Ettersom ytelseskravene til fly for transport, militære, produksjons- og andre formål økte, kunne de tidligste stempelmotorene ikke lenger møte behovene til høyhastighetsflyging. Derfor, siden 1950-tallet, har gassturbinmotorer gradvis blitt mainstream.
I 1928 påpekte Sir Frank Whittle fra Storbritannia i sin avgangsavhandling "Future Development in Aircraft Design" mens han studerte ved militærakademiet at under den tekniske kunnskapen på den tiden, kunne den fremtidige utviklingen av propellmotorer ikke tilpasse seg behovene i stor høyde eller flyhastigheter over 800 km/t. Han foreslo først konseptet med det som nå kalles en jetmotor (motormotor): komprimert luft tilføres forbrenningskammeret (forbrenning) gjennom et tradisjonelt stempel, og høytemperaturgassen som genereres brukes direkte til å drive flyvning, som kan betraktes som en propellmotor pluss en forbrenningskammerdesign. I påfølgende forskning forlot han ideen om å bruke et tungt og ineffektivt stempel og foreslo å bruke en turbin (turbin) for å gi trykkluft til forbrenningskammeret, og kraften til turbinen ble hentet fra eksosgassen med høy temperatur. I 1930 søkte Whittle om patent, og i 1937 utviklet han verdens første sentrifugale turbojetmotor, som offisielt ble brukt i Gloster E.28/39-flyet i 1941. Siden den gang har gassturbinmotorer dominert flykraft og er et viktig symbol på et lands vitenskapelige og teknologiske industrielle nivå og omfattende nasjonale styrke.
Flymotorer kan deles inn i fire grunnleggende typer i henhold til deres bruk og strukturelle egenskaper: turbojetmotorer, turbofanmotorer, turboakselmotorer og turbopropmotorer:
Gassturbinmotorer for luftfart omtales som turbojetmotorer, som er de tidligste gassturbinmotorene som brukes. Fra perspektivet av måten skyvekraften genereres på, er turbojetmotorer de enkleste og mest direkte motorene. Resonnementet er avhengig av reaksjonskraften som genereres av høyhastighetsinjeksjonen av virvelen. Den høyhastighets luftstrømmen tar imidlertid bort mye varme og kinetisk energi på samme tid, og forårsaker stort energitap.
Turbofanmotoren deler luften som strømmer inn i motoren i to baner: den indre kanalen og den ytre kanalen, noe som øker den totale luftstrømmen og reduserer eksostemperaturen og hastigheten til den indre kanalens luftstrøm.
Turboaksel- og turbopropmotorer genererer ikke skyvekraft ved luftstrøminjeksjon, så eksostemperaturen og hastigheten reduseres kraftig, den termiske effektiviteten er relativt høy og motorens drivstofforbruk er lav, noe som er egnet for langdistansefly. Hastigheten på propellen endres vanligvis ikke, og forskjellige skyvekrafter oppnås ved å justere bladvinkelen.
Propfan-motoren er en motor mellom turboprop- og turbofan-motorer. Det kan deles inn i propfanmotorer med kanalpropellhus og propfanmotorer uten kanalpropellhus. Propfan-motoren er den mest konkurransedyktige nye energibesparende motoren som er egnet for subsonisk flyvning.
Sivile romfartsmotorer har gått gjennom mer enn et halvt århundre med utvikling. Strukturen til motoren har utviklet seg fra den tidlige sentrifugalturbinmotoren til en-rotor-aksialstrømsmotoren, fra to-rotor-turbojetmotoren til turbofanmotoren med lavt bypass-forhold, og deretter til turbofanmotoren med høyt bypass-forhold. Strukturen har blitt kontinuerlig optimalisert med jakten på effektivitet og pålitelighet. Turbininnløpstemperaturen var bare 1200-1300K i den første generasjonen turbojetmotorer på 1940- og 1950-tallet. Den økte med omtrent 200 1980 med hver flyoppgradering. På 1800-tallet nådde turbininnløpstemperaturen til fjerde generasjons avanserte jagerfly 2000-1K[XNUMX].
Prinsippet for sentrifugalluftkompressor er at impelleren driver gassen til å rotere med høy hastighet, slik at gassen genererer sentrifugalkraft. På grunn av ekspansjonstrykkstrømmen til gassen i pumpehjulet økes strømningshastigheten og trykket til gassen etter å ha passert gjennom pumpehjulet, og komprimert luft produseres kontinuerlig. Den har en kort aksial dimensjon og et høyt ett-trinns trykkforhold. Aksialstrømsluftkompressor er en kompressor der luftstrømmen i hovedsak flyter parallelt med aksen til det roterende pumpehjulet. Aksialstrømskompressoren består av flere trinn, hvert trinn inneholder en rad med rotorblader og en påfølgende rad med statorblader. Rotoren er arbeidsbladene og hjulet, og statoren er guiden. Luften akselereres først av rotorbladene, bremses ned og komprimeres i statorbladkanalen, og gjentas i flertrinnsbladene til det totale trykkforholdet når det nødvendige nivået. Aksialstrømskompressoren har en liten diameter, noe som er praktisk for flertrinns tandembruk for å oppnå et høyere trykkforhold.
Turbofanmotorer bruker vanligvis bypass-forhold, motortrykkforhold, turbininnløpstemperatur og viftetrykkforhold som designparametere:
Bypass-forhold (BPR): Forholdet mellom massen av gass som strømmer gjennom utløpskanalene og massen av gass som strømmer gjennom de indre kanalene i motoren. Rotoren foran på en turbojetmotor kalles vanligvis lavtrykkskompressoren, og rotoren foran på en turbofanmotor kalles vanligvis viften. Den trykksatte gassen som passerer gjennom lavtrykkskompressoren, passerer gjennom alle deler av turbojetmotoren; gassen som passerer gjennom viften er delt inn i indre og ytre kanaler. Siden fremveksten av turbofanmotorer har BPR økt, og denne trenden er spesielt tydelig i sivile turbofanmotorer.
Motortrykkforhold (EPR): Forholdet mellom det totale trykket ved dyseutløpet og det totale trykket ved kompressorinnløpet.
Turbininnløpstemperatur: Temperaturen til forbrenningskammereksosen når den kommer inn i turbinen.
Viftekompresjonsforhold: Også referert til som kompresjonsforhold, forholdet mellom gasstrykket ved kompressorutløpet og gasstrykket ved innløpet.
To effektivitetsgevinster:
Termisk effektivitet: Et mål på hvor effektivt en motor konverterer varmeenergien som genereres ved forbrenning til mekanisk energi.
Fremdriftseffektivitet: Et mål på andelen av den mekaniske energien som genereres av motoren som brukes til å drive flyet.
På 1970-tallet var USA de første som brukte PWA1422 retningsbestemte størkningsblader i militære og sivile flymotorer.
Etter 1980-tallet økte skyvekraft-til-vekt-forholdet til tredjegenerasjonsmotoren til mer enn 8, og turbinbladene begynte å bruke førstegenerasjons SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 og Kinas DD3. Dens temperaturbærende kapasitet er 80K høyere enn for den beste retningsbestemte størkningsstøpings-høytemperaturlegeringen PWA1422. Fordeler. Sammen med filmkjølende enkanals hulteknologi, når driftstemperaturen til turbinbladene 1600-1750K. .
Fjerde generasjons turbofanmotor bruker andre generasjons SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 og DD6. Ved å legge til Re-elementer og flerkanals høytrykksluftkjølingsteknologi, når driftstemperaturen til turbinbladene 1800K-2000K. Ved 2000K og 100h Den varige styrken når 140MPa.
Tredjegenerasjons SX utviklet etter 1990-tallet inkluderer RenéN6, CMRX-10 og DD9, som har svært åpenbare krypestyrkefordeler i forhold til andregenerasjons SX. Under beskyttelse av komplekse kjølekanaler og termiske barrierebelegg når turbininnløpstemperaturen den tåler 3000K. Den intermetalliske sammensatte legeringen som brukes i bladene når 2200K, og den 100 timers varige styrken når 100MPa.
For tiden under utvikling er fjerde generasjon SX representert av MC-NG[4], TMS-138 osv., og femte generasjon SX representert av TMS-162 osv. Sammensetningen er preget av tilsetning av nye sjeldne jordartselementer som f.eks. som Ru og Pt, noe som forbedrer krypeytelsen ved høye temperaturer til SX betydelig. Arbeidstemperaturen til den femte generasjons høytemperaturlegeringen har nådd 1150 °C, som er nær den teoretiske grensen for driftstemperatur på 1226 °C.
3.1 Sammensetningsegenskaper og fasesammensetning av nikkelbaserte enkrystall-superlegeringer
I henhold til typen matriseelementer kan høytemperaturlegeringer deles inn i jernbaserte, nikkelbaserte og koboltbaserte, og videre inndeles i støping, smiing og pulvermetallurgi makrostrukturer. Nikkelbaserte legeringer har bedre høytemperaturytelse enn de to andre typene høytemperaturlegeringer og kan fungere lenge i tøffe høytemperaturmiljøer.
Nikkelbaserte høytemperaturlegeringer inneholder minst 50 % Ni. Deres FCC-struktur gjør dem svært kompatible med enkelte legeringselementer. Antall legeringselementer som legges til under designprosessen overstiger ofte 10. Fellesskapet til de tilsatte legeringselementene er klassifisert som følger: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo og W er førsteklasses elementer , som tjener som austenittstabiliserende elementer; (2) Al, Ti, Ta og Nb har større atomradius, som fremmer dannelsen av forsterkende faser som sammensatt Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), og er andreklasses elementer; (3) B, C og Zr er tredjeklasses elementer. Deres atomstørrelse er mye mindre enn Ni-atomer, og de er lett segregert til korngrensene til γ-fasen, og spiller en rolle i korngrenseforsterkning [14].
Fasene til nikkelbaserte enkrystall-høytemperaturlegeringer er hovedsakelig: γ-fase, γ'-fase, karbidfase og topologisk tettpakket fase (TCP-fase).
γ-fase: γ-fase er en austenittfase med en krystallstruktur av FCC, som er en fast løsning dannet av elementer som Cr, Mo, Co, W og Re oppløst i nikkel.
γ'-fase: γ'-fasen er en Ni3(Al, Ti) intermetallisk forbindelse av FCC, som dannes som en utfellingsfase og opprettholder en viss koherens og mismatch med matriksfasen, og er rik på Al, Ti, Ta og andre elementer.
Karbidfase: Fra og med andre generasjon nikkelbaserte SX tilsettes en liten mengde C, noe som resulterer i utseendet av karbider. En liten mengde karbider er spredt i matrisen, noe som forbedrer høytemperaturytelsen til legeringen til en viss grad. Den er generelt delt inn i tre typer: MC, M23C6 og M6C.
TCP-fase: Ved tjenestealdring fremmer overdreven ildfaste elementer som Cr, Mo, W og Re utfellingen av TCP-fasen. TCP er vanligvis dannet i form av en plate. Platestrukturen har en negativ innvirkning på duktilitet, kryp og utmattingsegenskaper. TCP-fasen er en av sprekkkildene til krypbrudd.
Forsterkende mekanisme
Styrken til nikkelbaserte superlegeringer kommer fra koblingen av flere herdemekanismer, inkludert solid løsningsforsterkning, nedbørsforsterkning og varmebehandling for å øke dislokasjonstettheten og utvikle dislokasjonsunderstrukturen for å gi forsterkning.
Herding av fast løsning er å forbedre den grunnleggende styrken ved å tilsette forskjellige løselige elementer, inkludert Cr, W, Co, Mo, Re og Ru.
De forskjellige atomradiene fører til en viss grad av atomgitterforvrengning, som hemmer dislokasjonsbevegelse. Forsterkning av fast løsning øker med økningen av atomstørrelsesforskjellen.
Forsterkning av solid løsning har også effekten av å redusere stablingsfeilenergien (SFE), hovedsakelig inhibere dislokasjonskryssglidning, som er hoveddeformasjonsmodusen til ikke-ideelle krystaller ved høye temperaturer.
Atomklynger eller mikrostrukturer med kort rekkevidde er en annen mekanisme som bidrar til å oppnå styrking gjennom fast løsning. Re-atomer i SX segregerer i strekkspenningsområdet til dislokasjonskjernen ved γ/γ'-grensesnittet, og danner en "Cottrell-atmosfære", som effektivt forhindrer dislokasjonsbevegelse og sprekkforplantning. (Oppløste atomer er konsentrert i strekkspenningsområdet ved kantdislokasjoner, reduserer gitterforvrengning, danner en Coriolis-gassstruktur og gir en sterk styrkende effekt av fast løsning. Effekten øker med økningen i oppløst atomkonsentrasjon og økning i størrelse forskjell)
Re, W, Mo, Ru, Cr og Co styrker effektivt γ-fasen. Den solide løsningsforsterkningen av γ-matrisen spiller en ekstremt viktig rolle i krypestyrken til nikkelbaserte høytemperaturlegeringer.
Utfellingsherdingseffekten påvirkes av volumfraksjonen og størrelsen på γ'-fasen. Hensikten med å optimalisere sammensetningen av høytemperaturlegeringer er hovedsakelig å øke volumfraksjonen av γ'-fasen og forbedre de mekaniske egenskapene. SX høytemperaturlegeringer kan inneholde 65%-75% av γ'-fasen, noe som resulterer i god krypestyrke. Dette representerer den nyttige maksimale verdien av den styrkende effekten av γ/γ'-grensesnittet, og ytterligere økning vil føre til en betydelig reduksjon i styrke. Krypestyrken til høytemperaturlegeringer med høy γ'-fasevolumfraksjon påvirkes av størrelsen på γ'-fasepartiklene. Når γ'-fasestørrelsen er liten, har dislokasjoner en tendens til å klatre rundt den, noe som resulterer i en reduksjon i krypestyrken. Når dislokasjoner blir tvunget til å kutte γ'-fasen, når krypestyrken sitt maksimum. Når γ'-fasepartiklene øker i størrelse, har dislokasjoner en tendens til å bøye seg mellom dem, noe som resulterer i en reduksjon i krypestyrke [14].
Det er tre hovedmekanismer for å styrke nedbøren:
Forsterkning av gittermistilpasning: γ'-fasen er dispergert og utfelt i γ-fasematrisen på en sammenhengende måte. Begge er FCC-strukturer. Gittermistilpasningen reflekterer stabiliteten og spenningstilstanden til det koherente grensesnittet mellom de to fasene. Det beste tilfellet er at matrisen og den utfelte fasen har samme krystallstruktur og gitterparametere med samme geometri, slik at flere utfelte faser kan fylles i γ-fasen. Misforholdsområdet for nikkelbaserte høytemperaturlegeringer er 0~±1%. Re og Ru er åpenbart atskilt med γ-fasen. Økningen av Re og Ru øker gittermismatchen.
Ordrestyrking: Dislokasjonsskjæring vil forårsake uorden mellom matrisen og den utfelte fasen, noe som krever mer energi
Dislokasjonsbypass-mekanisme: kalt Orowan-mekanisme (Orowan-buing), det er en forsterkende mekanisme der den utfelte fasen i metallmatrisen hindrer dislokasjonen i bevegelse fra å fortsette å bevege seg. Grunnleggende prinsipp: Når den bevegelige dislokasjonen møter en partikkel, kan den ikke passere gjennom, noe som resulterer i forbigående atferd, dislokasjonslinjevekst, og den nødvendige drivkraften øker, noe som resulterer i forsterkende effekt.
3.3 Utvikling av høytemperatur legering støpemetoder
Den tidligste legeringen brukt i høytemperaturmiljøer kan spores tilbake til oppfinnelsen av Nichrome i 1906. Fremveksten av turbokompressorer og gassturbinmotorer stimulerte den betydelige utviklingen av høytemperaturlegeringer. Bladene til den første generasjonen av gassturbinmotorer ble produsert ved ekstrudering og smiing, som åpenbart hadde tidenes begrensninger. For tiden lages høytemperaturlegerte turbinblader for det meste ved investeringsstøping, spesielt retningsbestemt størkning (DS). DS-metoden ble først oppfunnet av Versnyder-teamet til Pratt & Whitney i USA på 1970-tallet [3]. I løpet av tiårene med utvikling har det foretrukne materialet for turbinblader endret seg fra likeaksede krystaller til søylekrystaller, og deretter optimalisert til enkeltkrystallmaterialer med høy temperatur.
DS-teknologi brukes til å produsere SX-komponenter av søyleformet kjernelegering, som forbedrer duktiliteten og motstandsdyktigheten mot termisk støt av høytemperaturlegeringer betydelig. DS-teknologi sikrer at de produserte søylekrystallene har en [001] orientering, som er parallell med hovedspenningsaksen til delen, i stedet for en tilfeldig krystallorientering. I prinsippet må DS sørge for at størkningen av det smeltede metallet i støpingen utføres med det flytende matemetallet alltid i en akkurat størknet tilstand.
Støping av søylekrystaller må oppfylle to betingelser: (1) Enveis varmestrøm sikrer at faststoff-væske-grensesnittet ved vekstpunktet til kornet beveger seg i én retning; (2) Det må ikke være noen kjernedannelse foran bevegelsesretningen til faststoff-væske-grensesnittet.
Fordi bruddet på bladet vanligvis oppstår i den høytemperatursvake strukturen til korngrensen, for å eliminere korngrensen, brukes en størkningsform med en "kornvelger"-struktur under den retningsbestemte størkningsprosessen. Tverrsnittsstørrelsen til denne strukturen er nær kornstørrelsen, slik at bare et enkelt optimalt dyrket korn kommer inn i formhulen til støpegodset, og fortsetter deretter å vokse i form av en enkelt krystall til hele bladet består av bare ett korn.
Krystallvelgeren kan deles inn i to deler: startblokken og spiralen:
I begynnelsen av DS-prosessen begynner kornene å danne kjerne i bunnen av startblokken. I det tidlige stadiet av kornvekst er antallet stort, størrelsen liten og orienteringsforskjellen stor. Den konkurransedyktige vekstatferden mellom kornene dominerer, og den geometriske blokkeringseffekten til sideveggen er svak. På dette tidspunktet er orienteringsoptimaliseringseffekten åpenbar; når høyden på kornene i startblokken øker, reduseres antallet korn, størrelsen øker og orienteringen er nær. Den konkurransedyktige vekstatferden mellom kornene avtar, og den geometriske blokkeringseffekten til sideveggen dominerer, noe som sikrer at krystallretningen kontinuerlig kan optimaliseres, men orienteringsoptimeringseffekten svekkes. Ved å redusere startblokkens radius og øke høyden på startblokken, kan orienteringen til kornene som kommer inn i spiralseksjonen optimaliseres effektivt. Å øke lengden på startblokken vil imidlertid forkorte det effektive vekstrommet til støpen, og gi deg en produksjonssyklus og klargjøringskostnad. Derfor er det nødvendig å utforme den geometriske strukturen til underlaget på en rimelig måte.
Hovedfunksjonen til spiralen er å effektivt velge enkeltkrystaller, og evnen til å optimalisere kornorienteringen er svak. Når DS-prosessen utføres i en spiral, gir den buede kanalen plass for dendrittgrenvekst, og de sekundære dendrittene til kornene går videre i retning av likviduslinjen. Kornene har en sterk sideveis utviklingstrend, og orienteringen til kornene er i svingende tilstand, med svak optimaliseringseffekt. Derfor avhenger utvalget av korn i spiralen hovedsakelig av den geometriske restriksjonsfordelen, konkurransefortrinn og romlig ekspansjonsfordel til kornene i spiralsegmentet [7], snarere enn vekstfordelen til den foretrukne orienteringen til kornene, som har en sterk tilfeldighet [6]. Derfor er hovedårsaken til svikt i krystallvalg at spiralen ikke spiller rollen som enkeltkrystallvalg. Ved å øke den ytre diameteren til spiralen, redusere stigningen, diameteren på spiraloverflaten og redusere startvinkelen, kan krystallseleksjonseffekten forbedres betydelig.
Forberedelsen av hule enkrystall-turbinblader krever mer enn et dusin trinn (smelting av masterlegering, klargjøring av enkeltkrystallmembranskall, klargjøring av kompleks konfigurasjon av keramiske kjerne, smeltestøping, retningsbestemt størkning, varmebehandling, overflatebehandling, forberedelse av termisk barrierebelegg, etc. ). Den komplekse prosessen er utsatt for ulike defekter, slik som forvillede korn, fregner, korngrenser med liten vinkel, strekkrystaller, orienteringsavvik, rekrystallisering, korngrenser med stor vinkel og svikt i krystallvalg.
Hete nyheter2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Vårt profesjonelle salgsteam venter på din konsultasjon.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
NEI
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
