Pamatzinātnes par aviolokomotīves loksni (1)

1. Turbīnas loksnes ievads

Komponente ar sliktākajiem darba apstākļiem turbinas motorā ir arī svarīgākais rotējošais komponents. Lidojošo iekārtu motoru karstā galā, turbinas loksnes tiek apgrūtinātas augstu temperatūru gāzu izmirstīšanās un temperatūras mainīšanās motora starta un apstādināšanas ciklos, savukārt rotoru loksnes tiek apgrūtinātas centrifugālspēka augstā ātrumā. Materiālam jābūt pietiekamiem augstas temperatūras vilciena spēkiem, ilgtspējības spēkiem, kriepa spēkiem, kā arī labam noguruma spēkam, oksidēšanās rezistences, gāzu korozijas rezistences un piemērotai plāstiskībai. Turklāt no materiāla prasa arī garilgu organizatorisku stabilitāti, labu trieciena spēku, izgiešanu un zemu blīvumu.

Gāzes ielūkšanas temperatūra jaunajiem aviācijas motormeklēm sasniedz 1380℃, bet trīcējošais spēks sasniedz 226 kN. Turbīnas loksnes tiek apslogotas ar aerodinamiskajiem un centrifugālajiem spēkiem, ar loksņu uzkrutojamu izplešanās spiedienu aptuveni 140 MPa; loksnes pamats uzkrutojas ar vidēju spiedienu 280~560 MPa, savukārt atbilstošie loksnes daļiņas uzkrutojas ar temperatūru 650~980℃, un loksnes pamata temperatūra ir aptuveni 760℃.

Turbīnas loksņu veiksmes līmenis (sevišķi temperatūras uzkrūtējuma spēja) ir kļuvis par svarīgu rādītāju konkrētas motora modela attīstības līmenim. Vienā no zināmām domām, nākotnes motora loksņu lietojšana tieši noteiks motora veiksmi un arī ir nozīmīgs zīmes līmeņa aviacijas nozarē valstī.

2.Loksnes formas dizains

Kopš loksnes ir vairākas, ja tās būtu dizainētas kā taisnas regulāras formas, varētu samazināt daudz procesus, mazināt projektēšanas grūtības un samazināt daudz izmaksu. Tomēr lielākā daļa loksnes ir sakritušas un liecinās.

Ļaujiet man vispirms iepazīstināt jūs ar dažiem lapu pamatkonceptiem.

Pirmkārt, kas ir līdze? Zemāk redzami divi tipiski līdzes diagrammas.

Kompresora plūsmas diagramma

Turbīnas plūsmas ceļa diagramma
Otrkārt, kāda ir apjomēja ātruma aprēķināšanas formula? Plūsmas ceļā apjomējā ātrums atšķiras dažādos rādiusos (to var iegūt pēc zemāk norādītās formulas).

Apjomējā ātruma beigās, kas ir gaisa straumes piepildes leņķis? Gaisa straumes piepildes leņķis ir leņķis starp gaisa straumi un loksnes hordu attiecībā pret loksnes ātruma virzienu.

Piemēram, ņemot lidmašīnas sprieģeli, tiek parādīts gaisa plūsmas ielaužu leņķis. Tad tiek izskaidrots, kāpēc loks ir jāsavij? Jo dažādos rādiusos plūsmas ceļā aplokām ir atšķirīgas apvijas ātrumi, tādējādi gaisa plūsmas ielaužu leņķis dažādos rādiusa līmeņos var lieliski atšķirties; lokas galā, tāpēc ka ir liels rādiuss un liela apvijas ātrums, rodas liels pozitīvs ielaužu leņķis, kas izraisa nopietnu gaisa plūsmas atdalīšanos no lokas aizmugures; lokas pamatā, tāpēc ka ir mazs rādiuss un mazs apvijas ātrums, rodas liels negatīvs ielaužu leņķis, kas izraisa nopietnu gaisa plūsmas atdalīšanos no lokas pamata.

Tādējādi, attiecībā uz taisniem loksniem, izņemot daļu no tuvākās vidējās diametra, kas vēl var strādāt, pārējie daži radīs smagu gaisa plūsmas atdalīšanos, tas nozīmē, ka sasprindzinātāja vai turbiņas efektivitāte, kas darbojas ar taisniem loksnīm, ir ārkārtīgi zema, un iespējams, ka tā pat nevar vispār strādāt. Tāpēc loksnis jāiztwist.

3. Attīstības vēsture

Kā lidmašīnu motora spēks turpinās pieaugt, tas sasniegts palielinot kompresora ieejas temperatūru, kas prasa izmantot uzlabotus loksnes ar aizvien augstāku temperatūras atdarinājumu. Turklāt, strādājot augstās temperatūras apstākļos, karstošā daļa loksņu darba vide ir arī ekstremālā stāvoklī - augstā spiediena, augstā slodzes, augstā vibrācijas un augstā korozijs, tāpēc loksnes jābūt ar ļoti augstu kopējo veiktspēju. Tas nozīmē, ka loksnes jāveido no speciāliem aliejuma materiāliem (augstas temperatūras aliejumi) un speciālajiem ražošanas procesiem (precīza formēšana plus virzieniskais solidificēšana), lai radītu speciālus matricas struktūras (viens kristāls struktūras), lai iespējotu maksimālu efektivitāti.

Sudraba vienkrāšņu tukšie turbinekļūšķirbes ir kļuvušas par galveno tehnoloģiju modernajiem dzinēju ar augstu spēka-svars attiecību. Vienkrāšņu aliejuma materiālu izpētes un lietošanas, kā arī divsienīgu hipersaites vai vienkrāšņu šķirbes ražošanas tehnoloģijas attīstība ir ļāvusi vienkrāšņu gatavošanas tehnoloģijai spēlēt galveno lomu vismodernākajos militārajos un civiltiesību aviācijas dzinējos. Pašlaik vienkrāšņu šķirbes nav tikai iekļautas visos jaunākajos aviācijas dzinējos, bet tiek arī aizvien biežāk izmantotas jomās, piemēram, smagā gāzu turbinā.

Vienvirstulainie superaloga ir veids pārmērīgu motoru loksnes materiālu, kas izstrādāti, pamatojoties uz vienmērīgām kristāliem un virzieniskiem kolonālajiem kristāliem. No 1980. gada sākuma pirmās paaudzes vienvirstulainie superaloga, piemēram, PWA1480 un ReneN4, ir plaši izmantoti dažādos lidmašīnu motorturbinās. 1980. gadu beigās otrās paaudzes vienvirstulaino superaloga loksnes, piemēram, PWA1484 un ReneN5, tika arī plaši izmantotas modernos lidmašīnu motorturbinās, piemēram, CFM56, F100, F110 un PW4000. Pašlaik ASV otrās paaudzes vienvirstulainie superaloga ir sagatavoti un plaši izmantoti gan militārajās, gan civilturbinu lidmašīnu motoros.

Salīdzinot ar pirmās paaudzes vienkristālu alieksiem, otrās paaudzes vienkristālu aliekļi, kuru pārstāvji ir PW PWA1484, RR CMSX-4 un GE Rene'N5, pievienojot 3% rēmija un piemēroti palielinot molibdēna saturu, ir palielinājuši savu darbības temperatūru par 30°C, sasniegdami labvuvertīgu līdzsvaru starp spēku un atgaišanas un korozijas pretestību.

Trešajos vienkristālu aliekļos Rene N6 un CMSX-10 alieka sastāvs tiek optimizēts vienā posmā, palielinot kopējo neiespraustspējīgo elementu saturu ar lielu atomu rādiusu, īpaši pievienojot vairāk nekā 5wt% rēmija, kas nozīmīgi uzlabo augsttemperatūras krēpsspēju, un alieka ilgtspēja 1150°C ir vairāk nekā 150 stundas, kas ir daudz garāka nekā pirmās paaudzes vienkristālu alieka dzīvība aptuveni 10 stundām, kā arī tā piedāvā augstu spēku pret termisku nogurumu, atgaišanu un termisku koroziju.

Vienotās Valstis un Japāna kārtēji ir izstrādājušas četrtu paaudzi vienkristāla alieņu. Pievienojot ruteniju, tika papildus uzlabota alieņa mikrostruktūras stabilitāte, un palielināts krītošā spēka parametrs garīgā laikā augstā temperatūrā. Tā ilgtspējīgais dzīves laiks 1100 ℃ ir 10 reizes lielāks nekā otrajai vienkristāla alieņam, un darbības temperatūra ir sasniegta līdz 1200 ℃. Vienkristāla sastāvs no pašreizējās paaudzes ir parādīts zemāk.

4. Loksnes pamatforma un ražošanas tehnoloģija

Deformētie augsttemperatūras alieņi loksņu

Izstrādājumu attīstība no deformējamajiem augsttemperatūras aliešiem ir vairāk nekā 50 gadu vēsture. Mājsaimniecības lidmašīnu motoru loksnes bieži izmanto deformējamās augsttemperatūras aliešu sakarā, kas parādītas Tabulā 1. Ar aliešu sastāvā pieaugošo aluminiuma, cīna, wolfrāma un molibdēna saturo pavadojas arī materiāla īpašību uzlabojumi, taču samazinās karstā darbības īpašības; pēc dārga aliešanas elementa kobalta pievienošanas materiāla kopējās īpašības var uzlaboties un uzlaboties arī augstā temperatūrā struktūras stabilitāte.

Loksnes ir galvenie daļiņas lidmašīnu motoros, un to ražošanas apjoms veido aptuveni 30% no kopējā motora ražošanas apjoma.
Lidmašīnu motoru loksnes ir tumši sienītas un viegli deformējamas daļiņas. Kā kontrolēt to deformāciju un efektīvi un kvalitatīvi tās apstrādāt, ir viens no svarīgajiem pētījumu jautājumiem loksņu ražošanas nozarē.

Ar augstas precizitātes CNC mašīnu ieviešanu, tūrīna loksnes ražošanas process arī ir pārgājis lielos mainos. Loksnes, kas apstrādātas, izmantojot precīzu CNC apstrādes tehnoloģiju, ir ar augstu precizitāti un īsu ražošanas ciklu, parasti 6 līdz 12 mēnešiem Kīnā (puļķainā apstrāde); un 3 līdz 6 mēnešiem ārpus Kīnas (bez atliekām apstrāde).