Alapvető ismeretek a repülőgép-motorok varrógépei (1)

1. Bevezetés a turbinakeszcskékbe

A turbinmotor legsúlyosabb munkafeltételek között lévő komponense azonban a legfontosabb forgó rész is. Az repülőgép-motorok forró végén lévő komponensek között a turbin-lapok magas-hősi gáz által okozott mélyítésre és hőmérséklet-változásokra vannak kitéve a motor elindítási és leállítási ciklusok során, míg a rotor-lapok nagy sebességekkel járó centrifugális erő hatására. A anyagnak elég magas-hősi húzóerőssége, tartósági erőssége, rohanási erőssége, valamint megfelelő feszültségérzékenysége, oxidációs ellenállása, gáz-korróziós ellenállása és alkalmas plaszticitása kell. Emellett a hosszú távú szervezeti stabilitás, jó lökhőséges ellenállás, öntőképesség és alacsony sűrűség is szükséges.

Az haladó repülőgép-motorok gázbejárati hőmérséklete 1380℃-ra növelődik, és a hajítóerő 226KN-re elér. A turbinás lapok aerodinamikai és centrífrális erők hatására áldozatul esnek, a lapok közötti húzófeszültség kb. 140MPa; a lapgyök része általános feszültséget visel 280~560MPa között, míg a megfelelő laptest hőmérséklete 650~980℃ között van, és a lapgyök hőmérséklete kb. 760℃.

A turbinás lapok teljesítmény szintje (különösen a hőtűrési képesség) fontos jellemzővé vált egy adott motor típusának fejlett szintjére nézve. Bizonyos értelemben a jövőbeli motorlapok öntözési folyamata közvetlenül meghatározza a motor teljesítményét, és ez is jelentős jelölője annak, hogy milyen szinten tartózkodik egy ország repülőiparának szintje.

2. Lap alakzat tervezése

Mivel rengeteg lappal rendelkeznek, ha egyenes, szabályos alakzatokká tervezzük őket, sok felmérési technológiát csökkenthetünk, a tervezés nehézségét kisebbé tehetjük, és sok költséget takaríthatunk meg. Azonban a legtöbb lappal forgalomban lévő扭曲 és görbült.

Engedjék meg, hogy először bemutassak néhány alapvető fogalmat a levelekről.

Először is, mit értünk alapon? Lenti két tipikus alapdiagram.

Légtömörítő folyamat ábrája

Turbina folyósíkájának ábrája
Másodszor, mi a kerületi sebesség számítási képlete? A folyósíkban a kerületi sebesség különböző sugarakkal más-más (ez az alábbi ábra szerinti számítási képlettel szerezhetőnek).

Kerületi sebesség Végezetül, mit értünk az légfolyás támadási szögével? Az légfolyás támadási szöge a légfolyás és a lapnyúla közötti szög a laptengelyes sebesség irányához viszonyítva.

Az repülőgép szárnya például, az légcsomó szögét mutatja. Majd megmagyarázza, miért kell扭曲a lapot? Mivel a körültekintési sebességek a folyásban különböző sugaraknál eltérőek, az légcsomó szöge nagyon változik a különböző sugarú primitív szinteken; a lapon a csúcsnál, a nagy sugar miatt és a nagy körültekintési sebesség miatt nagy pozitív légcsomó szög keletkezik, ami komoly légcsomó elválásokat okoz a lap hátán; a lap alján pedig a kicsi sugar és a kicsi körültekintési sebesség miatt nagy negatív légcsomó szög alakul ki, ami komoly légcsomó elválásokat eredményez a lap alján.

Tehát, a közvetlenélől vágott lapoknál, kivéve egy részét a legközelebbi félgördülésnek, amely még mindig működhet, a többi rész komoly légforgási elválasztást okoz, azaz egy olyan tömörítő vagy turbin keresztmetszetei, amelyek közvetlenélől vágott lapokkal működnek, rendkívül alacsony hatékonysággal rendelkeznek, és akár olyan pontba is eljuthatnak, hogy nem tudnak egyáltalán működni. Ezért a lapokat hajtásosaknak kell lenniük.

3. Fejlesztési Történet

Ahogy a repülőgép-motorok teljesítménye folyamatosan növekszik, ezt a tömörítő bemeneti hőmérséklet növelésével érik el, amely olyan haladó varrógépek használatát igényli, amelyekre egyre magasabb hőellenállás szükséges. A magas hőmérsékletű feltételek mellett a forró végű varrógépek működési környezete szintén extrém: magas nyomás, magas terhelés, magas rezgés és magas korózió, ezért a varrógépeknél extrém összetett teljesítményt kell elérniük. Ezért speciális fémliga anyagokból (magas hőmérsékletű ligavak) és speciális gyártási folyamatokból (pontosságos öntés és irányított megszilárdulás) készítenek speciális mátrixstruktúrákat (egyedes kristálystruktúrákat), hogy a lehető legnagyobb mértékben feleljenek meg az igényeknek.

A bonyolult egykristályos üres turbinás lapok a magas tolóerő-súly arányú motorok alaptechnológiájává váltak. Az előrehaladott egykristályos hajtóműanyagok kutatása és alkalmazása, valamint a dupla falú ultrahős légfűtéses egykristályos lapparancs gyártási technológia megjelenése teszi lehetővé az egykristályos készítési technológia számára, hogy kulcsfontosságú szerepet játszzen a mai legfejlettebb katonai és civil repülőgép-motorokban. Jelenleg az egykristályos lapok nemcsak minden fejlett repülőgép-motoron találhatók, de egyre inkább használnak őket a nehéy gázgerendekben is.

Az egyfelű kристályos ultrahőerőanyagok egy olyan fejlett gépkocsi-lélegzőanyagok típusa, amelyeket az egyenlő méretű kristályok és a irányított oszlopás kristályok alapján fejlesztettek ki. Az 80-es évek elején az első generációja az egyfelű kristályos ultrahőerőanyagoknak, mint például a PWA1480-nak és a ReneN4-nek széles körben használtak a repülőgép-motorokban. A második generációja az egyfelű kristályos ultrahőerőanyagoknak, mint például a PWA1484 és a ReneN5, végül a 1980-as évek végén széles körben alkalmazták a fejlett repülőgép-motorokban, mint például a CFM56, F100, F110 és PW4000. Jelenleg az Amerikai Egyesült Államok második generációjának egyfelű kristályos ultrahőerőanyagok már kipróbáltak és széles körben használják a haditengerészen és a civil repülőgép-motorokban.

Az első generációs egyetlen kristymagányokhoz képest a második generáció egyetlen kristymagányai, amelyeket a PW PWA1484, az RR CMSX-4 és a GE Rene'N5 reprezentál, 3%-os rénium hozzáadásával és alkalmas molybdenum-tartalom növelésével 30°C-rel növelték az üzemhőmérsékletüket, elérve a erősség és az oxidáció- és korózíállhatóság közötti jó egyensúlyt.

A harmadik egyetlen kristymagány, a Rene N6 és a CMSX-10 esetében az összetevők egy lépésben optimalizálva lettek, a nagy atomi sugárú feloldhatatlan elemek teljes tartalma növekedett, különösen több mint 5 súly %-os rénium hozzáadásával, ami jelentősen növeli a magas hőmérsékletű kihajlítási erősséget, az 1150-es hőmérsékletű alatt a fémbeli állandósulás élettartama több mint 150 óra, ami sokkal hosszabb, mint az első generáció egyetlen kristymagányok kb. 10 órás élettartama, továbbá magas erősségű meleg feszültség, oxidáció és meleg korózióellenállást is biztosít.

Az Egyesült Államok és Japán sorban fejlesztette ki a negyedik generációjú egyetemes allelmetakötést. A rutenium hozzáadásával az allelmetakötés mikrostrukturális stabilitása tovább növekedett, és növelték a hosszú távú magas hőmérsékletű kitartási erősségét. Az 1100 ℃-nél történő tartóélettartama tízszer nagyobb, mint a második egyetemes allelmetakötésé, és az működési hőmérséklet elérte a 1200 ℃-t. Azonos generációbeli egyetemes összetevők láthatók lent.

4. Lápát alapanyagai és gyártási technológia

Deformált magas hőmérsékletű összetevő lapátok

A deformálható magas-hőmérsékletű ligaturák fejlesztése több mint 50 éves történettel rendelkezik. A hazai repülőgép-motorok lapokhoz gyakran használt deformálható magas-hőmérsékletű ligaturákat a Táblázat 1 mutatja be. A magas-hőmérsékletű ligaturákban lévő aluminium, titán, tungasz és molibdén tartalom növelésével a anyag tulajdonságai folyamatosan javulnak, de a forró munkavégzési tulajdonságok csökkennek; a drágább kobalt ligaturáló elem hozzáadásával növelhető az anyag összetett teljesítménye és a magas-hőmérsékletű szerkezet stabilitása.

A lapok kulcsfontosságú részei a repülőgép-motoroknak, és azok gyártási mennyisége kb. 30%-ot tesz ki a motor teljes gyártási mennyiségéből.
A repülőgép-motorok lapjai vasmélyesek és könnyen deformálódnak. Ahhoz, hogy deformációjukat szabályozzuk és hatékonyan, minőségi feldolgozásra kerüljenek, ez egyik fontos kutatási téma a lapgyártási iparágban.

A nagy teljesítményű CNC gépeszközök megjelenésével a turbinás lapok gyártási folyamata is jelentős változásokon ment keresztül. A pontosságos CNC feldolgozási technológiával készített lapok magas pontossággal rendelkeznek és rövid gyártási ciklusokat igényelnek, általánosan 6 és 12 hónapig Kínában (félkész feldolgozás); és 3 és 6 hónapnyi időt vesz igénybe külföldön (maradékmentes feldolgozás).