Grunnleggende kunnskap om flymotorblader (1)

1.Innføring i turbineyter

Komponenten med de verste arbeidsbetingelsene i turbinsmotoren er også den viktigste roterende komponenten. I de varme endekomponentene i flymotorer blir turbinbladene utsatt for høytemperaturgasserosjon og temperaturendringer under motorens start- og nedkølingscykler, mens rotorbladene blir utsatt for sentrifugalkraft ved høy hastighet. Materialet må ha tilstrekkelig høytemperaturspenning, utslittningsstyrke, krypestyrke, samt god treppelstyrke, oksidasjonsmotstand, gasskorrosjonsmotstand og passende plastisitet. I tillegg kreves det langevarig organisatorisk stabilitet, god kraftstyrke, gjutbarhet og lav tetthet.

Inngangstemperaturen for avanserte flymotorer når 1380℃ og driften når 226KN. Turbinbladene er utsatt for aerodynamiske og sentrifugalkrefter, med bladene som bærer en trekkspenning på omtrent 140MPa; bladeroten bærer en gjennomsnittlig spenning på 280~560MPa, og det tilhørende bladkroppen har en temperatur på 650~980℃, mens bladeroten er omkring 760℃.

Ytnivået til turbinbladene (spesielt temperaturen de kan bære) har blitt en viktig indikator for hvor avansert et motormodell er. På en vis måte avgjør castingsprosessen av fremtidige motorblad direkte ytelsen til motoren og er også en betydelig markør for et nasjons luftfartsnivå.

2.Bladeformdesign

Ettersom det er mange blade, hvis de designes til å være rette og regelmessige former, kan mye av bearbeidingsteknologi reduseres, designsvanskeligheten kan senkes, og mye kostnad kan sparet. Likevel er de fleste bladene krutt og krummet.

La meg først introdusere noen grunnleggende begreper om blader.

Først, hva er en løper? Under vises to typiske løpediagrammer.

Kompressordiagram over strømveis

Turbinstrømveisdiagram
Andre, hva er beregningsformelen for sirkulær hastighet? I strømveien er sirkulær hastighet ulik på ulike radius (dette kan beregnes etter formelen i figuren under).

Sirkulær hastighet Til slutt, hva er angrepsvinkelen til luftstrømmen? Angrepsvinkelen til luftstrømmen er vinkelen mellom luftstrømmen og bladkorda i forhold til bladhastighetsretningen.

Med flyplanets ving som et eksempel, vises angrepsvinkelen av luftstrømmen. Deretter forklarers hvorfor blaaden må være dreid? Ettersom omkretshastigheten på ulike radius i strømningskanalen er forskjellig, varierer angrepsvinkelen av luftstrømmen på ulike radiusnivåer kraftig; ved toppen av blaaden, på grunn av den store radiusen og den høye omkretshastigheten, fører dette til en stor positiv angrepsvinkel, som forårsaker alvorlig luftstrømningsskilning på bakken av blaaden; ved rotten av blaaden, på grunn av den lille radiusen og den lave omkretshastigheten, fører dette til en stor negativ angrepsvinkel, som forårsaker alvorlig luftstrømningsskilning i basen av blaaden.

Derfor, for rette blader, unntatt en del av den nærmeste midtdiameteren som fortsatt kan fungere, vil resten av delene produsere alvorlig luftstrømsskilning, det vil si at effektiviteten til en kompressor eller turbine som fungerer med rette blader er ekstremt lav, og kan til og med nå et punkt der den ikke kan operere overhodet. Dette er grunnen til at bladene må vres.

3.Utviklingshistorie

Da kraften i flymotorer fortsetter å øke, oppnås dette ved å øke inlettemperaturen til kompressoren, noe som krever bruk av avanserte blader med stadig høyere temperaturmotstand. I tillegg til høytemperaturbetingelser er arbeidsmiljøet for varmeendebladene også i en ekstrem tilstand med høy trykk, høy last, høy vibrasjon og høy korrosjon, så bladene må ha ytterst høy samlet yteevne. Dette krever at bladene lages av spesiallegerede materialer (høytemperaturlagger) og spesielle fremstillingsprosesser (presisjonsformgjengning pluss rettveisfastsetting) for å lage spesielle matrisestrukturer (enkristallsstrukturer) for å møte behovene i størst mulig grad.

Komplekse enkristallhulle turbineblader har blitt kjernen i den nåværende teknologien for motoryter med høy trykk-kraftforhold. Det er forskning og bruk av avanserte enkristalllegemestoffer, samt oppkomsten av dubbelveggsteknologi for ultra-luftkjølte enkristallblader, som har gjort at enkristallforberedningsteknikken spiller en avgjørende rolle i dagens mest avanserte militære og sivile luftfartsmotoryter. I dag er enkristallbladene ikke bare installert på alle avanserte flymotorer, men de brukes også økt i tunge gassrør.

Enkeltkristall superlegemer er en type avansert motorturbinsmaterial utviklet på grunnlaget av likestørrelsestallkristaller og retningssøyekristaller. Fra begynnelsen av 1980-tallet har de første generasjonene av enkeltkristall superlegemer, som PWA1480 og ReneN4, blitt brukt i en rekke flymotorer. I slutten av 1980-tallet ble andre generasjonens enkeltkristall superlegemer, representert av PWA1484 og ReneN5, også brukt i avanserte flymotorer som CFM56, F100, F110 og PW4000. I dag har andre generasjonens enkeltkristall superlegemer i USA nådd en høy grad av modenhet og blir brukt i både militære og sivile flymotorer.

I forhold til de første generasjons enkristalllegemer, har andre-generasjons enkristalllegemer, representert av PW's PWA1484, RR's CMSX-4 og GE's Rene'N5, økt driftstemperaturen med 30°C ved å legge til 3% rhenium og hensiktsmessig øke molybdeninnholdet, oppnådde dermed en god balanse mellom styrke og motstand mot oksidering og korrosjon.

I tredje generasjon enkristalllegemer som Rene N6 og CMSX-10, er legemetsammensetningen optimert i ett trinn, totalinndragsstoffet av uoppløselige elementer med stor atomradius er økt, spesielt ved å legge til mer enn 5v% rhenium, som betydelig forbedrer høytemperaturspenning under kryping. Denne alliens utdragslengde på 1150 grader er større enn 150 timer, noe som er mye lenger enn den første generasjonen enkristallallians livstid på om lag 10 timer, og det har også høy temperaturmotstand mot termisk utmating, oksidering og termisk korrosjon.

USA og Japan har etter hvert utviklet den fjerde generasjonen av enkristalllegemer. Ved å legge til rutensium har stabilheten til mikrostrukturen blitt enda forbedret, og krypefastheten under langtidsopphold på høy temperatur har økt. Dets utholdelseslengde på 1100 ℃ er ti ganger høyere enn den andre enkristalllegemet, og driftstemperaturen har nådd 1200 ℃. Den enkristallkomposisjonen av samme generasjon vises nedenfor.

4.Bladebasemateriale og fremstillings teknologi

Forvansket høytemperaturspenn

Utviklingen av deformerbare høytemperaturlegemer har en historie på mer enn 50 år. De vanligbrukte deformerbare høytemperaturlegemene for flymotorblader i hjemlandet vises i tabell 1. Med økningen av aluminium, titan, wolfram og molibdeninnhold i høytemperaturlegemene, forbedres materialeegenskapene kontinuerlig, men varm arbeidsprestasjonen minsker; etter å ha lagt til det dyre legemetallelementet kobolt, kan den generelle prestasjonen til materialet forbedres og stabiliseringen av høytemperaturstrukturen kan forbedres.

Blader er nøkkelkomponenter i flymotorer, og deres produksjonsvolum utgjør omtrent 30% av totalt motortilbakeproduksjonsvolum.
Flymotorblader er tyndveggede og lett deformerte deler. Å kontrollere deres deformasjon og behandle dem effektivt og med høy kvalitet er ett av de viktige forskningsemne i bladeproduktionsindustrien.

Med oppkomsten av høy ytelse CNC maskinverktøy har fremstillingsprosessen for turbineblader også gjennomgått store endringer. Blader som behandles ved bruk av nøyaktig CNC-maskineringsteknologi har høy presisjon og korte fremstillingscykler, vanligvis 6 til 12 måneder i Kina (halv-finisjonsmaskinering); og 3 til 6 måneder utlandet (uten restmaskinering).