Naarmate de prestatievereisten voor vliegtuigen voor transport, militaire doeleinden, productie en andere doeleinden toenamen, konden de eerste zuigermotoren niet langer voldoen aan de behoeften van hogesnelheidsvluchten. Daarom zijn gasturbinemotoren sinds de jaren 1950 geleidelijk mainstream geworden.
In 1928 wees Sir Frank Whittle uit het Verenigd Koninkrijk in zijn afstudeerscriptie "Future Development in Aircraft Design" tijdens zijn studie aan de militaire academie erop dat onder de technische kennis van die tijd, de toekomstige ontwikkeling van propellermotoren niet kon worden aangepast aan de behoeften van grote hoogte of vliegsnelheden van meer dan 800 km/u. Hij stelde als eerste het concept voor van wat nu een straalmotor (motor) wordt genoemd: samengeperste lucht wordt via een traditionele zuiger naar de verbrandingskamer (verbranding) gevoerd en het gegenereerde gas met hoge temperatuur wordt direct gebruikt om de vlucht voort te stuwen, wat kan worden beschouwd als een ontwerp van een propellermotor plus een verbrandingskamer. In later onderzoek liet hij het idee varen om een zware en inefficiënte zuiger te gebruiken en stelde hij voor om een turbine (turbine) te gebruiken om samengeperste lucht naar de verbrandingskamer te voeren, en het vermogen van de turbine werd verkregen uit het uitlaatgas met hoge temperatuur. In 1930 vroeg Whittle patent aan en in 1937 ontwikkelde hij de eerste centrifugaalturbinemotor ter wereld, die in 28 officieel werd gebruikt in het Gloster E.39/1941-vliegtuig. Sindsdien domineren gasturbines de luchtvaart en zijn ze een belangrijk symbool van het wetenschappelijke en technologische industriële niveau en de algehele nationale kracht van een land.
Vliegtuigmotoren kunnen worden onderverdeeld in vier basistypen, afhankelijk van hun gebruik en structurele kenmerken: turbojetmotoren, turbofanmotoren, turboshaftmotoren en turbopropmotoren:
Luchtvaartgasturbinemotoren worden turbojetmotoren genoemd, de eerste gasturbinemotoren die werden gebruikt. Vanuit het perspectief van de manier waarop stuwkracht wordt gegenereerd, zijn turbojetmotoren de eenvoudigste en meest directe motoren. De redenering is gebaseerd op de reactiekracht die wordt gegenereerd door de hogesnelheidsinjectie van de vortex. De hogesnelheidsluchtstroom neemt echter tegelijkertijd veel warmte en kinetische energie weg, wat een groot energieverlies veroorzaakt.
De turbofanmotor verdeelt de lucht die de motor binnenstroomt in twee paden: het binnenste kanaal en het buitenste kanaal. Hierdoor wordt de totale luchtstroom vergroot en worden de uitlaattemperatuur en de snelheid van de luchtstroom door het binnenste kanaal verlaagd.
Turboshaft- en turbopropmotoren genereren geen stuwkracht door luchtstroominjectie, dus de uitlaattemperatuur en -snelheid worden sterk verminderd, de thermische efficiëntie is relatief hoog en het brandstofverbruik van de motor is laag, wat geschikt is voor langeafstandsvliegtuigen. De snelheid van de propeller verandert over het algemeen niet en verschillende stuwkrachten worden verkregen door de bladhoek aan te passen.
De propfan-motor is een motor tussen turboprop- en turbofanmotoren. Hij kan worden onderverdeeld in propfanmotoren met geleide propellerbehuizingen en propfanmotoren zonder geleide propellerbehuizingen. De propfan-motor is de meest competitieve nieuwe energiebesparende motor die geschikt is voor subsonische vluchten.
Civiele lucht- en ruimtevaartmotoren hebben meer dan een halve eeuw aan ontwikkeling doorgemaakt. De structuur van de motor is geëvolueerd van de vroege centrifugaalturbinemotor naar de enkelrotor axiale stromingsmotor, van de dubbelrotor turbojetmotor naar de lage bypass-ratio turbofanmotor en vervolgens naar de hoge bypass-ratio turbofanmotor. De structuur is continu geoptimaliseerd met het oog op efficiëntie en betrouwbaarheid. De turbine-inlaattemperatuur was slechts 1200-1300K in de eerste generatie turbojetmotoren in de jaren 1940 en 1950. Deze steeg met ongeveer 200K bij elke vliegtuigupgrade. In de jaren 1980 bereikte de turbine-inlaattemperatuur van de vierde generatie geavanceerde straaljagers 1800-2000K[1].
Het principe van de centrifugaalluchtcompressor is dat de waaier het gas met hoge snelheid laat roteren, zodat het gas centrifugale kracht genereert. Door de expansiedrukstroom van het gas in de waaier worden de stroomsnelheid en druk van het gas na het passeren van de waaier verhoogd en wordt er continu perslucht geproduceerd. Het heeft een korte axiale afmeting en een hoge enkelvoudige drukverhouding. Axiale luchtcompressor is een compressor waarin de luchtstroom in principe parallel aan de as van de roterende waaier stroomt. De axiale stromingscompressor bestaat uit meerdere fasen, elke fase bevat een rij rotorbladen en een daaropvolgende rij statorbladen. De rotor is de werkende bladen en het wiel, en de stator is de geleider. De lucht wordt eerst versneld door de rotorbladen, vertraagd en gecomprimeerd in het statorbladkanaal, en herhaald in de meervoudige bladen totdat de totale drukverhouding het vereiste niveau bereikt. De axiale stromingscompressor heeft een kleine diameter, wat handig is voor meervoudig tandemgebruik om een hogere drukverhouding te verkrijgen.
Turbofanmotoren gebruiken doorgaans de bypass-verhouding, de motordrukverhouding, de turbine-inlaattemperatuur en de ventilatordrukverhouding als ontwerpparameters:
Bypass ratio (BPR): De verhouding van de massa gas die door de uitlaatkanalen stroomt tot de massa gas die door de binnenkanalen in de motor stroomt. De rotor aan de voorkant van een turbojetmotor wordt meestal de lagedrukcompressor genoemd, en de rotor aan de voorkant van een turbofanmotor wordt meestal de fan genoemd. Het onder druk staande gas dat door de lagedrukcompressor gaat, passeert alle onderdelen van de turbojetmotor; het gas dat door de fan gaat, wordt verdeeld in de binnen- en buitenkanalen. Sinds de opkomst van turbofanmotoren is de BPR toegenomen, en deze trend is met name zichtbaar bij civiele turbofanmotoren.
Motor-drukverhouding (EPR): De verhouding tussen de totale druk bij de uitlaat van het mondstuk en de totale druk bij de inlaat van de compressor.
Turbine-inlaattemperatuur: De temperatuur van de uitlaatgassen van de verbrandingskamer wanneer deze de turbine binnenkomen.
Compressieverhouding van de ventilator: Ook wel compressieverhouding genoemd, de verhouding tussen de gasdruk bij de uitlaat van de compressor en de gasdruk bij de inlaat.
Twee efficiëntieverbeteringen:
Thermische efficiëntie: Een maatstaf voor hoe efficiënt een motor de warmte-energie die vrijkomt bij verbranding omzet in mechanische energie.
Voortstuwingsrendement: Een maatstaf voor het deel van de mechanische energie die door de motor wordt gegenereerd en dat wordt gebruikt om het vliegtuig voort te stuwen.
In de jaren zeventig waren de Verenigde Staten de eerste landen die de PWA1970 directionele stollingsbladen in militaire en civiele vliegtuigmotoren gebruikten.
Na de jaren 1980 nam de stuwkracht-gewichtsverhouding van de derde generatie motor toe tot meer dan 8, en de turbinebladen begonnen de eerste generatie SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 en China's DD3 te gebruiken. Het temperatuurdragende vermogen is 80K hoger dan dat van de beste directionele stollingsgietlegering PWA1422. Voordelen. In combinatie met de filmkoeling enkelkanaals holle technologie bereikt de bedrijfstemperatuur van de turbinebladen 1600-1750K. .
De turbofanmotor van de vierde generatie gebruikt de tweede generatie SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 en DD6. Door Re-elementen en multi-channel hogedrukluchtkoeltechnologie toe te voegen, bereikt de bedrijfstemperatuur van de turbinebladen 1800K-2000K. Bij 2000K en 100h bereikt de blijvende sterkte 140MPa.
De derde generatie SX die na de jaren 1990 is ontwikkeld, omvat RenéN6, CMRX-10 en DD9, die zeer duidelijke voordelen hebben op het gebied van kruipsterkte ten opzichte van de tweede generatie SX. Onder de bescherming van complexe koelkanalen en thermische barrièrecoatings bereikt de turbine-inlaattemperatuur die het kan weerstaan 3000K. De intermetallische verbindingslegering die in de bladen wordt gebruikt, bereikt 2200K en de 100h-duursterkte bereikt 100MPa.
Momenteel in ontwikkeling zijn de vierde generatie SX vertegenwoordigd door MC-NG[4], TMS-138, enz., en de vijfde generatie SX vertegenwoordigd door TMS-162, enz. De samenstelling ervan wordt gekenmerkt door de toevoeging van nieuwe zeldzame aardelementen zoals Ru en Pt, wat de hogetemperatuurkruipprestaties van SX aanzienlijk verbetert. De werktemperatuur van de vijfde generatie hogetemperatuurlegering heeft 1150°C bereikt, wat dicht bij de theoretische limietbedrijfstemperatuur van 1226°C ligt.
3.1 Samenstellingskenmerken en fasesamenstelling van op nikkel gebaseerde monokristallijne superlegeringen
Afhankelijk van het type matrixelementen kunnen hogetemperatuurlegeringen worden onderverdeeld in ijzer-, nikkel- en kobaltgebaseerde legeringen, en verder onderverdeeld in giet-, smeed- en poedermetallurgie-macrostructuren. Nikkelgebaseerde legeringen hebben betere hogetemperatuurprestaties dan de andere twee typen hogetemperatuurlegeringen en kunnen lange tijd werken in zware omgevingen met hoge temperaturen.
Nikkelgebaseerde hogetemperatuurlegeringen bevatten ten minste 50% Ni. Hun FCC-structuur maakt ze zeer compatibel met sommige legeringselementen. Het aantal legeringselementen dat tijdens het ontwerpproces wordt toegevoegd, overschrijdt vaak 10. De gemeenschappelijkheid van de toegevoegde legeringselementen wordt als volgt geclassificeerd: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo en W zijn eersteklas elementen, die dienen als austenietstabiliserende elementen; (2) Al, Ti, Ta en Nb hebben grotere atoomstralen, die de vorming van versterkende fasen zoals samengesteld Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) bevorderen en zijn tweedeklasse-elementen; (3) B, C en Zr zijn derdeklasse-elementen. Hun atomaire grootte is veel kleiner dan die van Ni-atomen en ze worden gemakkelijk gescheiden naar de korrelgrenzen van de γ-fase, waarbij ze een rol spelen bij het versterken van de korrelgrenzen [14].
De fasen van op nikkel gebaseerde monokristallijne hogetemperatuurlegeringen zijn voornamelijk: γ-fase, γ'-fase, carbidefase en topologische dichtgepakte fase (TCP-fase).
γ-fase: De γ-fase is een austenietfase met een kristalstructuur van FCC, een vaste oplossing gevormd door elementen zoals Cr, Mo, Co, W en Re opgelost in nikkel.
γ'-fase: de γ'-fase is een Ni3(Al, Ti)-intermetallische verbinding van FCC, die wordt gevormd als een neerslagfase en een bepaalde samenhang en mismatch met de matrixfase behoudt, en rijk is aan Al, Ti, Ta en andere elementen.
Carbidefase: Vanaf de tweede generatie nikkelgebaseerde SX wordt een kleine hoeveelheid C toegevoegd, wat resulteert in het verschijnen van carbiden. Een kleine hoeveelheid carbiden wordt verspreid in de matrix, wat de hogetemperatuurprestaties van de legering tot op zekere hoogte verbetert. Het wordt over het algemeen verdeeld in drie typen: MC, M23C6 en M6C.
TCP-fase: In het geval van serviceveroudering bevorderen overmatige vuurvaste elementen zoals Cr, Mo, W en Re de neerslag van TCP-fase. TCP wordt meestal gevormd in de vorm van een plaat. De plaatstructuur heeft een negatieve invloed op de ductiliteit, kruip en vermoeidheidseigenschappen. TCP-fase is een van de scheurbronnen van kruipbreuk.
Versterkingsmechanisme
De sterkte van superlegeringen op nikkelbasis komt voort uit de combinatie van meerdere verhardingsmechanismen, waaronder versterking door vaste oplossing, versterking door neerslag en warmtebehandeling om de dislocatiedichtheid te vergroten en een dislocatiesubstructuur te ontwikkelen voor versterking.
Bij het verharden met vaste oplossing wordt de basissterkte verbeterd door verschillende oplosbare elementen toe te voegen, waaronder Cr, W, Co, Mo, Re en Ru.
De verschillende atomaire stralen leiden tot een bepaalde mate van atomaire roostervervorming, wat dislocatiebeweging remt. De versterking van vaste oplossingen neemt toe met de toename van het atomaire grootteverschil.
Het versterken van vaste oplossingen zorgt er ook voor dat de stapelfoutenergie (SFE) wordt verlaagd, wat vooral de dislocatie-kruisslip verhindert, wat de belangrijkste vervormingsmodus is van niet-ideale kristallen bij hoge temperaturen.
Atomaire clusters of microstructuren met een korte-afstandsorde zijn een ander mechanisme dat helpt om versterking te verkrijgen door middel van vaste oplossing. Re-atomen in SX segregeren in het trekspanningsgebied van de dislocatiekern op de γ/γ'-interface, waardoor een "Cottrell-atmosfeer" wordt gevormd, die effectief dislocatiebeweging en scheurvoortplanting voorkomt. (Opgeloste atomen zijn geconcentreerd in het trekspanningsgebied van randdislocaties, waardoor roostervervorming wordt verminderd, een Coriolis-gasstructuur wordt gevormd en een sterk versterkend effect van vaste oplossing ontstaat. Het effect neemt toe met de toename van de concentratie opgeloste atomen en de toename van het grootteverschil)
Re, W, Mo, Ru, Cr en Co versterken effectief de γ-fase. De vaste oplossingsversterking van de γ-matrix speelt een uiterst belangrijke rol in de kruipsterkte van nikkelgebaseerde hogetemperatuurlegeringen.
Het neerslagverhardingseffect wordt beïnvloed door de volumefractie en de grootte van de γ'-fase. Het doel van het optimaliseren van de samenstelling van hogetemperatuurlegeringen is voornamelijk om de volumefractie van de γ'-fase te vergroten en de mechanische eigenschappen te verbeteren. SX-hogetemperatuurlegeringen kunnen 65%-75% van de γ'-fase bevatten, wat resulteert in een goede kruipsterkte. Dit vertegenwoordigt de bruikbare maximale waarde van het versterkende effect van de γ/γ'-interface, en verdere toename zal leiden tot een aanzienlijke afname van de sterkte. De kruipsterkte van hogetemperatuurlegeringen met een hoge γ'-fasevolumefractie wordt beïnvloed door de grootte van de γ'-fasedeeltjes. Wanneer de γ'-fasegrootte klein is, hebben dislocaties de neiging om eromheen te klimmen, wat resulteert in een afname van de kruipsterkte. Wanneer dislocaties gedwongen worden om de γ'-fase te snijden, bereikt de kruipsterkte zijn maximum. Naarmate de γ'-fasedeeltjes groter worden, hebben dislocaties de neiging om ertussen te buigen, wat resulteert in een afname van de kruipsterkte [14].
Er zijn drie belangrijke mechanismen die de neerslag versterken:
Versterking van roostermismatch: γ'-fase wordt op coherente wijze verspreid en neergeslagen in de γ-fasematrix. Beide zijn FCC-structuren. De roostermismatch weerspiegelt de stabiliteit en spanningstoestand van de coherente interface tussen de twee fasen. Het beste geval is dat de matrix en de neergeslagen fase dezelfde kristalstructuur en roosterparameters van dezelfde geometrie hebben, zodat er meer neergeslagen fasen in de γ-fase kunnen worden opgevuld. Het mismatchbereik van nikkelgebaseerde hogetemperatuurlegeringen is 0~±1%. Re en Ru zijn duidelijk gescheiden met de γ-fase. De toename van Re en Ru vergroot de roostermismatch.
Versterking van de orde: Dislocatiesnijden zal wanorde veroorzaken tussen de matrix en de neergeslagen fase, wat meer energie vereist
Dislocatie bypass mechanisme: genaamd Orowan mechanisme (Orowan bowing), het is een versterkend mechanisme waarbij de neergeslagen fase in de metaalmatrix de dislocatie in beweging verhindert om door te bewegen. Basisprincipe: Wanneer de bewegende dislocatie een deeltje tegenkomt, kan het er niet doorheen, wat resulteert in omzeilend gedrag, dislocatielijngroei en de vereiste drijvende kracht neemt toe, wat resulteert in versterkend effect.
3.3 Ontwikkeling van gietmethoden voor hogetemperatuurlegeringen
De vroegste legering die in omgevingen met hoge temperaturen werd gebruikt, kan worden herleid tot de uitvinding van Nichrome in 1906. De opkomst van turbocompressoren en gasturbinemotoren stimuleerde de substantiële ontwikkeling van hogetemperatuurlegeringen. De bladen van de eerste generatie gasturbinemotoren werden geproduceerd door extrusie en smeden, wat duidelijk de beperkingen van die tijd had. Tegenwoordig worden turbinebladen van hogetemperatuurlegeringen meestal gemaakt door middel van precisiegieten, met name gerichte stolling (DS). De DS-methode werd voor het eerst uitgevonden door het Versnyder-team van Pratt & Whitney in de Verenigde Staten in de jaren 1970 [3]. In de decennia van ontwikkeling is het voorkeursmateriaal voor turbinebladen veranderd van equiaxiale kristallen naar kolomvormige kristallen, en vervolgens geoptimaliseerd tot monokristallijne hogetemperatuurlegeringmaterialen.
DS-technologie wordt gebruikt om kolomvormige kernlegering SX-componenten te produceren, wat de ductiliteit en thermische schokbestendigheid van hogetemperatuurlegeringen aanzienlijk verbetert. DS-technologie zorgt ervoor dat de geproduceerde kolomvormige kristallen een [001]-oriëntatie hebben, die parallel is aan de hoofdspanningsas van het onderdeel, in plaats van een willekeurige kristaloriëntatie. In principe moet DS ervoor zorgen dat de stolling van het gesmolten metaal in het gietstuk wordt uitgevoerd met het vloeibare toevoermetaal altijd in een net gestolde toestand.
Bij het gieten van zuilvormige kristallen moet aan twee voorwaarden worden voldaan: (1) Eenrichtingswarmtestroom zorgt ervoor dat de vaste stof-vloeistofgrensvlak bij het groeipunt van het korreltje in één richting beweegt; (2) Er mag geen nucleatie plaatsvinden vóór de bewegingsrichting van het vaste stof-vloeistofgrensvlak.
Omdat de breuk van het blad gewoonlijk optreedt in de zwakke structuur van de korrelgrens bij hoge temperaturen, wordt er tijdens het directionele stollingsproces een stollingsmal met een "korrelselector"-structuur gebruikt om de korrelgrens te elimineren. De dwarsdoorsnede van deze structuur ligt dicht bij de korrelgrootte, zodat slechts één optimaal gegroeide korrel de malholte van het gietstuk binnenkomt en vervolgens blijft groeien in de vorm van een enkel kristal totdat het hele blad uit slechts één korrel bestaat.
De kristalselector kan in twee delen worden verdeeld: het startblok en de spiraal:
Aan het begin van het DS-proces beginnen de korrels te nucleëren aan de onderkant van het startblok. In het vroege stadium van de korrelgroei is het aantal groot, de grootte klein en het oriëntatieverschil groot. Het concurrerende groeigedrag tussen de korrels domineert en het geometrische blokkeringseffect van de zijwand is zwak. Op dit moment is het oriëntatie-optimalisatie-effect duidelijk; wanneer de hoogte van de korrels in het startblok toeneemt, neemt het aantal korrels af, neemt de grootte toe en is de oriëntatie dichtbij. Het concurrerende groeigedrag tussen de korrels neemt af en het geometrische blokkeringseffect van de zijwand domineert, waardoor de kristalrichting continu kan worden geoptimaliseerd, maar het oriëntatie-optimalisatie-effect wordt verzwakt. Door de straal van het startblok te verkleinen en de hoogte van het startblok te vergroten, kan de oriëntatie van de korrels die de spiraalsectie binnenkomen effectief worden geoptimaliseerd. Het vergroten van de lengte van het startblok zal echter de effectieve groeiruimte van het gietstuk verkorten en u een productiecyclus en voorbereidingskosten opleveren. Daarom is het noodzakelijk om de geometrische structuur van het substraat redelijk te ontwerpen.
De belangrijkste functie van de spiraal is om efficiënt enkele kristallen te selecteren, en het vermogen om de korreloriëntatie te optimaliseren is zwak. Wanneer het DS-proces in een spiraal wordt uitgevoerd, biedt het gebogen kanaal ruimte voor de groei van dendriettakken, en de secundaire dendrieten van de korrels bewegen zich voort in de richting van de liquiduslijn. De korrels hebben een sterke laterale ontwikkelingstrend, en de oriëntatie van de korrels bevindt zich in een fluctuerende toestand, met een zwak optimalisatie-effect. Daarom hangt de selectie van korrels in de spiraal voornamelijk af van het geometrische beperkingsvoordeel, het concurrentiegroeivoordeel en het ruimtelijke expansievoordeel van de korrels in het spiraalsegment [7], in plaats van het groeivoordeel van de voorkeursoriëntatie van de korrels, die een sterke willekeur heeft [6]. Daarom is de belangrijkste reden voor het falen van kristalselectie dat de spiraal niet de rol van enkelvoudige kristalselectie speelt. Door de buitendiameter van de spiraal te vergroten, de spoed, de diameter van het spiraaloppervlak te verkleinen en de starthoek te verkleinen, kan het kristalselectie-effect aanzienlijk worden verbeterd.
De voorbereiding van holle monokristal turbinebladen vereist meer dan een dozijn stappen (smelten van de hoofdlegering, voorbereiding van de monokristal membraanmantel, voorbereiding van de complexe configuratie keramische kern, smeltgieten, gerichte stolling, warmtebehandeling, oppervlaktebehandeling, voorbereiding van thermische barrièrecoating, enz.). Het complexe proces is gevoelig voor verschillende defecten, zoals verdwaalde korrels, sproeten, kleine hoekige korrelgrenzen, streepkristallen, oriëntatieafwijking, herkristallisatie, grote hoekige korrelgrenzen en falen van de kristalselectie.
2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Ons professionele verkoopteam wacht op uw consultatie.