Analyse de l'historique du développement, du statut du marché et des tendances de développement des pales de turbine

Histoire du développement et tendances des pales de turbine

Les pales de turbine sont divisées en deux catégories : pales directrices de turbine et pales de travail de turbine.

La fonction principale des aubes statiques de la turbine est de régler la direction d'écoulement des gaz d'échappement provenant de la chambre de combustion. La température de fonctionnement du matériau peut atteindre plus de 1 100 ° °C, et la contrainte supportée par les aubes statiques de la turbine est généralement inférieure à 70 MPa. Ce composant est souvent mis au rebut en raison de déformations causées par de grandes contraintes thermiques, de fissures dues à la fatigue thermique provoquée par des changements brusques de température, et de brûlures causées par des températures locales excessives.

Les pales de turbine sont situées dans le moteur à turbine où la température est la plus élevée, les contraintes les plus complexes et l'environnement le plus difficile. Ce composant doit supporter des températures élevées ainsi que de fortes contraintes centrifuges et thermiques. La température qu'il supporte est de 50 à 100 ℃ inférieur à celui des aubes de guide correspondantes de la turbine, mais lorsqu'il tourne à haute vitesse, en raison des effets de la force aérodynamique et de la force centrifuge, le stress sur le corps de la pale atteint 140MPa et la racine atteint 280-560MPa. L'amélioration continue de la structure et des matériaux des pales de turbine est devenue l'un des facteurs clés pour améliorer les performances des moteurs d'avion.

Les pales de turbine, l'arbre de turbine, le disque de turbine et d'autres composants forment ensemble la turbine d'un moteur d'avion. La turbine est la source de puissance qui entraîne le compresseur et d'autres accessoires. La turbine peut être divisée en deux composants : le rotor et le stator :

Rotor de turbine : C'est un ensemble composé de pales de turbine, de roues, d'arbres et d'autres parties tournantes montées sur l'arbre. Il est responsable de l'aspiration du flux d'air à haute température et haute pression vers le brûleur pour maintenir le fonctionnement du moteur. Le rotor de turbine fonctionne à haute température et à haute vitesse et transmet une grande puissance, donc ses conditions de travail sont extrêmement sévères. Lorsqu'il fonctionne à haute température, le rotor de turbine doit supporter une force centrifuge extrêmement élevée et est également soumis à l'effet du couple aérodynamique, entre autres. L'environnement à haute température réduira la résistance ultime du matériau des pales de turbine et causera également une fluage et une érosion du matériau des pales de turbine.

Stator de turbine : Il est composé de pales directrices de turbine, d'un anneau extérieur et d'un anneau intérieur. Il est fixé au carter et sa principale fonction est de diffuser et de redresser le flux d'air pour la prochaine étape du rotor de turbine afin de répondre au triangle de vitesse des pales de travail de la turbine.

Afin d'améliorer les indicateurs de performance tels que le rapport poussée-poids, les exigences concernant la tolérance des pales des moteurs d'avion et des turbines à gaz aux hautes températures et aux fortes vitesses de vent augmentent constamment. Dans les moteurs turboréacteurs principaux, le compresseur entraîné par la turbine a un maximum de

L'air entrant dans le moteur à turbine tourne à une vitesse de plusieurs milliers de tours par seconde. L'air est comprimé progressivement dans le compresseur. Le ratio de compression du compresseur multi-étages peut atteindre plus de 25. L'air comprimé entre dans la chambre de combustion du moteur, se mélange avec le carburant et brûle. La flamme du carburant doit brûler de manière stable dans l'écoulement d'air sous haute pression circulant à plus de 100 m/s.

L'écoulement de gaz à haute température et haute pression provenant de la chambre de combustion entraîne les pales de la turbine en rotation à une vitesse de plusieurs milliers à dizaines de milliers de tours par minute. En général, la température avant la turbine dépasse le point de fusion du matériau des pales de turbine. Lors du fonctionnement, les pales de turbine des moteurs modernes doivent généralement supporter des températures de 1600~1800 ℃ , des vitesses de vent d'environ 300 m/s et la forte pression d'air qu'elles engendrent.

Les pales de turbine doivent fonctionner de manière fiable pendant des milliers à des dizaines de milliers d'heures dans un environnement de travail extrêmement sévère. Les pales de turbine ont des profils complexes et utilisent de nombreuses technologies de fabrication avancées telles que la solidification directionnelle, la métallurgie poudreuse, le moulage par investissement de lames creuses complexes, la fabrication de cœurs céramiques complexes et le traitement de micro-perforations.

Les pales de turbine sont l'un des composants des "deux machines" qui nécessitent le plus de processus de fabrication, avec le cycle le plus long et le taux de réussite le plus faible. La fabrication de pales de turbine creuses complexes est devenue la technologie de base dans le développement actuel des "deux machines".

Statut du marché et tendances de développement

Les pales des moteurs d'avion et des turbines à gaz incluent principalement les pales de ventilateur, les pales de turbine et les pales de compresseur, dont la valeur des pales de turbine représente environ 60 % du coût total des pales. Comparées aux pales de ventilateur, les matériaux bruts des pales de turbine sont plus précieux et plus difficiles à usiner.

En tant que composant important de la partie chaude du moteur, les pales de turbine nécessitent l'utilisation de matériaux en alliages à haute température. La technologie de leur fonte impose des exigences élevées, et certaines ressources minérales métalliques sont rares. En ce qui concerne le procédé de fabrication, les pales de turbine utilisent généralement la fonderie par cire perdue pour obtenir des parois fines et des structures de refroidissement complexes. La difficulté de fabrication est nettement supérieure à celle d'autres pales.

Par exemple, les moteurs d'avions CFM56 largement utilisés dans la série Boeing 737 et la série Airbus 320 comprennent plus d'un millier de pales de turbine, chacune coûtant plus de 10 000 yuans. Le prix unitaire de certaines pales de turbine dépasse même 100 000 yuans.