Come vengono prodotte le pale del rotore della turbina ad alta pressione dei motori aeronautici?

Il principio di come vengono prodotti i lamelle del rotore della turbina ad alta pressione dei motori aerei è molto semplice, ma i vari parametri di questo processo richiedono molti esperimenti per ottenere i parametri di ogni nodo, la composizione dei materiali ausiliari e molta fortuna.

Prima di tutto, le pale del rotore della turbina ad alta pressione richiedono condotte di raffreddamento interne complesse (vedi figura sotto). Prima, vengono create le condotte di raffreddamento interno (escludendo i fori per l'aria di raffreddamento, che verranno discussi in seguito). Quindi, si realizza lo stampo in cera con una ceramica speciale per formare le condotte.

Dopo aver ottenuto questo stampo in ceramica per il passaggio d'aria, uniscilo con lo stampo esterno della lama e inseriscilo nel forno per la fusione. L'allega super-resistente fusa entra nello stampo dall'alto verso il basso (inclusi lo stampo interno in ceramica per il passaggio d'aria e lo stampo esterno in cera). È molto complicato applicare innumerevoli strati di rivestimento tra ogni fase di produzione degli stampi. Le aziende tedesche usano robot per farlo, mentre sembra che la Russia utilizzi ancora spazzole manuali. Questi rivestimenti determinano direttamente la qualità della fusione, e il margine di tolleranza è estremamente basso.

A questo punto, la macchina per la fusione controllerà rigorosamente la temperatura dell'allega super-resistente fusa, quindi la lascerà solidificare su un piano orizzontale (cioè, la crescita del cristallo), da basso verso l'alto. Quando i cristalli crescono in modo elicoidale (selettore di cristalli), si comprimono e selezionano a vicenda, lasciando infine solo un cristallo che è più vicino alla direzione prestabilita, e questo cristallo continuerà a crescere verso l'alto.

Poiché l'asse ad alta pressione deve ruotare più di 10.000 volte, ogni pezzo è sottoposto a una forza centrifuga superiore a 10 tonnellate, e poiché la resistenza dei cristalli di nichel in ogni direzione è diversa, la sua diagonale (la direzione più forte) deve essere entro 10 gradi rispetto alla direzione della forza centrifuga. (Un'altra cosa da dire: l'allega a base di nichel unidirezionale utilizzato nel rotore della turbina a bassa pressione richiede una direzione cristallina, ma non solo un cristallo, perché il punto di fusione del cristallo singolo è di 50K superiore a quello del policristallino (incluso il cristallo unidirezionale)).

Il tasso di resa non è alto. Per quanto ne so, molte eccellenti fonderie di precisione in Germania hanno sfidato questo processo e alla fine sono andate in fallimento. La soglia è davvero troppo alta.

Infine, si ottiene il prodotto finito e viene utilizzato un alcali speciale per sciogliere il modulo ceramico dell'ugello rimasto nell'ugello per fare i fori di raffreddamento. Ci sono fori elettrici e fori elettrochimici. I fori più comuni vengono realizzati con il laser. La forma dei fori è anche molto complessa. Successivamente c'è la rivestimento elettroplaccato, che è anch'esso una grande conoscenza.

L'immagine sottostante mostra a sinistra il policristallino, al centro il cristallo unidirezionale e a destra il cristallo singolo.

Tuttavia, dopo il processo di fusione, le pale non hanno i fori d'aria che connettono il condotto d'aria di raffreddamento interno e la superficie della pala. Questo viene generalmente fatto con un laser. Poiché l'aria di raffreddamento perde molta pressione quando viene prelevata dal compressore ad alta pressione e scorre dall'asse cavo alla turbina ad alta pressione, anche se il flusso d'aria principale perde pressione durante il passaggio attraverso la combustione, e il processo dall'asse alla pala ha un certo effetto di compressione centrifuga e aumento di pressione, è comunque necessaria una pressione statica più elevata per far arrivare l'aria di raffreddamento sulla superficie della pala. A questo punto, è necessario un foro con una sezione incrociata allargata per gestire l'aria di raffreddamento, ridurre la pressione dinamica e aumentare la pressione statica, dopodiché l'aria di raffreddamento spinge il flusso d'aria caldo del nucleo lontano dalla superficie della pala (molte sciocchezze). Inoltre, una velocità troppo elevata causerà l'iniezione diretta del raffreddamento nel flusso d'aria principale, e ha un altro compito, ovvero formare un strato di film d'aria fredda sulla superficie della pala per proteggerla, il che richiede riduzione della velocità e aumento della pressione.

Pertanto, questo tipo di foro deve ottimizzare la sua forma geometrica per diverse posizioni. La perforazione laser può essere facilmente automatizzata, ma lo svantaggio è che ci saranno stress sulla superficie interna.

La coda dello stator del turbine (cristallo unidirezionale, fuori tema) deve essere perforata con fori di raffreddamento per servire il successivo rotore della turbina. Questo foro è estremamente sottile e non può sopportare stress interni, quindi viene realizzato utilizzando la corrosione elettrochimica. Ovviamente, queste non sono regole assolute e diverse aziende hanno diversi metodi di lavorazione.

Dopo aver fatto questo, si è ottenuta una singola lama del turbina a cristallo, ma non è ancora stata rivestita. Le lame moderne delle turbine richiedono un strato di rivestimento termico in zirconia, una ceramica a base di ossido di zirconio. Essendo una ceramica, è fragile fino a un certo punto. Quando la turbina è in funzione, se c'è una leggera deformazione, l'intero pezzo potrebbe staccarsi e le lame della turbina si fonderanno immediatamente. Questo è assolutamente inaccettabile all'interno di Hangfa.

Poi c'è il processo EB-PVD (Deposito chimico a vapore a fascio elettronico), metodo di deposizione a vapore.

Ovviamente, ci sono molti strati di altri materiali prima di realizzarlo, come il rivestimento in platino (platino), la proiezione a plasma, eccetera. C'è anche uno strato per rinforzare la zirconia e incollarla come colla. Ovviamente, ci sono piccole differenze tra le varie aziende e non sono statiche.

Primo, il cannello elettronico emette un fascio di elettroni, che viene guidato dal campo magnetico e colpisce il substrato di zirconia. Il substrato bombardato dagli elettroni passerà allo stato gassoso, e la zirconia gassosa viene guidata sulla superficie della lama per iniziare a crescere. La zirconia crescerà in piccoli bastoncini con un diametro di 1 micron e una lunghezza di 50 micron, coprendo densamente la superficie delle lame senza che i pori vengano rivestiti. Poiché non si tratta di un pezzo intero di ceramica, i piccoli bastoncini possono muoversi leggermente rispetto a彼此senza che l'intero pezzo si stacchi, il che risolve il problema di fallimento causato dalla deformazione.

La zirconia ha un'estrema durezza e una conducibilità termica estremamente bassa, il che consente di ottenere un gradiente di temperatura molto pronunciato tra il substrato in nichel e il flusso d'aria caldo al centro. Con raffreddamento interno e film d'aria fredda, la lama può funzionare a lungo con alta resistenza e affidabilità in un ambiente molto più elevato della propria temperatura di fusione.

A questo punto, la superficie della lama è completata. Per adattarsi alla ruota del turbine, la lama ha anche bisogno di una radice a struttura a forma di pino o a tenone e mortasa.

Come menzionato sopra, ogni lama del turbine subisce una forza centrifuga superiore a dieci tonnellate durante il funzionamento, e la base della lama deve essere lavorata con grande precisione. L'allega al nichelio è molto dura, resiste alle alte temperature ed è estremamente difficile da lavorare.

La base della lama viene sagomata. La lama viene bloccata con un fixture speciale, e le ruote abrasive superiori e inferiori con geometrie opposte (mold femminile) sagomano verso l'interno.

Questo causerà il rapido deterioramento della ruota abrasiva, quindi viene aggiunta una ruota abrasiva diamantata positiva all'esterno delle due ruote per abrasivare continuamente la ruota e mantenerla funzionante. I diamanti industriali sulla ruota diamantata vengono incollati dai robot.

Dopo questi processi e l'ispezione, la lama è pronta per funzionare. È solo una parte di un motore aeronautico, e un motore aeronautico è solo un modulo su un aereo.