Connaissances de base sur les pales des moteurs d'avion (1)

1. Introduction aux pales de turbine

Le composant soumis aux conditions de fonctionnement les plus difficiles dans le moteur à turbine est également le composant rotatif le plus important. Parmi les composants de la partie chaude des moteurs d'avion, les aubes de turbine sont soumises à l'érosion par les gaz à haute température et aux variations de température lors des cycles de démarrage et d'arrêt du moteur, tandis que les pales rotor subissent une force centrifuge à grande vitesse. Le matériau doit posséder une résistance suffisante à la traction à haute température, une résistance à l'endurance, une résistance à la fluage, ainsi qu'une bonne résistance à la fatigue, à l'oxydation, à la corrosion gazeuse et une plasticité appropriée. De plus, une stabilité organisationnelle à long terme, une bonne résistance aux chocs, une excellente coulabilité et une faible densité sont également requises.

La température d'entrée de gaz des moteurs d'avions avancés atteint 1380℃ et la poussée atteint 226KN. Les pales du turbine sont soumises à des forces aérodynamiques et centrifuges, avec une contrainte de traction d'environ 140MPa sur les pales ; la base de la pale subit une contrainte moyenne de 280~560MPa, et la partie correspondante de la pale supporte une température de 650~980℃, tandis que la base de la pale est d'environ 760℃.

Le niveau de performance des pales de turbine (en particulier la capacité de support de température) est devenu un indicateur important du niveau avancé d'un modèle de moteur. En un certain sens, le procédé de fonderie des pales de turbines futures détermine directement les performances du moteur et est également un marqueur significatif du niveau de l'industrie aéronautique nationale.

2.Conception de la forme de la pale

Puisqu'il y a beaucoup de pales, si elles sont conçues en formes droites régulières, une grande partie de la technologie de traitement peut être réduite, la difficulté de conception peut être abaissée, et de nombreux coûts peuvent être diminués. Cependant, la plupart des pales sont torsadées et courbées.

Laissez-moi d'abord vous introduire quelques concepts de base des feuilles.

Tout d'abord, qu'est-ce qu'un rejeton ? Ci-dessous se trouvent deux schémas typiques de rejetons.

Diagramme de flux du compresseur

Schéma du parcours de flux de la turbine
Deuxièmement, quelle est la formule de calcul de la vitesse circonférentielle ? Dans le canal de flux, la vitesse circonférentielle est différente à différents rayons (cela peut être obtenu selon la formule de calcul figurant ci-dessous).

Vitesse circonférentielle Enfin, qu'est-ce que l'angle d'attaque de l'écoulement d'air ? L'angle d'attaque de l'écoulement d'air est l'angle entre l'écoulement d'air et la corde de la lame par rapport à la direction de la vitesse de la lame.

Prenons l'aile d'avion comme exemple, l'angle d'attaque du flux d'air est indiqué. Ensuite, pourquoi la pale doit être torsadée est expliqué. Étant donné que les vitesses circonférentielles à différents rayons dans le canal de flux sont différentes, l'angle d'attaque du flux d'air varie considérablement aux différents niveaux primitifs de rayon ; à l'extrémité de la pale, en raison du grand rayon et de la grande vitesse circonférentielle, un angle d'attaque positif important est causé, entraînant une séparation importante du flux d'air sur l'arrière de la pale ; à la base de la pale, en raison du petit rayon et de la faible vitesse circonférentielle, un angle d'attaque négatif important est causé, entraînant une séparation importante du flux d'air sur le fond de la pale.

Par conséquent, pour les pales droites, à l'exception d'une partie du diamètre médian le plus proche qui peut encore fonctionner, le reste des parties produira une séparation aérodynamique importante, c'est-à-dire que l'efficacité d'un compresseur ou d'une turbine fonctionnant avec des pales droites est extrêmement faible, et pourrait même atteindre un point où il ne peut tout simplement pas fonctionner. C'est pourquoi les pales doivent être tordues.

3.Histoire du développement

A mesure que la puissance des moteurs d'avion continue d'augmenter, elle est obtenue en augmentant la température d'admission du compresseur, ce qui nécessite l'utilisation de pales avancées avec une résistance à des températures de plus en plus élevées. En plus des conditions de haute température, l'environnement de travail des pales de l'extrémité chaude est également dans un état extrême de haute pression, haute charge, forte vibration et haute corrosion, donc les pales doivent posséder des performances globales extrêmement élevées. Cela nécessite que les pales soient fabriquées à partir de matériaux alliés spéciaux (allures à haute température) et de procédés de fabrication spéciaux (fonderie précise avec solidification directionnelle) pour créer des structures matricielles spéciales (structures monocristallines) afin de répondre au mieux aux besoins.

Les pales turbines creuses monocristallines complexes constituent la technologie de base des moteurs actuels à fort rapport poussée/poids. C'est la recherche et l'utilisation de matériaux alliés monocristallins avancés, ainsi que l'émergence de la technologie de fabrication de pales monocristallines à double paroi ultra-refroidies par air, qui ont permis à la technologie de préparation monocristalline de jouer un rôle clé dans les moteurs d'aviation militaire et commerciale les plus avancés d'aujourd'hui. Actuellement, les pales monocristallines ont non seulement été installées sur tous les moteurs aéronautiques avancés, mais sont également de plus en plus utilisées dans les turbines à gaz lourdes.

Les alliages monocristallins sont un type de matériaux avancés de pales d' moteur développés à partir de cristaux équiaxés et de cristaux directionnels en colonnes. Depuis le début des années 1980, la première génération d'alliages monocristallins comme le PWA1480 et le ReneN4 ont été largement utilisés dans divers moteurs d'avion. À la fin des années 1980, la deuxième génération de pales en alliage monocristallin, représentée par le PWA1484 et le ReneN5, a également été largement adoptée dans des moteurs d'avions avancés tels que le CFM56, le F100, le F110 et le PW4000. Actuellement, la deuxième génération d'alliages monocristallins aux États-Unis est mature et est largement utilisée dans les moteurs d'avions militaires et civils.

Par rapport aux alliages monocristallins de première génération, les alliages monocristallins de deuxième génération, représentés par le PWA1484 de PW, le CMSX-4 de RR et le Rene'N5 de GE, ont augmenté leur température de fonctionnement de 30°C en ajoutant 3% de rhénium et en augmentant de manière appropriée la teneur en molybdène, réalisant ainsi un bon équilibre entre la résistance et la résistance à l'oxydation et à la corrosion.

Dans les alliages monocristallins de troisième génération, tels que le Rene N6 et le CMSX-10, la composition de l'alliage est optimisée en une seule étape, avec une augmentation du contenu total d'éléments insolubles à grand rayon atomique, en particulier avec l'ajout de plus de 5wt% de rhénium, ce qui améliore considérablement la résistance à la fluage à haute température. La durée de vie du alliage à 1150°C est supérieure à 150 heures, bien plus longue que la durée de vie d'environ 10 heures des alliages monocristallins de première génération, tout en offrant une forte résistance à la fatigue thermique, à l'oxydation et à la corrosion thermique.

Les États-Unis et le Japon ont successivement développé la quatrième génération d'alliages monocristallins. En ajoutant du ruthénium, la stabilité de la microstructure de l'alliage a été améliorée, ainsi que la résistance à la fluage sous exposition à haute température sur le long terme. Sa durée de vie en endurance à 1100 ℃ est 10 fois supérieure à celle de la deuxième génération d'alliages monocristallins, et la température de fonctionnement a atteint 1200 ℃. La composition monocristalline de la même génération est présentée ci-dessous.

4. Matériau de base de la lame et technologie de fabrication

Lames en alliage à haute température déformable

Le développement des alliages déformables à haute température a une histoire de plus de 50 ans. Les alliages déformables à haute température couramment utilisés pour les pales des moteurs d'avion domestiques sont présentés dans le tableau 1. Avec l'augmentation du contenu en aluminium, titane, tungstène et molybdène dans les alliages à haute température, les propriétés du matériau continuent de s'améliorer, mais les performances de travail à chaud diminuent ; après l'ajout de l'élément d'alliage coûteux cobalt, les performances globales du matériau peuvent être améliorées ainsi que la stabilité de la structure à haute température.

Les pales sont des pièces clés des moteurs d'avion, et leur volume de fabrication représente environ 30 % du volume total de fabrication du moteur.
Les pales des moteurs d'avion sont des pièces à parois minces et facilement déformables. Savoir comment contrôler leur déformation et les usiner efficacement et avec un haut niveau de qualité est l'un des sujets de recherche importants dans l'industrie de fabrication des pales.

Avec l'émergence de machines-outils CNC haute performance, le processus de fabrication des pales de turbine a également subi de grands changements. Les pales traitées à l'aide de la technologie de fraisage CNC précise ont une grande précision et des cycles de fabrication courts, généralement de 6 à 12 mois en Chine (usinage semi-fin); et de 3 à 6 mois à l'étranger (usinage sans résidu).