Kuna transpordi-, sõja-, tootmis- ja muudel eesmärkidel kasutatavate lennukite jõudlusnõuded kasvasid, ei suutnud kõige varasemad kolbmootorid enam täita kiire lennu vajadusi. Seetõttu on gaasiturbiinmootorid alates 1950. aastatest järk-järgult muutunud peavooluks.
Sir Frank Whittle Ühendkuningriigist juhtis 1928. aastal sõjaväeakadeemias õppides oma lõputöös "Future Development in Aircraft Design" tähelepanu sellele, et tollaste tehniliste teadmiste juures ei suutnud propellermootorite edasine areng vajadustega kohanduda. suurtel kõrgustel või lennukiirustel üle 800 km/h. Esmalt pakkus ta välja kontseptsiooni, mida praegu nimetatakse reaktiivmootoriks (mootormootoriks): suruõhk suunatakse põlemiskambrisse (põlemine) läbi traditsioonilise kolvi ja tekkivat kõrgel temperatuuril tekkivat gaasi kasutatakse otse lennu edasiliikumiseks, mis võib käsitada propellermootorina pluss põlemiskambri konstruktsioonina. Hilisemates uurimistöödes loobus ta mõttest kasutada rasket ja ebaefektiivset kolvi ning pakkus välja turbiini (turbiini) kasutamise, et anda põlemiskambrisse suruõhk ning turbiini võimsus saadi kõrge temperatuuriga heitgaasidest. 1930. aastal taotles Whittle patenti ja 1937. aastal töötas ta välja maailma esimese tsentrifugaalse turboreaktiivmootori, mida kasutati ametlikult 28. aastal lennukis Gloster E.39/1941. Sellest ajast alates on gaasiturbiinmootorid domineerinud lennunduses ja on riigi teadusliku ja tehnoloogilise tööstusliku taseme ja igakülgse rahvusliku tugevuse oluline sümbol.
Lennukimootorid võib nende kasutusalade ja konstruktsiooniomaduste järgi jagada nelja põhitüüpi: turboreaktiivmootorid, turboventilaatormootorid, turbovõllmootorid ja turbopropellermootorid:
Lennunduse gaasiturbiinmootoreid nimetatakse turboreaktiivmootoriteks, mis on kõige varasemad kasutatud gaasiturbiinmootorid. Tõukejõu tekitamise viisi seisukohast on turboreaktiivmootorid kõige lihtsamad ja otsesemad mootorid. Põhjendus põhineb reaktsioonijõul, mis tekib keerise kiirel süstimisel. Kiire õhuvool võtab aga korraga ära palju soojust ja kineetilist energiat, põhjustades suure energiakadu.
Turboventilaatormootor jagab mootorisse voolava õhu kaheks teeks: sisemine kanal ja välimine kanal, mis suurendab kogu õhuvoolu ning vähendab heitgaaside temperatuuri ja sisemise kanali õhuvoolu kiirust.
Turbovõll- ja turbopropellermootorid ei tekita õhuvoolu sissepritsega tõukejõudu, mistõttu on heitgaasi temperatuur ja kiirus oluliselt vähenenud, soojuslik kasutegur on suhteliselt kõrge ja mootori kütusekulu on madal, mis sobib kauglennukite jaoks. Propelleri kiirus üldjuhul ei muutu ning laba kaldenurka reguleerides saadakse erinevad tõukejõud.
Profanmootor on mootor turbopropeller- ja turboventilaatormootorite vahel. Selle saab jagada kanaliga propelleri korpusega propfanmootoriteks ja kanaliga sõukruvideta propellermootoriteks. Profanmootor on kõige konkurentsivõimelisem uus energiasäästlik mootor, mis sobib allahelikiirusega lendudeks.
Tsiviillennunduse mootorid on läbinud enam kui poole sajandi pikkuse arengu. Mootori struktuur on arenenud varasest tsentrifugaalturbiinmootorist ühe rootoriga aksiaalvoolumootoriks, kahe rootoriga turboreaktiivmootoriks madala möödaviigu suhtega turboventilaatormootoriks ja seejärel suure möödaviigu suhtega turboventilaatormootoriks. Struktuuri on tõhususe ja töökindluse saavutamiseks pidevalt optimeeritud. Turbiini sisselasketemperatuur oli 1200. ja 1300. aastatel esimese põlvkonna turboreaktiivmootorites vaid 1940–1950 K. See suurenes iga lennuki uuendamisega umbes 200 1980 võrra. 1800. aastateks jõudis neljanda põlvkonna täiustatud hävituslennukite turbiini sisselasketemperatuur 2000–1 K[XNUMX].
Tsentrifugaalõhukompressori põhimõte on see, et tiivik paneb gaasi suurel kiirusel pöörlema, nii et gaas tekitab tsentrifugaaljõu. Tänu gaasi paisumisrõhuvoolule tiivikus suureneb gaasi voolukiirus ja rõhk pärast tiiviku läbimist ning pidevalt tekib suruõhku. Sellel on lühike teljesuunaline mõõde ja kõrge üheastmeline rõhusuhe. Axialflow õhukompressor on kompressor, milles õhuvool liigub põhimõtteliselt paralleelselt pöörleva tiiviku teljega. Aksiaalvoolukompressor koosneb mitmest astmest, igas etapis on rida rootori labasid ja sellele järgnev rida staatori labasid. Rootor on tööterad ja ratas ning staator on juht. Esmalt kiirendatakse õhku rootorilabade abil, aeglustatakse ja surutakse kokku staatori labade kanalis ning seda korratakse mitmeastmelistel labadel, kuni kogurõhusuhe saavutab vajaliku taseme. Aksiaalvoolukompressor on väikese läbimõõduga, mis on mugav mitmeastmeliseks tandemkasutuseks, et saavutada suurem surveaste.
Turboventilaatormootorites kasutatakse tavaliselt konstruktsiooniparameetritena möödavoolu suhet, mootori rõhu suhet, turbiini sisselasketemperatuuri ja ventilaatori rõhu suhet:
Möödavoolu suhe (BPR): väljalaskekanalite kaudu voolava gaasi massi ja mootori sisemiste kanalite kaudu voolava gaasi massi suhe. Turboreaktiivmootori esiosas asuvat rootorit nimetatakse tavaliselt madalrõhukompressoriks ja turboventilaatormootori esiosas olevat rootorit ventilaatoriks. Madalsurvekompressorit läbiv survegaas läbib turboreaktiivmootori kõiki osi; ventilaatorit läbiv gaas jaguneb sise- ja väliskanaliteks. Alates turboventilaatormootorite ilmumisest on BPR suurenenud ja see suundumus on eriti ilmne tsiviilotstarbeliste turboventilaatormootorite puhul.
Mootori rõhu suhe (EPR): düüsi väljalaskeava kogurõhu ja kompressori sisselaskeava kogurõhu suhe.
Turbiini sisselaske temperatuur: põlemiskambri heitgaasi temperatuur, kui see siseneb turbiini.
Ventilaatori surveaste: nimetatakse ka kompressori surveastmeks, kompressori väljalaskeava gaasirõhu ja sisselaskeava gaasirõhu suhet.
Kaks tõhusust:
Soojusefektiivsus: mõõdik, mis näitab, kui tõhusalt mootor muundab põlemisel tekkiva soojusenergia mehaaniliseks energiaks.
Tõukejõu efektiivsus: mootori poolt tekitatava mehaanilise energia osakaalu mõõt, mida kasutatakse õhusõiduki edasiliikumiseks.
1970. aastatel kasutas USA esimesena sõjaväe- ja tsiviillennukite mootorites PWA1422 suunatud tahkumisterasid.
Pärast 1980. aastaid tõusis kolmanda põlvkonna mootori tõukejõu ja kaalu suhe enam kui 8-ni ning turbiini labadel hakati kasutama esimese põlvkonna SX-i, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 ja Hiina DD3. Selle temperatuuritaluvus on 80K kõrgem kui parimal kõrgtemperatuurilisel tahkumisvalamisel PWA1422. Eelised. Koos kilejahutusega ühe kanaliga õõnestehnoloogiaga ulatub turbiini labade töötemperatuur 1600-1750 K. .
Neljanda põlvkonna turboventilaatormootor kasutab teise põlvkonna SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 ja DD6. Lisades Re elemente ja mitme kanaliga kõrgsurveõhkjahutustehnoloogiat, jõuab turbiinilabade töötemperatuur 1800K-2000K. 2000K ja 100h juures ulatub püsitugevus 140MPa-ni.
Kolmanda põlvkonna SX, mis töötati välja pärast 1990. aastaid, sisaldab RenéN6, CMRX-10 ja DD9, millel on teise põlvkonna SX-i ees väga ilmsed roomamistugevuse eelised. Komplekssete jahutuskanalite ja termotõkkekatete kaitse all ulatub turbiini sisselasketemperatuur 3000K-ni. Terades kasutatav intermetalliline segusulam ulatub 2200K-ni ja 100-tunnine vastupidavus ulatub 100MPa-ni.
Praegu on väljatöötamisel neljanda põlvkonna SX, mida esindavad MC-NG[4], TMS-138 jne, ja viienda põlvkonna SX, mida esindab TMS-162 jne. Selle koostist iseloomustab uute haruldaste muldmetallide elementide lisamine, näiteks nagu Ru ja Pt, mis parandab oluliselt SX-i kõrgtemperatuuri roomevõimet. Viienda põlvkonna kõrgtemperatuurse sulami töötemperatuur on jõudnud 1150°C-ni, mis on lähedane teoreetilisele piirtöötemperatuurile 1226°C.
3.1 Niklipõhiste monokristallide supersulamite koostise omadused ja faasiline koostis
Vastavalt maatrikselementide tüübile võib kõrgtemperatuursed sulamid jagada raua-, nikli- ja koobaltipõhisteks ning omakorda jaotada valu-, sepistamis- ja pulbermetallurgia makrostruktuurideks. Niklipõhistel sulamitel on kõrgel temperatuuril parem jõudlus kui kahel teisel kõrge temperatuuriga sulamitüübil ja need võivad töötada pikka aega karmides kõrge temperatuuriga keskkondades.
Niklipõhised kõrge temperatuuriga sulamid sisaldavad vähemalt 50% Ni. Nende FCC-struktuur muudab need mõne legeerelemendiga väga ühilduvaks. Disainiprotsessi käigus lisatavate legeerivate elementide arv ületab sageli 10. Lisatud legeerivate elementide ühisosa liigitatakse järgmiselt: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo ja W on esmaklassilised elemendid , mis toimivad austeniiti stabiliseerivate elementidena; (2) Al, Ti, Ta ja Nb on suurema aatomiraadiusega, mis soodustavad tugevdavate faaside moodustumist, nagu ühend Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) ja on teise klassi elemendid; (3) B, C ja Zr on kolmanda klassi elemendid. Nende aatomi suurus on palju väiksem kui Ni aatomitel ja nad on kergesti eraldatavad γ-faasi terade piiridesse, mängides oma rolli terade piiride tugevdamisel [14].
Niklipõhiste monokristallide kõrgtemperatuursete sulamite faasid on peamiselt: γ-faas, γ'-faas, karbiidifaas ja topoloogiline tihedalt pakitud faas (TCP-faas).
γ-faas: γ-faas on FCC kristallstruktuuriga austeniidifaas, mis on tahke lahus, mille moodustavad niklis lahustatud sellised elemendid nagu Cr, Mo, Co, W ja Re.
γ' faas: γ' faas on FCC Ni3(Al, Ti) intermetalliline ühend, mis moodustub sadestamise faasina ja säilitab teatud sidususe ja mittevastavuse maatriksifaasiga ning on rikas Al, Ti, Ta jt. elemendid.
Karbiidifaas: Alates teisest põlvkonnast niklipõhisest SX-st lisatakse väike kogus C-d, mille tulemuseks on karbiidide ilmumine. Maatriksis on dispergeeritud väike kogus karbiide, mis parandab teatud määral sulami jõudlust kõrgel temperatuuril. Tavaliselt jaguneb see kolme tüüpi: MC, M23C6 ja M6C.
TCP faas: kasutuse vananemise korral soodustavad liigsed tulekindlad elemendid, nagu Cr, Mo, W ja Re, TCP faasi sadestumist. TCP moodustatakse tavaliselt plaadi kujul. Plaadi struktuuril on negatiivne mõju plastilisusele, roomamisele ja väsimusomadustele. TCP faas on üks roomamisrebenemise pragude allikaid.
Tugevdamise mehhanism
Niklipõhiste supersulamite tugevus tuleneb mitmete kõvenemismehhanismide ühendamisest, sealhulgas tahke lahuse tugevdamisest, sademete tugevdamisest ja kuumtöötlemisest, et suurendada dislokatsioonitihedust ja arendada välja dislokatsiooni alusstruktuuri tugevdamiseks.
Tahke lahusega karastamine on põhitugevuse parandamine, lisades erinevaid lahustuvaid elemente, sealhulgas Cr, W, Co, Mo, Re ja Ru.
Erinevad aatomiraadiused põhjustavad teatud määral aatomvõre moonutusi, mis pärsib dislokatsiooni liikumist. Tahke lahuse tugevnemine suureneb koos aatomi suuruse erinevuse suurenemisega.
Tahke lahuse tugevdamine vähendab ka virnastamisvea energiat (SFE), pärssides peamiselt dislokatsiooni ristlibisemist, mis on mitteideaalsete kristallide peamine deformatsiooniviis kõrgetel temperatuuridel.
Aatomiklastrid või lühiajalised mikrostruktuurid on veel üks mehhanism, mis aitab tugevdada tahke lahuse kaudu. SX-i re-aatomid eralduvad dislokatsioonisüdamiku tõmbepingete piirkonnas γ / γ liideses, moodustades "Cottrelli atmosfääri", mis takistab tõhusalt dislokatsiooni liikumist ja pragude levikut. (Laudunud aine aatomid koonduvad servade dislokatsioonide tõmbepinge piirkonda, vähendades võre moonutusi, moodustades Coriolise gaasistruktuuri ja tekitades tugevat tahket lahust tugevdavat toimet. Mõju suureneb koos lahustunud aine aatomi kontsentratsiooni suurenemisega ja suuruse suurenemisega. erinevus)
Re, W, Mo, Ru, Cr ja Co tugevdavad tõhusalt γ faasi. γ-maatriksi tahke lahuse tugevdamine mängib niklipõhiste kõrgtemperatuursete sulamite roometugevuses äärmiselt olulist rolli.
Sademete kõvenevat toimet mõjutavad γ-faasi mahuosa ja suurus. Kõrgtemperatuuriliste sulamite koostise optimeerimise eesmärk on peamiselt γ' faasi mahuosa suurendamine ja mehaaniliste omaduste parandamine. SX kõrgtemperatuurilised sulamid võivad sisaldada 65–75% γ-faasist, mille tulemuseks on hea roometugevus. See tähistab γ / γ liidese tugevdava efekti kasulikku maksimaalset väärtust ja edasine suurendamine toob kaasa tugevuse olulise vähenemise. Kõrge temperatuuriga sulamite roomemistugevust, millel on kõrge γ'-faasi ruumalafraktsioon, mõjutab γ-faasi osakeste suurus. Kui γ-faasi suurus on väike, kipuvad dislokatsioonid selle ümber ronima, mille tulemuseks on roomamistugevuse vähenemine. Kui dislokatsioonid on sunnitud γ-faasi lõikama, saavutab roomamistugevus maksimumi. Kui γ-faasi osakeste suurus suureneb, kipuvad dislokatsioonid nende vahel painduma, mille tulemuseks on roomamistugevuse vähenemine [14].
On kolm peamist sademete tugevdamise mehhanismi:
Võre mittevastavuse tugevdamine: γ-faas hajub ja sadestub γ-faasi maatriksis koherentselt. Mõlemad on FCC struktuurid. Võre mittevastavus peegeldab kahe faasi vahelise koherentse liidese stabiilsust ja pingeseisundit. Parimal juhul on maatriksil ja sadestunud faasil sama kristallstruktuur ja sama geomeetriaga võre parameetrid, nii et γ-faasis saab täita rohkem sadestunud faase. Niklipõhiste kõrgtemperatuursete sulamite mittevastavusvahemik on 0–±1%. Re ja Ru on ilmselgelt eraldatud γ-faasiga. Re ja Ru suurenemine suurendab võre mittevastavust.
Järjekorra tugevdamine: dislokatsiooni lõikamine põhjustab häireid maatriksi ja sadestunud faasi vahel, mis nõuab rohkem energiat
Dislokatsiooni möödaviigumehhanism: nimetatakse Orowani mehhanismiks (Orowani kummardamine), see on tugevdav mehhanism, mille puhul metallmaatriksis sadestunud faas takistab liikuval dislokatsioonil liikumise jätkamist. Põhiprintsiip: Kui liikuv dislokatsioon puutub kokku osakesega, ei saa see läbi minna, mille tulemuseks on möödalaskekäitumine, dislokatsioonijoone kasv ja vajalik liikumapanev jõud suureneb, mille tulemuseks on tugevdav toime.
3.3 Kõrgtemperatuuriliste sulamivalu meetodite väljatöötamine
Varaseim kõrgtemperatuurilistes keskkondades kasutatud sulam pärineb Nichrome'i leiutamisest 1906. aastal. Turbokompressorite ja gaasiturbiinmootorite ilmumine stimuleeris kõrgtemperatuursete sulamite olulist arengut. Esimese põlvkonna gaasiturbiinmootorite labad valmistati ekstrusiooni ja sepistamise teel, millel olid ilmselgelt ajastu piirangud. Praegu valmistatakse kõrgtemperatuurse sulamist turbiini labasid enamasti investeeringuvalu, täpsemalt suunava tahkumise (DS) teel. DS-meetodi leiutas esmakordselt Pratt & Whitney Versnyderi meeskond Ameerika Ühendriikides 1970. aastatel [3]. Aastakümnete jooksul on turbiinilabade eelistatud materjal muutunud võrdseteljelistelt kristallidelt sammaskristallideks ja seejärel optimeeritud kõrgtemperatuurilisteks ühekristallilisteks sulamiteks.
DS-tehnoloogiat kasutatakse sammassüdamiku sulamist SX komponentide tootmiseks, mis parandab oluliselt kõrge temperatuuriga sulamite plastilisust ja termilise löögi vastupidavust. DS-tehnoloogia tagab, et toodetud sammaskristallidel on orientatsioon, mis on paralleelne detaili pingeteljega, mitte juhuslik kristallide orientatsioon. Põhimõtteliselt peab DS tagama, et sulametalli tahkumine valas toimub nii, et vedel toitemetall on alati täpselt tahkestunud.
Sammaskristallide valamine peab vastama kahele tingimusele: (1) Ühesuunaline soojusvoog tagab, et tera kasvupunktis olev tahke-vedeliku liides liigub ühes suunas; (2) Tahke-vedeliku liidese liikumissuuna ees ei tohi olla tuumade moodustumist.
Kuna tera murdumine toimub tavaliselt teravilja piiri kõrgtemperatuurilises nõrgas struktuuris, kasutatakse terapiiri kõrvaldamiseks suunava tahkumise protsessi käigus "teravalija" struktuuriga tahkestusvormi. Selle struktuuri ristlõike suurus on lähedane tera suurusele, nii et ainult üks optimaalselt kasvanud tera siseneb valandi vormiõõnde ja kasvab seejärel ühe kristalli kujul, kuni kogu tera koosneb ainult üks tera.
Kristallivalija võib jagada kaheks osaks: stardiplokk ja spiraal:
DS-protsessi alguses hakkavad terad stardiploki põhjas tuumastuma. Teravilja kasvu varases staadiumis on nende arv suur, suurus on väike ja orientatsiooni erinevus on suur. Domineerib teraviljade vaheline konkurentsivõimeline kasvukäitumine ning külgseina geomeetriline blokeeriv toime on nõrk. Sel ajal on orientatsiooni optimeerimise efekt ilmne; kui terade kõrgus stardiplokis suureneb, siis terade arv väheneb, suurus suureneb ja orientatsioon on lähedane. Konkurentsivõimeline kasvukäitumine terade vahel väheneb ja domineerib külgseina geomeetriline blokeeriv toime, tagades, et kristalli suunda saab pidevalt optimeerida, kuid orientatsiooni optimeerimise efekt nõrgeneb. Stardiploki raadiust vähendades ja stardiploki kõrgust suurendades saab efektiivselt optimeerida spiraallõikesse sisenevate terade orientatsiooni. Algploki pikkuse suurendamine aga lühendab valu efektiivset kasvuruumi ning annab teile tootmistsükli ja ettevalmistuskulud. Seetõttu on vaja mõistlikult kujundada aluspinna geomeetriline struktuur.
Spiraali põhiülesanne on üksikute kristallide tõhus selekteerimine ja tera orientatsiooni optimeerimise võime on nõrk. Kui DS-protsess viiakse läbi spiraalis, annab kõver kanal ruumi dendriidi harude kasvuks ja terade sekundaarsed dendriidid liiguvad likviidse joone suunas. Terad on tugeva külgsuunalise arengutrendiga ning terade orientatsioon on kõikuvas olekus, nõrga optimeerimisefektiga. Seetõttu sõltub terade valik spiraalis peamiselt spiraalisegmendis olevate terade geomeetrilisest piirangueelisest, konkurentsieelisest ja ruumilise laienemise eelisest [7], mitte terade eelistatud orientatsiooni kasvueelisest, mis on tugeva juhuslikkusega [6]. Seetõttu on kristallide valiku ebaõnnestumise peamine põhjus see, et spiraal ei täida monokristalli valiku rolli. Suurendades spiraali välisläbimõõtu, vähendades sammu, spiraali pinna läbimõõtu ja vähendades algusnurka, saab kristallide valiku efekti oluliselt parandada.
Õõneste monokristallidest turbiini labade valmistamine nõuab enam kui tosinat etappi (sulami sulatamine, monokristallmembraani kesta ettevalmistamine, keeruka konfiguratsiooniga keraamilise südamiku ettevalmistamine, sulavalamine, suunaga tahkumine, kuumtöötlus, pinnatöötlus, termobarjääri katte ettevalmistamine jne. ). Keeruline protsess on altid erinevatele defektidele, nagu hulkuvad terad, tedretäpid, väikese nurgaga terade piirid, triibukristallid, orientatsiooni kõrvalekalded, ümberkristallisatsioon, suure nurga all olevad terade piirid ja kristallide valiku ebaõnnestumine.
Kuumad 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
EI
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
