Osnovna znanja o listovima zrakoplovnih motora (1)

1. Uvod u turbine lopatice

Komponenta s najgorim radnim uvjetima u turbinskom motoru je također i najvažnija rotirajuća komponenta. U komponentama tople strane letarskih motora, turbinski listovi podložni su eroziji visokotemperaturnih plinova i promjenama temperature tijekom ciklusa pokretanja i isključivanja motora, dok su rotorovi listovi podložni centrifugalnoj sili pri visokim brzinama. Materijal mora imati dovoljnu visokotemperaturnu trakcionu jačinu, jačinu izdržljivosti, jačinu fluksije, te dobru jačinu umornine, otpornost na oksidaciju, otpornost na plinsku koroziju i odgovarajuću plastičnost. Također se zahtjevaju dugoročna organizacijska stabilnost, dobra jačina udara, lijevitost i niska gustoća.

Temperatura ulaznog plina naprednih avionskih motora dostiže 1380℃, a snagomotora dostiže 226KN. Turbinini listovi podložni su aerodinamičkim i centrifugalnim silama, s listovima koji nose povlačni stres od oko 140MPa; koren listova nosi prosječan stres od 280~560MPa, a odgovarajući tijelo listova nose temperaturu od 650~980℃, dok je temperatura korena listova oko 760℃.

Nivo performansi turbininih listova (posebno nosivost temperature) postao je važan pokazatelj napredne razine jednog modela motora. U nekom smislu, litarski proces budućih motornih listova izravno određuje performanse motora i također je značajan znak razvojnog nivoa nacionalne avijske industrije.

2.Dizajn oblika listova

Kako ima mnogo listova, ako se dizajniraju u pravilne ravne oblike, može se smanjiti puno tehnologije obrade, smanjiti se težina dizajna i smanjiti se puno troškova. Međutim, većina listova je zakrivljena i savijena.

Prvo vam neka predočim neke osnovne pojmove o listovima.

Prvo, što je traka? Ispod su dvije tipične dijagrama trake.

Dijagram toka kompresora

Dijagram staze toka turbine
Drugo, što je formula za izračun obodne brzine? U kanalu toka, obodna brzina je različita pri različitim radijusima (ovo se može dobiti prema formuli za izračun u dijagramu ispoda)

Obodna brzina. Konačno, što je kut napada zraka? Kut napada zraka je kut između zraka i tetive lopatica u odnosu na smjer brzine lopatica.

Uzimajući krilo zrakoplova kao primjer, prikazan je kut napada zraka. Sljedeće se objašnjava zašto mora biti vijenje lopatica? Budući da su obodne brzine u različitim radijima u kanalu toka različite, mnogo se mijenja kut napada zraka na različitim primitivnim razinama radijusa; na vrhu lopate, zbog velikog radijusa i velike obodne brzine, uzrokuje se veliki pozitivan kut napada, što dovodi do ozbiljnog odvajanja toka zraka s natrag strane lopate; na temelju lopate, zbog malog radijusa i male obodne brzine, uzrokuje se veliki negativan kut napada, što dovodi do ozbiljnog odvajanja toka zraka s bazena lopate.

Stoga, za ravne lopatica, osim za dio najbližeg srednjeg prečnika koji još uvijek može raditi, ostali dijelovi će uzrokovati ozbiljnu odjedru strujanja zraka, to jest, učinkovitost kompresora ili turbine s ravnim lopaticama je ekstremno loša, i može čak doći do toga da ne mogu uopće raditi. Zbog toga moraju biti savijene lopatice.

3.Istorija razvoja

S obzirom da se snaga motornih pojačava, postiže se povećanjem temperature ulaznog kompresora, što zahtjeva upotrebu naprednih lopatica s sve većom otpornost na visoke temperature. Osim uvjeta visokih temperatura, radno okruženje lopatica na toplom dijelu nalazi se u ekstremnom stanju visokog tlaka, visoke opterećenosti, visoke vibracije i visoke korozije, pa se od lopatica zahtijeva da imaju izuzetno visoku ukupnu performansu. To zahtijeva da su lopaticе izrađene od posebnih aluminijumske legure (visokotemperaturne legure) i posebnih proizvodnih procesa (precizna litina plus smjereno zrkljenje) kako bi se stvorile posebne matricne strukture (strukture jednog krisala) koje će u najvećoj mogućoj mjeri ispunjiti potrepnosti.

Složene jednozračne praznine turbinaste lopatica postale su jezgrašnom tehnologijom trenutnih motora s visokim omjerom potiska i mase. Istraživanje i uporaba naprednih jednozračnih aljavskih materijala te pojava tehnologije proizvodnje jednozračnih lopatica s dvostranim ultra-zrakohladnjacima omogućili su da jednozračna pripravnika tehnologija igra ključnu ulogu u danasnjim najnaprednijim vojnim i komercijalnim aviacijskim motorima. Trenutno se jednozračne lopatice instaliraju na sve napredne aviacijske motore, a čimbeno se više koriste i u tesnim plinovim turbine.

Jednokrystalni superlegure su vrsta naprednih materijala za gredne lopatica razvijena na temelju jednakostraničnih kristala i smjerovito stupastih kristala. Od početka 1980-ih, prva generacija jednokrystalnih superlegura poput PWA1480 i ReneN4 bila je široko korištena u različitim letnim motorima. U kasnim 1980-ima, druga generacija jednokrystalnih superlegurnih lopatica, predstavljena s PWA1484 i ReneN5, također je bila široko korištena u naprednim letnim motorima poput CFM56, F100, F110 i PW4000. Trenutačno, druga generacija jednokrystalnih superlegura u Sjedinjenim Državama dosegla je zrelost i široko se koristi u vojnim i građanskim letnim motorima.

U poređenju s prvim generacijom jednokrystalnih alatima, druga generacija jednokrystalnih alatima, predstavljena s PW PWA1484, RR CMSX-4 i GE Rene'N5, je povećala svoju radnu temperaturu za 30°C dodavanjem 3% renija i odgovarajuće povećanjem sadržaja molibdena, postižeći dobar ravnotežu između snage i otpornosti na oksidaciju i koroziju.

U trećoj generaciji jednokrystalnih alata Rene N6 i CMSX-10, sastav alata je optimiziran u jednom koraku, ukupan sadržaj ne raspustivih elemenata s velikim atomskim radijusom je povećan, posebno dodavanje više od 5wt% renija, što značajno poboljšava visoke temperature krčne snage, trajanje života alata pri 1150°C je veće od 150 sati, što je mnogo duže od života prve generacije jednokrystalnih alata od oko 10 sati, a također ima otpornost na termičku umor, oksidaciju i termičku koroziju.

Sjedinjene Države i Japan su redom razvili četvrtu generaciju jednokrystalnih alata. Dodavanjem rutenija, stabilnost mikrostrukture alata je još unaprijedila, te je pojačana otpornost na krepiranje pri dugotrajnom izlaganju visokim temperaturama. Njegova životnoća pri 1100 ℃ je deset puta veća od životnoće druge generacije jednokrystalnih alata, a radna temperatura je dostigla 1200 ℃. Jednokrystalni sastav iste generacije prikazan je u nastavku.

4.Bazeni materijal lopatica i tehnologija proizvodnje

Deformirani visokotemperaturni alati lopatica

Razvoj deformabilnih visokotemperaturnih alija ima povijest od više od 50 godina. Uobičajeni deformabilni visokotemperaturni aliji koji se koriste za lisnice domaćih avionskih motornih turbin prikazani su u Tabeli 1. S porastom sadržaja aluminija, titanija, wolframa i molibdena u visokotemperaturnim alijama, svojstva materijala neprestano se poboljšavaju, ali smanjuje se performanse toplega oblikovanja; nakon dodavanja skupog alijacijskog elementa kobalta, moguće je poboljšati kompleksna svojstva materijala te poboljšati stabilnost visokotemperaturne strukture.

Lisnice su ključni dijelovi avionskih motora, a njihov obujam proizvodnje čini oko 30% ukupnog obujma proizvodnje motora.
Avionske motorne lisnice su dijelovi s tankim zidovima koji se lako deformiraju. Kako kontrolirati njihovu deformaciju i obraditi ih učinkovito i visokokvalitetno jedan je od važnih istraživačkih tema u industriji proizvodnje lisnika.

S pojavom visokoefikasnih CNC strojeva za obradu, i proces izrade turbine lopatica je prošao velikim promjenama. Lopatice obrađene pomoću precizne CNC tehnologije imaju visoku preciznost i kratke cikluse proizvodnje, općenito od 6 do 12 mjeseci u Kini (polu-završena obrada); dok je vremenski rok između 3 i 6 mjeseci u inozemstvu (bezobradna tehnologija).