Pengetahuan asas tentang bilah enjin pesawat (1)

1.Pengenalan kepada bilah turbin

Komponen dengan syarat kerja terburuk dalam enjin turbin juga merupakan komponen putaran yang paling penting. Dalam komponen hujung panas enjin kapal terbang, bilah turbin terdedah kepada pengikisan gas suhu tinggi dan perubahan suhu semasa kitaran memulakan dan mematikan enjin, manakala bilah rotor menghadapi daya sentrifugal pada kelajuan tinggi. Bahan tersebut diperlukan untuk mempunyai kekuatan tarik suhu tinggi yang mencukupi, kekuatan tahanan, kekuatan merayap, serta kekuatan lelah yang baik, ketahanan oksidasi, ketahanan terhadap kerosakan gas dan plastisiti yang sesuai. Selain itu, kestabilan organisasi jangka panjang, kekuatan impak yang baik, kastabilan dan ketumpatan rendah juga diperlukan.

Suhu masukan gas enjin pesawat terbang moden mencapai 1380℃ dan daya dorongnya mencapai 226KN. Baling-baling turbin menghadapi daya aerodinamik dan daya sentrifugal, dengan baling-baling menanggung tegangan tarikan sekitar 140MPa; bahagian pangkal baling-baling menanggung tekanan purata 280~560MPa, dan bahagian badan baling-baling yang sepadan menanggung suhu 650~980℃, manakala suhu pangkal baling-baling adalah kira-kira 760℃.

Tahap prestasi baling-baling turbin (terutamanya kemampuan menahan suhu) telah menjadi penanda penting tahap kecanggihan satu model enjin. Dalam satu makna, proses pengecoran baling-baling enjin masa depan secara langsung menentukan prestasi enjin dan juga merupakan tanda penting tahap industri penerbangan negara.

2.Reka bentuk baling-baling

Kerana terdapat banyak baling-baling, jika direka sebagai bentuk lurus yang biasa, banyak teknologi pemprosesan boleh dikurangkan, kesukaran reka bentuk boleh diturunkan, dan banyak kos boleh dihemat. Namun, kebanyakan baling-baling adalah berputar dan melengkung.

Mari saya terlebih dahulu perkenalkan kepada anda beberapa konsep asas tentang daun.

Pertama, apakah itu pemetik? Di bawah ini adalah dua gambar rajah pemetik yang tipikal.

Rajah aliran pemampat

Rajah laluan aliran turbin
Kedua, apakah formula kiraan untuk kelajuan melingkar? Dalam saluran aliran, kelajuan melingkar berbeza pada jejari yang berbeza (ini boleh diperoleh mengikut formula kiraan dalam gambarajah di bawah).

Kelajuan melingkarAkhirnya, apakah sudut serangan aliran udara? Sudut serangan aliran udara adalah sudut antara aliran udara dan pernis daun relatif kepada arah kelajuan daun.

Mengambil sayap kapal terbang sebagai contoh, sudut serangan aliran udara ditunjukkan. Seterusnya, mengapa bilah mesti diputarkan dijelaskan? Oleh kerana kelajuan lilitan pada jejari yang berbeza dalam saluran aliran adalah berbeza, sudut serangan aliran udara pada tahap primitif jejari yang berbeza bervariasi dengan ketara; pada hujung bilah, disebabkan oleh jejari besar dan kelajuan lilitan besar, ia menyebabkan sudut serangan positif yang besar, yang mengakibatkan pemisahan aliran udara yang saksama di belakang bilah; pada pangkal bilah, disebabkan oleh jejari kecil dan kelajuan lilitan kecil, ia menyebabkan sudut serangan negatif yang besar, yang mengakibatkan pemisahan aliran udara yang saksama di dasar bilah.

Oleh itu, untuk bilah lurus, kecuali bagi sebahagian terdekat diameter tengah yang masih boleh berfungsi, bahagian lain akan menghasilkan pemisahan aliran udara yang serius, iaitu, kecekapan sebuah pengompres atau turbin yang bekerja dengan bilah lurus adalah sangat buruk, dan mungkin malah mencapai titik di mana ia tidak dapat beroperasi sama sekali. Inilah sebabnya bilah-bilah tersebut mesti diputarkan.

3.Sejarah Perkembangan

Sebagai kuasa enjin pesawat terus meningkat, ia dicapai dengan meningkatkan suhu masukan kompresor, yang memerlukan penggunaan bilah canggih dengan ketahanan suhu semakin tinggi. Selain itu, persekitaran kerja bagi bilah bahagian panas juga berada dalam keadaan ekstrem iaitu tekanan tinggi, bebanan tinggi, getaran tinggi, dan kerosakan tinggi, maka bilah-bilah ini diperlukan untuk mempunyai prestasi keseluruhan yang sangat tinggi. Ini memerlukan bilah-bilah tersebut dibuat daripada bahan keluli khas (keluli suhu tinggi) dan proses pembuatan khas (pengekalan tepat ditambah pepejal arah) untuk membuat struktur matriks khas (struktur kristal tunggal) untuk memenuhi keperluan sebaik mungkin.

Bilah turbin berlubang kristal tunggal yang kompleks telah menjadi teknologi inti enjin dengan nisbah dorongan-ke-bobot yang tinggi pada masa kini. Penyelidikan dan penggunaan bahan keluli kristal tunggal terperinci serta munculnya teknologi pembuatan bilah kristal tunggal dua dinding ultra-dingin telah membolehkan teknologi persiapan kristal tunggal memainkan peranan utama dalam enjin penerbangan tentera dan perniagaan yang paling canggih hari ini. Pada masa kini, bilah kristal tunggal tidak hanya dipasang pada semua enjin penerbangan moden, tetapi juga semakin digunakan dalam turbin gas berat.

Alloy kristal tunggal adalah jenis bahan bilah enjin lanjutan yang dikembangkan berdasarkan kristal eutaksik dan kristal kolom arah. Sejak awal 1980-an, jenerasi pertama alloy kristal tunggal seperti PWA1480 dan ReneN4 telah digunakan secara meluas dalam pelbagai enjin kapal terbang. Pada akhir 1980-an, jenerasi kedua bilah alloy kristal tunggal yang diwakili oleh PWA1484 dan ReneN5 juga digunakan secara meluas dalam enjin kapal terbang canggih seperti CFM56, F100, F110, dan PW4000. Kini, jenerasi kedua alloy kristal tunggal di Amerika Syarikat telah matang dan digunakan secara meluas dalam enjin kapal terbang tentera dan awam.

Berdibandingkan dengan aloi kristal tunggal generasi pertama, aloi kristal tunggal generasi kedua yang diwakili oleh PWA1484 dari PW, CMSX-4 dari RR, dan Rene'N5 dari GE telah meningkatkan suhu operasi mereka sebanyak 30°C dengan menambahkan 3% rhenium dan secara sesuai meningkatkan kandungan molibdenum, mencapai keseimbangan yang baik antara kekuatan dan perlawanan terhadap oksidasi dan kerosakan.

Dalam aloi kristal tunggal ketiga Rene N6 dan CMSX-10, komposisi aloi dioptimalkan dalam satu langkah, jumlah keseluruhan unsur tidak larut dengan jejari atom besar ditingkatkan, terutamanya penambahan lebih daripada 5wt% rhenium, yang secara signifikan meningkatkan kekuatan merayap pada suhu tinggi, hayat daya tahan alat pada 1150 lebih daripada 150 jam, jauh lebih lama berbanding hayat aloi kristal tunggal generasi pertama yang hanya tentang 10 jam, dan ia juga mempunyai perlawanan lelah termal, oksidasi dan kerosakan termal yang kuat.

Amerika Syarikat dan Jepun secara berturutan telah mengembangkan jenerasi keempat aliran tunggal. Dengan menambahkan rutenium, kestabilan mikrostruktur aliran telah ditingkatkan lagi, dan kekuatan merayap pada pendedahan suhu tinggi dalam tempoh panjang telah meningkat. Tempoh tahanannya pada 1100 ℃ adalah sepuluh kali lebih tinggi berbanding aliran tunggal generasi kedua, dan suhu operasi telah mencapai 1200 ℃. Komposisi aliran tunggal jenerasi yang sama ditunjukkan di bawah.

4.Bahan asas bilah dan teknologi pembuatan

Bilah keluli suhu tinggi yang terpencil

Pembangunan keluli suhu tinggi yang boleh dipersempit mempunyai sejarah lebih 50 tahun. Keluli suhu tinggi yang biasa digunakan untuk bilah enjin kapal terbang dalam negara disenaraikan dalam Jadual 1. Dengan peningkatan kandungan aluminium, titanium, tungsten dan molibdenum dalam keluli suhu tinggi, sifat bahan terus membaik, tetapi prestasi penerjaan panas berkurang; selepas menambah unsur keluli campuran yang mahal, kobalt, prestasi komprehensif bahan boleh ditingkatkan dan kestabilan struktur suhu tinggi boleh ditingkatkan.

Bilah adalah bahagian utama enjin kapal terbang, dan jumlah pengeluarannya menyumbang kira-kira 30% daripada jumlah pengeluaran enjin keseluruhan.
Bilah enjin kapal terbang adalah bahagian dinding nipis yang mudah terubah bentuk. Bagaimana untuk mengawal perubahan bentuk mereka dan memprosesnya dengan cekap dan berkualiti adalah salah satu topik penyelidikan penting dalam industri pembuatan bilah.

Dengan munculnya mesin CNC berprestasi tinggi, proses pembuatan bilah turbin juga telah mengalami perubahan besar. Bilah yang diproses menggunakan teknologi pemachinan CNC presisi memiliki ketepatan tinggi dan siklus pembuatan yang pendek, umumnya 6 hingga 12 bulan di China (pemachinan setengah akhir); dan 3 hingga 6 bulan di luar negara (pemachinan tanpa sisa).