विमान इंजन ब्लेडों का मूलभूत ज्ञान (1)

1. टर्बाइन ब्लेड्स का परिचय

टरबाइन इंजन में सबसे खराब कार्यात्मक परिस्थितियों में काम करने वाला घटक साथ ही सबसे महत्वपूर्ण घूर्णन घटक भी है। विमान इंजन के गर्म छोर घटकों में, टरबाइन ब्लेड्स को इंजन की शुरूआत और बंद होने के चक्र के दौरान उच्च-तापमान गैस की क़रों की खराबी और तापमान परिवर्तनों का सामना करना पड़ता है, और रोटर ब्लेड्स को उच्च गति पर चलने के दौरान अपनी बाहरी बल (centrifugal force) का सामना करना पड़ता है। इस पदार्थ को उचित उच्च-तापमान खिंचाव बल, सहनशीलता, धीर्घावधीयता, फेटिग सामर्थ्य, ऑक्सीकरण प्रतिरोध, गैस संक्षारण प्रतिरोध और उपयुक्त प्लास्टिकता रखनी चाहिए। इसके अलावा, लंबे समय तक संगठनात्मक स्थिरता, अच्छी धमाकेदार शक्ति, ढालनीयता और कम घनत्व की आवश्यकता भी है।

उन्नत हवाई जहाज़ों के इंजनों का गैस प्रवेश तापमान 1380℃ तक पहुंच जाता है और धकेल 226KN तक पहुंच जाती है। टरबाइन ब्लेड्स को एरोडायनेमिक और केंद्रगामी बलों से सामना करना पड़ता है, जिसमें ब्लेड्स को लगभग 140MPa का खिंचाव बल सहना पड़ता है; ब्लेड के मूल में औसत बल 280~560MPa होता है, और संगत ब्लेड शरीर 650~980℃ के तापमान को सहता है, और ब्लेड के मूल में तापमान लगभग 760℃ होता है।

टरबाइन ब्लेड्स के प्रदर्शन स्तर (विशेष रूप से तापमान बहुत अधिक सहन करने की क्षमता) एक इंजन के मॉडल के उन्नत स्तर का महत्वपूर्ण सूचक हो गया है। एक निश्चित अर्थों में, भविष्य के इंजन ब्लेड्स की ढालन विधि सीधे इंजन के प्रदर्शन को निर्धारित करती है और यह देश के विमान उद्योग के स्तर का महत्वपूर्ण संकेत भी है।

2. ब्लेड आकृति का डिज़ाइन

चूंकि ब्लेड्स की संख्या अधिक होती है, यदि उन्हें सीधे और नियमित आकारों में डिज़ाइन किया जाए, तो प्रोसेसिंग प्रौद्योगिकी में काफी कटौती हो सकती है, डिज़ाइन की कठिनाई कम हो जाती है, और काफी लागत कम हो जाती है। हालांकि, अधिकांश ब्लेड्स ट्विस्टेड और घुमावदार होते हैं।

पहले मुझे आपको पत्तियों के कुछ मूल बातों से परिचित करना चाहिए।

पहले, रनर क्या है? नीचे दो सामान्य रनर आरेख दिए गए हैं।

संपीड़क प्रवाह आरेख

टर्बाइन प्रवाह मार्ग आरेख
दूसरे, परिधाईय गति की गणना सूत्र क्या है? प्रवाह पथ में, परिधाईय गति विभिन्न त्रिज्याओं पर अलग-अलग होती है (यह नीचे दिए गए आरेख के अनुसार गणना सूत्र से प्राप्त किया जा सकता है)

परिधाईय गति अंत में, हवा का आक्रमण कोण क्या है? हवा का आक्रमण कोण हवा और पत्ती की जीवा के बीच कोण है, जो पत्ती की गति दिशा के सापेक्ष है।

उदाहरण के लिए, हवाई जहाज़ के पंखे को लेकर, हवा के प्रवाह का हमला कोण दिखाया गया है। अगले में, पंखे को ट्विस्ट क्यों किया जाना चाहिए इसकी व्याख्या की गई है? प्रवाह चैनल में विभिन्न त्रिज्याओं पर परिधामी गति भिन्न-भिन्न होने के कारण, हवा के प्रवाह का हमला कोण विभिन्न त्रिज्या स्तरों पर बहुत अधिक भिन्न होता है; पंखे के शीर्ष पर, बड़ी त्रिज्या और बड़ी परिधामी गति के कारण, बड़ा सकारात्मक हमला कोण होता है, जिससे पंखे के पीछे गंभीर हवा का अलगाव होता है; पंखे के मूल पर, छोटी त्रिज्या और छोटी परिधामी गति के कारण, बड़ा नकारात्मक हमला कोण होता है, जिससे पंखे के बेसिन पर गंभीर हवा का अलगाव होता है।

इसलिए, सीधे चादरों के लिए, निकटतम मध्य-व्यास के एक हिस्से को छोड़कर जो अभी भी काम कर सकता है, शेष सभी हिस्से गंभीर हवा प्रवाह वियोजन का कारण बनेंगे, यानी कि सीधे चादरों के साथ काम करने वाले किसी संपीड़क या टर्बाइन की दक्षता अत्यंत खराब होती है, और यह तक हो सकता है कि यह पूरी तरह से काम नहीं कर पाए। यही कारण है कि चादरों को ट्विस्ट करना आवश्यक है।

3. विकास इतिहास

जैसे ही विमानों के इंजनों की शक्ति बढ़ती जाती है, यह प्राप्त करने के लिए संपीड़क के प्रवेश तापमान को बढ़ाया जाता है, जिसके लिए उच्च तापमान प्रतिरोधी अग्रणी पंखों का उपयोग किया जाता है। उच्च तापमान की स्थिति के अलावा, गर्म छोर के पंखों का कार्यात्मक पर्यावरण उच्च दबाव, उच्च भार, उच्च ध्वनि और उच्च कारोबार की अत्यधिक स्थिति में होता है, इसलिए पंखों को अत्यधिक उच्च समग्र प्रदर्शन का होना आवश्यक है। इसके लिए पंखों को विशेष धातु सामग्री (उच्च तापमान धातुएँ) और विशेष निर्माण प्रक्रियाओं (नियंत्रित ढालन और दिशा-निर्दिष्ट ठण्डा होना) का उपयोग करके विशेष मैट्रिक्स संरचनाएँ (एकल क्रिस्टल संरचनाएँ) बनाई जाती हैं ताकि आवश्यकताओं को अधिकतम स्तर तक पूरा किया जा सके।

जटिल एकल-क्रिस्टल खोखली टर्बाइन पंखे वर्तमान में उच्च थ्रʌस्ट-टू-वेट अनुपात इंजनों का मुख्य तकनीकी हास्य हो गए हैं। यह एकल-क्रिस्टल सैंडी के उन्नत एकल-क्रिस्टल धातु सामग्री के अनुसंधान और उपयोग, और दो-दीवारी अति-हवा-शीतलित एकल-क्रिस्टल पंखा निर्माण तकनीक के उदय से हुआ है, जिसने एकल-क्रिस्टल तैयारी तकनीक को आज के सबसे उन्नत सैन्य और व्यापारिक विमान इंजनों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाने की स्थिति दी है। वर्तमान में, एकल-क्रिस्टल पंखे सभी उन्नत विमान इंजनों पर स्थापित हो चुके हैं, और भारी गैस टर्बाइनों में भी बढ़ते हुए रूप से उपयोग में लाए जा रहे हैं।

एकल क्रिस्टल सुपरएलोइज़ एक प्रकार के उन्नत इंजन ब्लेड माterials हैं जो बराबर आकार के क्रिस्टल्स और दिशा-निर्देशित स्तम्भीय क्रिस्टल्स के आधार पर विकसित किए गए हैं। 1980 के दशक की शुरुआत में, पहली पीढ़ी के एकल क्रिस्टल सुपरएलोइज़ जैसे PWA1480 और ReneN4 को विभिन्न विमान इंजनों में बड़े पैमाने पर उपयोग किया गया। 1980 के दशक के अंत में, PWA1484 और ReneN5 जैसे दूसरी पीढ़ी के एकल क्रिस्टल सुपरएलोइज़ ब्लेड्स भी CFM56, F100, F110, और PW4000 जैसे उन्नत विमान इंजनों में बड़े पैमाने पर उपयोग किए गए। वर्तमान में, अमेरिका में दूसरी पीढ़ी के एकल क्रिस्टल सुपरएलोइज़ परिपक्व हो चुके हैं और सैन्य और नागरिक विमान इंजनों में बड़े पैमाने पर उपयोग किए जाते हैं।

पहली पीढ़ी के एकल क्रिस्टल सैंडोइट्स की तुलना में, PWA1484 (PW का), CMSX-4 (RR का) और Rene'N5 (GE का) जैसे दूसरी पीढ़ी के एकल क्रिस्टल सैंडोइट्स ने 3% रेनियम जोड़कर और मोलिब्डेन की मात्रा को उपयुक्त रूप से बढ़ाकर अपने कार्यात्मक तापमान को 30°C तक बढ़ाया है, जिससे बल और ऑक्सीकरण और कारिसन से प्रतिरोध के बीच एक अच्छा संतुलन प्राप्त हुआ है।

तीसरी पीढ़ी के एकल क्रिस्टल सैंडोइट्स Rene N6 और CMSX-10 में, एल्युमाइन की संरचना एकदम अपनाई गई है, बड़े परमाणु त्रिज्या वाले घुलनशीलता-रहित तत्वों की कुल मात्रा बढ़ाई गई है, विशेष रूप से 5wt% से अधिक रेनियम का जोड़ा जाना, जो उच्च तापमान पर क्रीप बल में महत्वपूर्ण सुधार करता है, 1150°C पर एल्युमाइन की टाइम आउट जीवन अधिक से अधिक 150 घंटे है, जो पहली पीढ़ी के एकल क्रिस्टल सैंडोइट्स की तुलना में बहुत अधिक है, जो लगभग 10 घंटे की थी, और यह ऊष्मा थकान, ऑक्सीकरण और ऊष्मा कारिसन से प्रतिरोध के लिए भी उच्च बल रखता है।

संयुक्त राज्य अमेरिका और जापान ने क्रमशः चौथी पीढ़ी के एकल क्रिस्टल संगमिश्रणों को विकसित किया है। रूथेनियम को जोड़कर, संगमिश्रण रूपरेखा की स्थिरता में और भी सुधार हुआ है, और लंबे समय तक उच्च तापमान प्रतिरोध की बढ़ी है। 1100 ℃ पर इसकी टिकाऊ जीवनी दूसरे एकल क्रिस्टल संगमिश्रण की तुलना में 10 गुनी है, और संचालन तापमान 1200 ℃ तक पहुंच गया है। उसी पीढ़ी का एकल क्रिस्टल घटाक्रम नीचे दिखाया गया है।

4. धार आधार सामग्री और निर्माण प्रौद्योगिकी

विकृति उच्च तापमान संगमिश्रण पंखे

परिवर्तनीय उच्च-तापमान संकर धातुओं के विकास का इतिहास 50 साल से अधिक है। घरेलू विमान इंजन पंखों के लिए आमतौर पर उपयोग में आने वाली परिवर्तनीय उच्च-तापमान संकर धातुएँ तालिका 1 में दिखाई गई हैं। जब उच्च-तापमान संकर धातुओं में एल्यूमिनियम, टिटेनियम, टंगस्टन और मोलिब्डेन की मात्रा बढ़ती है, तो सामग्री के गुण बढ़ते रहते हैं, लेकिन गर्मी के साथ कार्य करने की क्षमता कम हो जाती है; महंगे संकर तत्व कोबाल्ट जोड़ने के बाद सामग्री की समग्र क्षमता में सुधार होता है और उच्च-तापमान संरचना की स्थिरता में सुधार होता है।

पंख विमान इंजन के कुंजी भाग हैं, और उनके निर्माण की मात्रा कुल इंजन निर्माण की मात्रा का लगभग 30% है।
विमान इंजन के पंख पतले दीवारों वाले और आसानी से विकृति उठाने वाले भाग हैं। उनकी विकृति को कैसे नियंत्रित किया जाए और उन्हें कुशलतापूर्वक और उच्च गुणवत्ता के साथ प्रसंस्कृत किया जाए, यह पंख निर्माण उद्योग में महत्वपूर्ण अनुसंधान विषयों में से एक है।

उच्च-प्रदर्शन CNC मशीन उपकरणों के उदय के साथ, टर्बाइन ब्लेडों की विनिर्माण प्रक्रिया में भी बड़े परिवर्तन आए हैं। प्रसिद्धता CNC मशीनिंग तकनीक का उपयोग करके बनाए गए ब्लेड उच्च सटीकता वाले होते हैं और उनके विनिर्माण चक्र छोटे होते हैं, आमतौर पर चीन में 6 से 12 महीने (अर्ध-पूर्ण चिकित्सा मशीनिंग); और विदेशों में 3 से 6 महीने (शेष-विहीन मशीनिंग)।