Kada su zahtjevi za performanse zrakoplova za prijevoz, vojne namjene, proizvodnju i druge svrhe porasli, najranije pistonski motori više nisu mogli ispunjavati potrepstve visoke brzine leta. Stoga, od 1950-ih, plinoturbinski motori su postajali dominantni.
1928. godine, Sir Frank Whittle iz Ujedinjenog Kraljevstva je u svojoj diplomskoj radu "Budući razvoj u projektiranju zrakoplova" dok je studirao na vojnoj akademiji, uputio da pod tehničkim znanjem onih dana, budući razvoj vijaka s motorima neće zadovoljavati potrebe visokih visina ili brzina leta preko 800 km/h. Prvi je predložio koncept onoga što se danas zove reaktivni motor (motor): stisnuto zrak se pruža komorni za sagoravanje (goreća) putem tradicionalnog pistona, a visoko temperaturni plin koji nastaje direktno se koristi za napredovanje leta, što se može smatrati vijakom motorom plus dizajnom komore za sagoravanje. U kasnijim istraživanjima, odbacio je ideju korištenja teškog i neefikasnog pistona i predložio korištenje turbine (turbine) za pružanje stisnutog zraka komorni za sagoravanje, a snaga turbine dobiva se od visoko temperaturne ispuštene plinove. 1930. godine Whittle je podneo patentnu prijavu, a 1937. godine razvio je prvi centrifugalni turbo-reaktivni motor na svijetu, koji je službeno bio primijenjen na zrakoplovu Gloster E.28/39 1941. godine. Od tada su plinske turbine dominirale u avionskoj snazi i predstavljaju važan simbol znanstvenog i tehnološkog industrijskog razina države te ukupne nacionalne moći.
Motore za letelice se mogu podijeliti na četiri osnovna vrste prema njihovim namjenama i strukturnim karakteristikama: turbojet motor, turbofan motor, turboshafts motor i turboprop motor:
Avijski plinski turbine nazivaju se turbojet motorima, koji su najstariji plinski turbine koji su bili u uporabi. S obzirom na način generiranja potiska, turbojet motori su jednostavniji i najdirektniji motori. Razlog je u reakciji koja nastaje iz visoke brzine ulaivanja vorteksa. Međutim, visokebrzini zrak odnosi mnogo topline i kinetičke energije istovremeno, što uzrokuje veliku gubitku energije.
Turbofan motor dijeli zrak koji teče u motor u dvije staze: unutrašnju rupu i vanjsku rupu, što povećava ukupni protok zraka i smanjuje temperaturu i brzinu ispuhnog zraka unutar unutrašnje rupe.
Turbosklopne i turbopropeljne motorne jedinice ne stvaraju potisak unutar strujanja zraka, pa je temperatura i brzina otpadnog plina znatno smanjena, termička učinkovitost relativno visoka, a stopa trošenja goriva motora je niska, što je prilagođeno dugoročnim letovima. Brzina propela općenito se ne mijenja, a različiti potisci dobivaju se prilagodbom kuta lopatica.
Propfan motor je motor između turbopropela i turbofan motora. Može se podijeliti na propfan motore s odbojnima propela i propfan motore bez odbojnika propela. Propfan motor je najkonkurentniji novi štedljivi motor prilagođen podzvukovnom letu.
Građevinski aerokosmički motori su prošli više od pola vijeka razvoja. Struktura motora se razvila od rane centrifugalne turbine do jedno-kružnog osnog toka, od dvo-kružnog turbojet motora do turborotornog motora s malim omjerom obilaska zraka, a zatim do turborotornog motora s visokim omjerom obilaska zraka. Struktura je neprestano optimizirana u pronaći efikasnosti i pouzdanosti. Temperatura ulaznih turenja u prvoj generaciji turbojet motora iz 1940-ih i 1950-ih bila je samo 1200-1300K. Povećala se za oko 200K sa svakim nadogradnjom zrakoplova. Do 1980-ih, temperatura ulaznih turenja četvrte generacije naprednih bojnih letjelica dostigla je 1800-2000K[1].
Načelo rada odstupnog zrakopritisnog agregata je da impelera gazi plin da se okreće s visokom brzinom, što uzrokuje stvaranje odstupne sile kod plina. Zbog tlakovnog toka plina u impeleru povećava se brzina i tlak plina nakon što prođe kroz impeleru, a time se neprestano proizvodi komprimirani zrak. Ima kratku dimenziju po osi i visoki jednostupni omjer tlaka. Aksijalni zrakopritisni agregat je kompresor u kojem se tok zraka uglavnom kreće paralelno s osi rotirajućeg impelera. Aksijalni kompresor sastoji se od više stupnjeva, a svaki stupanj sadrži red rotornih listova i sljedeći red statornih listova. Rotor su radni listovi i kotač, a statorna su voditelji. Zrak najprije ubrzava rotornim listovima, usporava i komprimiranja se u kanalu statornih listova, a proces se ponavlja u višestupnjanim listovima dok se ukupni omjer tlaka ne dostigne na zahtijevanom nivou. Aksijalni kompresor ima malu promjeru što olakšava višestupnju seriju za dobivanje višeg omjera tlaka.
Turboprop motori obično koriste omjer odluka, tlak u motoru, temperaturu ulaznog plina u turbine i omjer tlaka ventilatora kao parametre dizajna:
Omjer odluka (BPR): Omjer mase plina koja teče kroz izlazne ductove i mase plina koji teče kroz unutarnje ductove u motoru. Rotor na početku turboprop motora obično se zove niskotlaki kompresor, a rotor na početku turboventilacijskog motora obično se zove ventilator. Tlačeni plin koji prolazi kroz niskotlaki kompresor prolazi kroz sve dijelove turboprop motora; plin koji prolazi kroz ventilator dijeli se na unutarnje i vanjske ductove. Od pojavljivanja turboventilacijskih motora, BPR je rastao, i ovaj trend je posebno očitan u građanskim turboventilacijskim motorima.
Omjer tlaka motora (EPR): Omjer ukupnog tlaka na izlazu šake i ukupnog tlaka na ulazu kompresora.
Temperatura ulaza u turbine: Temperatura izduha kamere za gorenje kada ulazi u turbinu.
Omjer kompresije ventilatora: Također se naziva omjer kompresije, omjer tlaka plinova na izlazu kompresora i tlaka plinova na ulazu.
Dva efikasnosti:
Termalna efikasnost: mjera koliko učinkovito motor pretvara toplinsku energiju generiranu gorenjem u mehaničku energiju.
Efikasnost pomicanja: mjera kolika je proporcija mehaničke energije generirane od strane motora koja se koristi za pomicanje zrakoplova.
U 1970-ima, Sjedinjene Države prve su upotrijebile PWA1422 smjernu solidifikaciju lopatica u vojnim i građanskim avionskim motorima.
Poslije 1980-ih, omjer otpornosti-težine treće generacije motora je povećan na više od 8, a turbinski lopovi su počeli koristiti prvu generaciju SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 i Kine DD3. Njihova sposobnost prijenosa topline je za 80K veća od najboljeg smjerovito zatvrdnog kastičnog visoke temperature alija PWA1422. Prednosti. Uz kombiniranje s film hlađenjem jednosmjernom prazninom tehnologijom, radna temperatura turbinskih lopova dostiže 1600-1750K.
Četvrta generacija turboventilacijskog motora koristi drugu generaciju SX PWA1484, RenéN5, CMSX-4 i DD6. Dodavanjem Re elemenata i višesmjernom visokopritisnom zrakom hlađenja tehnologije, radna temperatura turbinskih lopova dostiže 1800K-2000K. Na 2000K i 100 sati trajna čvrstoća dostiže 140MPa.
Treće generacije SX, razvijene nakon 1990-ih, uključuju RenéN6, CMRX-10 i DD9, koje imaju vrlo očigledne prednosti u odnosu na drugu generaciju SX s obzirom na otpornost na križanje. Pod zaštitom složenih hlađenjih kanala i toplinskih barijernih obloga, temperatura ulaznog turabine koju može izdržati dostiže 3000K. Međumetalni spoj koji se koristi u listovima dostiže 2200K, a otpornost trajanja od 100 sati dostiže 100MPa.
Trenutno se razvijaju četvrta generacija SX, predstavljena s MC-NG[4], TMS-138 itd., i peta generacija SX, predstavljena s TMS-162 itd. Sastav je karakteriziran dodavanjem novih redkih zemalja poput Ru i Pt, što značajno poboljšava visokotemperaturnu otpornost na križanje SX. Radna temperatura pete generacije visokotemperaturnih alativa dostigli su 1150°C, što je blizu teorijskom granicnom radnom temperaturi od 1226°C.
3.1 Svojstva sastava i fazijski sastav nikl-temeljnih jednokrystalnih superlegura
Prema vrsti matricnih elemenata, visoko temperaturne legure se mogu podijeliti na željezobazne, nikl-bazne i kobalt-bazne, a dalje se mogu podijeliti na litne, forge i prašno metalurške makrostrukture. Nikl-bazne legure imaju bolja visoko temperaturna svojstva od drugih dvije vrste visoko temperaturnih legura i mogu raditi dugo vrijeme u strogim visoko temperaturnim okruženjima.
Legure na bazi nikuola visoke temperature sadrže barem 50% Ni. Njihova FCC struktura čini ih vrlo kompatibilnim s nekim elementima za legiranje. Broj elemenata za legiranje koji se dodaju tijekom procesa dizajna često premašuje 10. Zajedničkość dodanih elemenata za legiranje klasificirana je sljedeće: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo i W su prva-razredna elementa, koji služe kao elementi stabilizacije austenita; (2) Al, Ti, Ta i Nb imaju veće atomske radijuse, što promiče formiranje jačajućih faza poput spoja Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), i smatraju se drugorazredni elementi; (3) B, C i Zr su trećerazredni elementi. Njihova atomska veličina mnogo je manja od atomske veličine nikolovih atoma, a lako se segregriraju na granice zrnatosti γ faze, igrajući ulogu u jačanju granica zrna [14].
Faze nikolovih jednokristalnih legura visoke temperature glavno su: γ faza, γ' faza, karbidska faza i topološki blizu pakirana faza (TCP faza).
γ faza: γ faza je aустenitska faza s kristalnom strukturom TFK, što je čvrstom rješenje obrazovano od elemenata poput Cr, Mo, Co, W i Re disolviranih u niklu.
γ' faza: γ' faza je međusparivanje Ni3(Al, Ti) s TFK, koje se oblikuje kao faza kondenzacije i održava određenu koherenciju i neugodnost s matricnom fazom, a sadrži više Al, Ti, Ta i drugih elemenata.
Faza karbida: Počevši od druge generacije nikl-baziranog SX, dodaje se mali količina C, što dovodi do pojavljivanja karbida. Mali količina karbida su rasutani u matrici, što poboljšava visoko temperaturnu performansu alija do određene mjere. Općenito se dijeli na tri vrste: MC, M23C6 i M6C.
TCP faza: U slučaju starenja servisa, prekomjerno otporni elementi poput Cr, Mo, W i Re promiču kondenzaciju TCP faze. TCP obično nastaje u obliku ploče. Pločasta struktura ima negativan utjecaj na trakovitost, križanje i svojstva umora. TCP faza je jedna od izvora prske pri križnom lomu.
Mehanizam jačanja
Jačina nikl-temeljnih superlegure dolazi iz kombinacije više mehanizama jačanja, uključujući jačanje disperzijom, kondenzacijsko jačanje i toplinsku obradu kako bi se povećao gustina dislokacija i razvio dislokacijski podstruktur za jačanje.
Jačanje disperzijom je dodavanje različitih rastvorljivih elemenata kako bi se poboljšala osnovna jačina, uključujući Cr, W, Co, Mo, Re i Ru.
Različiti atomska radijusa uzrokuju određenu razinu deformacije atomske rešetke, što sprečava pokretanje dislokacija. Jačanje disperzijom povećava se s povećanjem razlike u veličini atoma.
Ujačavanje čvrstom rješenjem također ima učinak smanjenja energije stogovitih pogrešaka (SFE), glavno inhibirajući krizni preskok dislokacija, što je glavni način deformacije neidealnih kristala visokih temperature.
Atomički klasteri ili mikrostruktura kratkodugmičnog reda su još jedan mehanizam koji pomaže u postizanju ujačavanja putem čvrstog rješenja. Atomi Re se segregiraju u području povlačnog stresa u jezgru dislokacije na sučelju γ/γ', formirajući "Cottrellovu atmosferu", što učinkovito sprečava pokretanje dislokacija i širenje trupova. (Rastvorenim atomima koncentrirano u području povlačnog stresa rubne dislokacije, smanjuje se mrežna distortija, formira se Coriolisov plinoviti strukturni oblik, a proizvodi se jake učinke ujačavanja čvrstog rješenja. Taj učinak raste s porastom koncentracije rastvorenih atoma i porastom razlike u veličini.)
Re, W, Mo, Ru, Cr i Co učinkovito jačaju γ fazu. Pojačavanje disolucije γ matrice ima izuzetno važnu ulogu u otpornosti na krepiranje niklowih visokotemperaturnih spojeva.
Efekt tvrđenja uslijedom odsječivanja utjecaju na volumenski udio i veličinu γ' faze. Cilj optimizacije sastava visokotemperaturnih spojeva glavno je povećanje volumenskog udia γ' faze i poboljšanje mehaničkih svojstava. SX visokotemperaturni spojevi mogu sadržavati 65%-75% γ' faze, što rezultira dobrom otpornostiu na križanje. To predstavlja korisnu maksimalnu vrijednost efekta tvrđenja γ/γ' sučelja, a daljnje povećanje uzrokuje značajno smanjenje otpornosti. Otpornost na križanje visokotemperaturnih spojeva s visokim volumenskim udijem γ' faze utjecaju veličina čestica γ' faze. Kada je veličina γ' faze mala, dislokacije imaju tendenciju obilaziti je, što uzrokuje smanjenje otpornosti na križanje. Kada su dislokacije prisiljene da presijeku γ' fazu, otpornost na križanje dostiže maksimum. S rastom veličine čestica γ' faze, dislokacije imaju tendenciju izbjeći između njih, što uzrokuje smanjenje otpornosti na križanje [14].
Postoji tri glavna mehanizma pojačanja uslijed osađivanja:
Pojačanje dislokacijom mreže: γ’ faza je rasutno osiđena u matrici γ faze na koherenan način. Obje su FCC strukture. Dislokacija mreže odražava stabilnost i stanje napona na koherenom sučelju između dvije faze. Najbolji slučaj je da matrica i osiđena faza imaju istu kristalnu strukturu i parametre mreže iste geometrije, tako da se više osiđenih faza može umjestiti u γ fazu. Raspon dislokacije mreže za nikl-bazirane visokotemperaturne aleje je 0~±1%. Re i Ru su očito segregirani s γ fazom. Povećanje Re i Ru povećava dislokaciju mreže.
Pojačanje redoslijedom: Presjecanje dislokacije uzrokuje nered u međusobnom razmještuju između matrice i osiđene faze, što zahtjeva više energije
Mehanizam obilaska dislokacija: nazvan Orowanov mehanizam (Orowanovo obluka), to je mehanizam jačanja u kojem faza tropskog raspršenja u metalu sprečava da se kretanje dislokacija nastavi. Osnovni princip: Kada se pomična dislokacija susreće česticama, ne može ih preskočiti, što rezultira ponašanjem obilaska, rastom dislokacijske linije i povećanjem potrebne pokretnosne sile, što rezultira učinkom jačanja.
3.3 Razvoj metoda lisanja visokotemperaturnih spojeva
Najraniji spoj koji se koristi u visoko temperaturnim okruženjima može se vratiti do izuma Nichrome-a 1906. godine. Pojava turbo kompresora i plinskih turbine motora pobudila je značajan razvoj visoko temperaturnih spoiljeva. Lopatica prve generacije plinskih turbine motora proizvedena je ekstruzijom i forgeanjem, što je očito imalo ograničenja vremena. U trenutku, lopacke od visoko temperaturnih spoiljeva uglavnom se proizvode ulijevanjem na narudžbu, posebno usmjereno zrkljenje (DS). DS metoda je prvi put izumljena od strane tima Versnydera iz Pratt & Whitney SAD-a u 1970-ima [3]. Tijekom decenija razvoja, preferirani materijal za lopacke promijenio se s jednako velikim kristalicama na stupasti kristale, a zatim optimiran na jedan kristalni visoko temperaturni spoj.
DS tehnologija se koristi za proizvodnju stupčastocrnog alijansa SX komponenti, što značajno poboljšava trakost i otpornost na toplinski šok visoko temperaturnih alijansa. DS tehnologija osigurava da proizvedeni stupčasti kristali imaju orijentaciju [001], koja je paralelna s glavnim osi napora dijela, umjesto nasumične kristalne orijentacije. U principu, DS mora osigurati da se zatekanje metala u litu obavlja tako da je metalni materijal za ishrbu uvijek u pravcu koji je upravo zakrpeo.
Litanje stupčastih kristala mora ispunjiti dvije uvjete: (1) Jednosmjerna struja topline osigurava da se sučelje čvrsto-tekućeg pri rastu zrnanja pomiče u jednom smjeru; (2) Ispred smjera kretanja sučelja čvrsto-tekućeg ne smije doći do nukleacije.
Zbog toga što se lom češlja obično događa u visoko temperaturnoj slabi strukturi na granici zrnanja, kako bi se eliminirala granica zrna, tijekom smjerovitog zatečivanja koristi se forma za zatečivanje s "odabirnikom zrna" strukture. Presjek ove strukture je blizu veličine zrna, tako da samo jedno optimalno rastuće zrno ulazi u formnu štoperu za litu i zatim nastavlja rasti u obliku jednocratkasta dok se cijeli češlj ne sastoji od samo jednog zrna.
Odabirnik kristala može se podijeliti na dvije dijelove: početni blok i spirala:
Na početku DS procesa, čestice počinju se kристalizirati na dnu početnog bloka. U rani fazi rasta čestica, njihov broj je velik, veličina mala, a razlika u orijentaciji je velika. Dominira konkurenčno ponašanje između čestica, dok je geometrijski blokirajući efekt bočne zida slab. U ovom trenutku, efekat optimizacije orijentacije je očitan; kada se visina čestica u početnom bloku povećava, broj čestica smanjuje, veličina raste, a orijentacija postaje bliža. Konkurenčno ponašanje između čestica smanjuje, dok dominira geometrijski blokirajući efekt bočne zida, osiguravajući da se smjer kristala može neprestano optimizirati, ali je efekat optimizacije orijentacije slaba. Smanjujući radijus početnog bloka i povećavajući visinu početnog bloka, orijentacija čestica koje ulaze u spiralni dio može se učinkovito optimizirati. Međutim, produžavanje duljine početnog bloka skratiće učinkoviti prostor za rast litidba, što će utjecati na proizvodni ciklus i pripremne troškove. Stoga je potrebno racionalno dizajnirati geometrijsku strukturu podloge.
Glavna funkcija spirale je učinkovito odabrati jedne kristale, a sposobnost optimizacije orijentacije zrnuje slaba. Kada se DS postupak izvodi u spiralnom kanalu, zakrivljeni put pruža prostor za rast grana dendrita, a sekundarni dendriti zrna napreduju u smjeru linije tekućine. Zrna imaju jaku lateralnu tendenciju razvoja, a orijentacija zrna nalazi se u fluktuacijskom stanju, s slabom efektnom optimizacijom. Stoga, odabir zrna u spiralnom dijelu uglavnom ovisi o geometrijskoj ograničenoj prednosti, konkurentnoj rasti prednosti i prostornoj ekspanziji prednosti zrna u spiralnom dijelu [7], umjesto da ovisi o prednosti rasta po željenoj orijentaciji zrna, što ima jaku slučajnost [6]. Stoga, glavni razlog neuspjeha u odabiru kristala jest što spirala ne igra ulogu u odabiru jednog kristala. Povećanjem vanjskog promjera spirale, smanjenjem vijaka, promjera površine spirale i smanjenjem početnog kuta, može se znatno poboljšati efekat odabira kristala.
Priprema praznih jednokristalnih turbinskih lopatica zahtijeva više od dvanaest koraka (tavljenje master legure, priprema jednokristalne membranske oštitve, priprema keramičkog jezgra složene konfiguracije, tavljenje s mješavinom, smjereno zatvrdavanje, toplinsko obradivanje, obrada površine, priprema topline izolacijske omotnice itd.). Složeni proces je podložan raznim defektima, kao što su strane kristale, pletve, maloaglinski granice kristala, trakasti kristali, odstupanje u orijentaciji, recrystalizacija, velikookutne granice kristala i neuspjeh u odabiru kristala.
Vruće vijesti2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Naš profesionalni prodajni tim čeka na vašu konzultaciju.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
NO
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
