasiturbiidimootorid. Turbokiirgmootori vaatepunktist on see lihtsaim ja otsekkoom mootor. Selles toetubgi kiirgude kiirgutamisele reaktsioonijõu abil, mida tekib kõrge kiirusega voolava gaasi tagantpoolne jõud. Kuid kiirgutatud õhut vedab kaasa palju sooja energiat ja kinemaatilist energiat, mis tekitab suure energiahüpena.
Turbopuu mootor jagab õhut, mis sisetab mootori seesse, kaheks teekeks: sisemaks kanaleks ja välimaks kanaleks, mis suurendab kokkuvõtet õhust ja vähendab sisemal õhuvoo temperatuuri ja kiirust.
Turbosoomi ja turbopropi mootorid ei toota surget õhustikku sisenemisega, nii et põletamise temperatuur ja kiirus on oluliselt madalam, termilisus on suhtelisti kõrge ning mootori kütuse kulutus on madal, mis sobib pikama kaugusega lendavate lennukite jaoks. Propelleri kiirus muutub tavaliselt vähem, ja erinevaid surgi saab saavutada lehe nurga kohandamise abil.
Propfan mootor on mootor, mis asetseb turbopropi ja turbofani mootorite vahel. Seda võib jagada kanalisatud propellerikastmega ja mittekanalisatud propellerikastita propfan mootoritesse. Propfan mootor on kõige konkurentsivõimelmam uus energia säästv mootor, mis sobib alahüppsete lendude jaoks.
Tavalised õhusõidukite mootorid on läinud üle kahekümne aasta arendusperioodi. Mootori struktuur on arenenud algsest sentrifuugaalsetest turbomootoritest üle üheksüsteendise akssiaalse sisevoogumootori, kaheksüsteendise turbopuutnikumootoriga ning madala möödaajamisnäitara turbopuutnikumootoriga kuni kõrge möödaajamisnäitara turbopuutnikumootorini. Selle struktuuri on pidevalt optimeeritud tõhususe ja usaldusväärsuse järele. Esimese põlvkonna turbopuutnikumootorite turbiini sisepuhastemperatuur oli 1940. ja 1950. aastatel ainult 1200–1300K. See kasvas igal lendukohandamisel umbes 200K võrra. 1980-ndate alguses jõudsid neljanda põlvkonna edasijõudnud jalgrata lennukite turbiini sisepuhastemperatuurid vahemikku 1800–2000K[1].
Sentrifugaalsete õhukompressori põhimõte on see, et impeller vedab gaasi kiiresti pöörlema, mis tekitab gaasis sentrifugaalse jõu. Gaasi laienemise tõttu impelleri sees suureneb gaasi vooluspeekond ja -pinge, mille tulemusel suureneb ka gaasi vooleratt ning pingeline õhu tootmine on püsiv. Sellel on lühike aksiaalne mõõt ja kõrge ühekordses pingelisheerimissuhetes. Aksiaalsed õhukompressorigid on sellised, kus õhuvooju on peaaegu paralleelselt pöörleva impelleri teljega. Aksiaalne õhukompressor koosneb mitmest tasandist, kus iga tasand sisaldab veergu rotorilauki ning järgnevaid statorilauku. Rotor on töölauad ja ratt ning stator on juhendaja. Õht on esmalt kiirendatud rotorilaukude poolt, seejärel aeglustatakse ja kokkusurutakse statorilaukute kanalis, mis toimub mitmetasandiliste laukude korral korduvalt, kuni kogupingelisheerimissuhete saavutab nõutava tase. Aksiaalne õhukompressor on väikese läbimõõga, mis võimaldab mitmetasandilise süsteemi kasutada, et saavutada kõrgem pingelisheerimissuhete.
Turboviiulmootorid kasutavad tavaliselt üleviimismuutuja, mootori paindusmuutuja, turbiini sissetemperatuuri ja fani paindusmuutuja kui disainiparameetreid:
Üleviimismuutuja (BPR): gaasi massi suhe, mis voolab välisviimistel läbi, ja gaasi massi suhe, mis voolab sisemest viimistel mootoris. Turboviiulmootori eespool asuv rotor nimetatakse tavaliselt madalapainekestusega kompressoriga, samas kui turbofani mootori eespool asuv rotor nimetatakse tavaliselt fanniks. Painetud gaas, mis läbib madalapainekestusega kompressorit, läbib kõiki turboviiulmootori osi; gaas, mis läbib fani, jaguneb sisemisse ja välisesse viimistesse. Turbobana mootorite ilmumisest alates on BPR suurenenud ning see trend on eriti selge tsiviilsetes turbobana mootorites.
Mootori paindusmuutuja (EPR): nootri väljundpäringu kokkupinge suhe kompressoripäästikuga.
Turbiini sissetuleva gaasi temperatuur: Kombustioonikamari ahutuse temperatuur, millega see jõuab turbiiini.
Fani kompresioonisuhe: Kauputatakse ka kompresioonisuhtena, mis on gaasi surve suhe kompressori väljaselga ja sissetulekul.
Kaks effektiivsust:
Termeeffektiivsus: Mõõt, kui tõhusalt mootor teisendab kombustioonist tulenevat külmaterjali energiat mehaaniliseks energiaks.
Liikmeteffektiivsus: Mõõt, milline osa mootoriga toodetud mehaanilisest energiast kasutatakse laeva edasi liigutamiseks.
1970. aastate alguses oli USA esimene, kes kasutas suunasolidesoolidatsioonilehti PWA1422 sõjaväe ja kodumajanduse lendusmootorites.
1980. aastate järel suurenes kolmanda põlvkonna mootori jõudluse kaaluhulga üle 8, ja turbiinilauad hakkasid kasutama esimest põlvkonna SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 ning Hiina DD3 materjalide. Nende temperatuurikandevõime on 80K kõrgem kui parimatest suunatud kuivitamise meetodil valmistatud kõrge temperatuuri lehega ligedalöögidest, nagu PWA1422. Lisaks võimaldab filmkülmundus ühekordse tühja tehnoloogia kasutamine turbiinilauade töötustemperatuuri saavutada 1600–1750K.
Neljanda põlvkonna turbopropmootor kasutab teist põlvkonda SX, PWA1484, RenéN5, CMSX-4 ja DD6. Re-elementide lisamisega ja mitmekordsete kanalitega kõrge painduvuspainekülmundusmeetodiga jõuavad turbiinilauad töötustemperatuurini 1800K–2000K. Temperatuuril 2000K ja 100 tunni jooksul jääb kestva jõudme väärtus 140MPa.
Kolmas põlv SX arendati 1990. aastate järel ja hõlmab RenéN6, CMRX-10 ja DD9, mis võrreldes teise põlve SX-ga, näitavad väga olulist rippumisjõu eelisega. Ruumiliste jäätmete kanalite ja termiliste takistuste kaubanduskaasluse all jõuab see turbiini sissepääsuvormi temperatuur, mida see suudab vastu pidada, 3000K-ni. Lepikuks kasutatav vahemetaalliline liit jõuab temperatuurini 2200K ning 100tunnise järkjärgse jõu tasemele 100MPa.
Praegu on arendamisel neljas põlv SX, millega esindatakse MC-NG[4], TMS-138 jne, ja viietas põlv SX, millega esindatakse TMS-162 jne. Selle koostis on iseloomustatud uute harvaelementide, nagu Ru ja Pt, lisamisega, mis tõstab oluliselt SX kõrge temperatuuri rippumisjõudu. Viienda põlve kõrgetemperatuursete liitide töötamistemperatuur on jõudnud 1150°C-ni, mis on lähedal nende teoreetilise piirtemperatuuri 1226°C-ga.
3.1 Nikuumbaseltsete ühekristallsete superliitmete koostisomadused ja faasikokkupanek
Maatriksi elemendi liigi järgi saab kõrgtemperatuuriliihte jagada röögibaseltseteks, nikuumbaseltseteks ja kobaltbaseltseteks ning neid edasi jagada kasti-, vormimis- ja pulverimetallurgia makrostruktuurideks. Nikuumbaseltsetel liitmetel on kõrgemal temperatuurlisel paremad omadused kui teistel kahele kõrgtemperatuuriliihtele ja neid saab kasutada pikka aega raskekeskkondades kõrge temperatuuri all.
Nikkelipõhised kõrgtemperatuursete ligendite seas on vähemalt 50% Ni. Nende FCC struktuur muudab neid suurepärases kokkuleppel mõnedega ligendielementidega. Projekteerimisprotsessi käigus lisatavate ligendielementide arv ületab sageli 10. Lisatavate ligendielementide ühisus klassifitseeritakse järgmiselt: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo ja W kuuluvad esimesse klassi, mis teenivad austeniitse stabiliseeriva elemendina; (2) Al, Ti, Ta ja Nb omavad suuremaid atoomirädiuseid, mis edendavad tugevdamisfaseid nagu liit Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), ja need kuuluvad teisesse klassi; (3) B, C ja Zr kuuluvad kolmandasse klassi. Nende atoomisuurused on palju väiksemad kui Ni atoomide suurus, ja need segeleeruvad hälveselt γ fasa granulaarpiiridesse, mängides rolli granulaarpiiri tugevdamisel [14].
Nikkelipõhiste ühekristallsete kõrgtemperatuursete ligendite fasid on peamiselt järgmised: γ fase, γ' fase, karbidifase ja topoloogiliselt tihti pakitud fase (TCP fase).
γ faas: γ faas on austeniidfaas, mille kristallstruktuur on NKK (nurkne kristallist koorong). See on sulasuurte olemasolujoon, mis moodustub nikelis dissipeeritud elementidega nagu Cr, Mo, Co, W ja Re.
γ' faas: γ' faas on Ni3(Al, Ti) vahemetseline liitne NKK struktuuriga, mis moodustub sedimentatsioonifaaseinana ja hoiab mingi koosmääramisega ning erinevusega maatriksifaasega. Sellel on ülekaaluliselt Al, Ti, Ta ja muud elemendid.
Karboniidfaas: Juba teisest põlvkonnast alates lisatakse nikli-alused SX-dele väikese koguse süsiniku, mis võtab kaasa karboniidide esinemise. Väiksed karboniidid on maatriksis disperseeritud ning need parandavad ligikaudu leigetemperatuuri omadusi. Need jagunevad tavaliselt kolmeks tüübiks: MC, M23C6 ja M6C.
TCP faas: Teenusevanemaks mineku korral edendavad liigseid taimsidelemente, nagu Cr, Mo, W ja Re, TCP faasi kristallite moodustumist. TCP moodustub tavaliselt plaatliku struktuurina. Plaatiline struktuur mõjutab negatiivselt muutkatusega, kriepiga ja väsimusega seotud omadusi. TCP faas on üks kriepiruutumise reviidi reviituletiste allikaid.
Tugevdamismeetod
Nikkelipõhiste superliimala tugevus tuleneb mitmete tugevdamismeetodite sidestamisest, sealhulgas dissolutsioonilisest tugevdamisest, kristallite tugevdamisest ning kuuma töötlemisest, mis suurendab dislokaatsiooni tihtust ja arendab dislokaatsioonide alamstruktuuri tugevdamiseks.
Dissolutsiooniline tugevdamine täiendab põhijõudu erinevate dissolutsioneeritavate elementide lisamise teel, sealhulgas Cr, W, Co, Mo, Re ja Ru.
Erinevad aatomiraadiused põhjustavad mingit astmega aatomset võrgu deformatsiooni, mis takistab dislokaatsioonide liikumist. Dissolutsiooniline tugevdamine suureneb aatomi suuruse erinevuse kasvuga.
Tiheduse suurenemine kaasneb ka stakkide vigastusenergia (SFE) vähendamisega, mis peatab peamiselt dislokaatsioonide ristsette kõrgtemperatuursete mitteametlike kristallide puhul.
Atommeluded või lühese jõudlusega mikrostruktuurid on teine mehhanism, mis aitab saavutada tiheduse suurenemist läbi tiheduse. Re-atommeluded segunekiväljas γ/γ’ liidesel moodustavad "Cottrelli atmosfääri", mis takistab dislokaatsioonide liikumist ja revi levikut. (Rahuldavate atomide tihedus on keskendunud servdislokaatsioonide rõhkväljades, mis vähendab võrkude deformatsiooni, moodustab Coriolisi gaasi struktuuri ning toodab tugeva tiheduse suurenemise efekti. Selle efekti tugevus suureneb rahuldavate atomide tiheduse ja nende suuruse erinevuse suurenemisega.)
Re, W, Mo, Ru, Cr ja Co tugevdavad γ faasi efektiivselt. γ maatriksi dissolutsiooniline tugevdamine mängib äärmiselt olulist rolli nikkelipõhiste kõrgtemperatuursete ligedite kriepitugevuses.
Sageduse tugevdamise efekt sõltub γ' faasi mahtuproportsioonist ja suurusest. Kõrgtemperatuuri ligasid koostisoptimeerimise eesmärk on peamiselt γ' faasi mahtuproportsiooni suurenemine ning mehaaniliste omaduste parandamine. SX kõrgtemperatuuri ligased võivad sisaldada 65%-75% γ' faasist, mis tagab hea kriipjõu. See esindab kasulikku maksimumväärtust γ/γ' liidese tugevdamise efektil, edasine suurenemine võib põhjustada olulise jõu languse. Suure γ' faasi mahtuproportsiooniga kõrgtemperatuuri ligade kriipjõud sõltub γ' faasi osakeste suurusest. Kui γ' faasi suurus on väike, neiguvad dislokaatsioonid selle ümber minema, mille tulemusena langeb kriipjõud. Kui dislokaatsioonid on sunnitud lõhkuma γ' faasi läbi, jõuab kriipjõud oma maksimumini. Suurenevatel γ' faasi osakestel neiguvad dislokaatsioonid nende vahel kaarema, mis viib kriipjõu languseni [14].
On kolm peamist sadinemehaanismi:
Võrgukokkuvõte tugevdamine: γ’ faas on disperseeritud ja sadunud γ faasi maatriksis kooskõlas. Mõlemad on FCC struktuurid. Võrgukokkuvõte näitab kahe faasi vahelise kooskõlase liidese stabiilsust ja jõu olekut. Parim variant on, kui maatriks ja sadunud faas on sama kristallstruktuuriga ja võrguparameetritega sama geomeetriaga, nii et rohkem sadunud faaseid saab täita γ faasi sees. Nikkelipõhiste kõrge temperatuuri ligades on võrgumitteline 0~±1%. Re ja Ru on ilmselt segatud γ faasiga. Re ja Ru suurenemine suurendab võrgumittelset.
Järjestus tugevdamine: Dislokatsioonilõikamine põhjustab järjestamatuse maatriksi ja sadunud faasi vahel, mis nõuab rohkem energiat
Disklokatsioonilükkmechanism: selleks nimetatakse Orowani mehhanismi (Orowani lükke), mis on tugevdamismeetod, kus metallimatrissis esineva segafase poolt takistatakse liikuvate disklokatsioonide edasi liikumist. Põhiprintsiip: Kui liikuv disklokatsioon vastab osakese, ei saa see selle läbi minna, mida tulemuseks on ümbertakistamine, disklokatsioonijooni kasv ja nõutav liikumiskindlust suurenemine, mis põhjustab tugevdamise efekti.
3.3 Kõrgtemperatuursete ligendite lekithetamismeetodite arendamine
Võimalikult varasem kütus, mis kasutati kõrgisuhu keskkonnas, võib jälitada tagasi 1906. aastani, mil loodi Nichrome. Turbokompressoorite ja gaasiturbiinimoottorite ilmumine stimuleeris oluliselt kõrgisuhuliste ligende arengut. Esimese põlvkonna gaasiturbiinimootorite lehed toodeti ekstrudseerimise ja vajutamise abil, mis ilmselt oli ajalooliste piirangute all. Praegu valmistatakse enamik kõrgisuhulisi ligendilehti investeerimisega, spetsiaalselt suunasolides (DS). DS meetod on välja töötatud esmakordselt 1970ndatel Ameerika ettevõttes Pratt & Whitney Versnyderi meeskonnalt [3]. Arengu aastate jooksul on turbiinilehe eelistatav materjal muutunud võrdsetest kristallidest veergukristallideks ning seejärel optimeeritud ühekristalli kõrgisuhulise ligendi materjalideks.
DS-tehnoloogia kasutatakse veergude tuumahübitoite SX komponentide tootmiseks, mis parandab oluliselt kõrgetemperatuursete hübitoite puhjustavust ja teraalsokkust vastupidavust. DS-tehnoloogia tagab, et toodetud veerukristallid on suunatud [001], mis on paralleelsed osa peamisele jõuakslile, mitte juhuslikult kristalli suunamisega. Põhimõtteliselt peab DS tagama, et vedel metali sulasuse solidifitseerimine toimub alati ligikaudu solidifitseeritud olekus.
Veerukristallide kaustingimused peavad rahuldama kahte tingimust: (1) Ühepoolsed soojusvood tagavad, et tahke-vedel liidese kasvupunktis liigub ühes suunas; (2) Ei tohi olla nukleatsiooni edasi liikuvate suuna ees.
Kuna leegi murdmine toimub tavaliselt kõrgtemperatuuriliseks nõrgaks struktuuriks kristalivahel, kasutatakse suunatud jääkirgumise protsessi ajal kujujääkirgu "kristalivalija" struktuuri, et vältida kristalivahet. Selle struktuuri ristmõõt on lähedal kristalli suurusele, nii et ainult üks parima arenguga kristall saab jääkirgumismustrisse siseneda ja see jätkab edasi ühekristallinaarses kujul kasvamist kuni tervikuna leeg on koosnes ainult ühest kristallist.
Kristalivalija võib jagada kaheks osaks: algloki ja spiraali:
DS-protsessi alguses hakkavad kristallid nuklemeeruma algloki põhjalt. Kristalli kasvaja algfases on nende arv suur, suurus väike ja orientatsioonierinevus suur. Põhiliselt määrab kristallide vaheline konkureeriv kasv käitumine, kusjuures külgseini geomeetriline blokeerimise efekt on nõrga. Sellel hetkel on orientatsiooni optimeerimise efekt ilmselge; kui kristallide kõrgus alglokes suureneb, väheneb nende arv, suurus suureneb ja orientatsioon läheneb. Kristallide vaheline konkureeriv kasv käitumine väheneb ning külgseini geomeetriline blokeerimise efekt määrab, et kristallsuund saab pidevalt optimeerida, kuid orientatsiooni optimeerimise efekt nõrgeneb. Algloki raadiuse vähendamisel ja algloki kõrguse suurendamisel saab tõhusalt optimeerida kristallide orientatsiooni, mis sissetõmbuvad spiraalseks sektsiooniks. Kuid algloki pikkuse suurendamine lühendab kaubandusliku kastme effektiivset kasvuaru ja suurendab tootmisküsimusi ning ettevalmistamiskulusid. Seega on oluline alusplaatide geomeetrilist struktuuri õigel viisil projekteerida.
Peamiseks funktsiooniks spiraali on ühekristallide efektiivne valimine, samas kui kristalloorientatsiooni optimeerimisvõime on nõrga. Kui DS-protsess toimub spiraalis, annab kaarepärane kanal ruumi dendriitide harude kasvule ning kristallide teised dendriidid edenevad vedelikujoone suunas. Kristallidel on tugev horisontaalne arengusuund ning nende orientatsioon hoiab end fluktuatsioonides, mis viib nõrgale optimeerimisefektile. Seega sõltub spiraalis asuvate kristallide valimine peamiselt kristallide geomeetrilisest piiramisest, konkurentsikasvust ja ruumilist laienemisvõimet [7], mitte aga eelistatud orientatsiooni kasvust, mis on tugevalt juhuslik [6]. Seega on peamine põhjus kristalivalimise ebaõnnestumisele see, et spiraal ei suuda täita ühekristallide valimise rolli. Spiraali väljamõõdu suurenemise, spiraali pitchi vähendamise, spiraali pinnadiameetri vähendamise ja algnurga vähendamise abil saab kristalivalimise tulemust oluliselt parandada.
Tühi ühekristalltuurbiinirahva ettevalmistamine nõuab üle kaheksa sammu (peamise ligendiga tükeldamine, ühekristalli membraanikera valmistamine, keeruka konfiguratsiooniga seramiikukera valmistamine, tükeldus, suunatud solidifitseerimine, soojusega töötlemine, pinnatöötlemine, termobarne kausti valmistamine jne). See keeruline protsess on hõljutatud erinevate puudustega, nagu vabanenud kristallid, praktilised kristallid, väike nurga kristallipiirid, jada kristallid, orienteerumisviga, uuesti kristallineering, suur nurga kristallipiirid ja kristallivaliku ebaõnnestumine.
Külm uudised2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Meie professionaalne müügimeeskond ootab teie konsultatsiooni.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
NO
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
