Analiza historii rozwoju, stanu rynku i trendów rozwojowych łopatek turbinowych

Historia rozwoju i trendy wirnikowych łopatek

Wirnikowe łopatki dzielą się na dwie kategorie: przewodnicze łopatki wirnikowe i robocze łopatki wirnikowe.

Głównym zadaniem przewodniczych lamel wirnikowych jest regulacja kierunku przepływu gazów spalinowych z komory spalania. Temperatura pracy materiału może dochodzić do ponad 1 100 ° °C, a naprężenie wytrzymywane przez przewodnicze lamely wirnikowe jest zazwyczaj mniejsze niż 70MPa. Ten element często jest usuwany z powodu deformacji spowodowanej dużym naprężeniem termicznym, pęknięć spowodowanych zmęczeniem termicznym w wyniku nagłych zmian temperatury oraz spalenin spowodowanych lokalnymi nadmiernymi temperaturami.

Łopatki wirnikowe znajdują się w silniku turbinowym o najwyższej temperaturze, najbardziej skomplikowanym stresie i najgorszym środowisku. Ten element musi wytrzymać wysokie temperatury oraz duże naprężenie odśrodkowe i termiczne. Temperaturę, jaką wytrzymuje, jest wyższa o 50-100 ℃ niż odpowiadające mu przewodniki turbinowe, ale podczas wirowania na wysokich obrotach, z powodu wpływu siły aerodynamicznej i siły odśrodkowej, naprężenie w ciele łopatki osiąga 140MPa, a w jej korzeniu 280-560MPa. Ciągła modernizacja struktury i materiałów łopatek turbinowych stała się jedną z kluczowych czynników poprawy wydajności silników lotniczych.

Łopatki turbinowe, wał turbinowy, dysk turbinowy oraz inne elementy razem tworzą turbinę silnika lotniczego. Turbina jest źródłem mocy napędzającej kompresor i inne urządzenia pomocnicze. Turbina składa się z dwóch elementów: wirnika i statywy:

Rotor turbiny: Jest to całość składająca się z łopatek turbinowych, kołem, wałami i innymi częściami obrotowymi zamontowanymi na wałku. Odpowiada za wciąganie wysokotemperaturowego i wysokiego ciśnienia strumienia powietrza do spalarki w celu utrzymania działania silnika. Rotor turbinowy pracuje przy wysokiej temperaturze i dużej prędkości, przekazując duży moc, dlatego jego warunki pracy są ekstremalnie surowe. Pracując przy wysokiej temperaturze, rotor turbinowy musi wytrzymać ekstremalnie dużą siłę odśrodkową oraz podlega wpływowi momentu aerodynamicznego itp. Wysoko temperaturowe środowisko spowoduje zmniejszenie granicznej wytrzymałości materiału łopatek turbinowych, a także spowoduje pełzanie i erozję materiału łopatek turbinowych.

Stator turbiny: Składa się z kierujących łopatek turbinowych, pierścienia zewnętrznego i wewnętrznego. Jest zamocowany na obudowie, a jego głównym zadaniem jest dyfuzyjne i prostowanie strumienia powietrza dla następnego etapu rotora turbinowego w celu spełnienia trójkąta prędkości łopatek roboczych turbin.

Aby poprawić wskaźniki wydajności, takie jak stosunek ciągu do masy, stale rosną wymagania dotyczące tolerancji łopatek silników lotniczych i turbin gazowych wobec wysokich temperatur i dużych prędkości wiatru. W głównych silnikach turboodrzutowych lotniczych maksymalna wartość jest następująca

Powietrze wprowadzane do silnika turbinowego obraca się z prędkością tysięcy obrotów na sekundę. Powietrze jest stopniowo kompresowane w kompresorze. Stosunek ciśnienia wielostopniowego kompresora może osiągnąć ponad 25. Skompresowane powietrze wchodzi do komory spalania silnika, mieszając się z paliwem i spalając. Płomień paliwa musi stabilnie spalać się w przepływie powietrza o wysokim ciśnieniu poruszającym się z prędkością większą niż 100m/s.

Płyn gazowy o wysokiej temperaturze i ciśnieniu z komory spalania napędza łopatki turbiny, powodując ich obrót z prędkością kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę. Zazwyczaj temperatura przed turbiną przekracza punkt topnienia materiału łopatek turbinowych. Podczas pracy łopatki turbin nowoczesnych silników muszą wytrzymać temperatury od 1600 do 1800 ℃ , prędkości wiatru około 300 m/s oraz ogromne ciśnienie powietrza spowodowane przez nie.

Łopatki turbin muszą pracować niezawodnie przez tysiące do kilkudziesięciu tysięcy godzin w tak ekstremalnych warunkach pracy. Łopatki te mają złożone profile i wykorzystują wiele zaawansowanych technologii produkcyjnych, takich jak kierunkowe krzepnięcie, metalurgia proszkowa, inwestycyjne formowanie złożonych pustych łopatek, produkcja złożonych rdzeni ceramicznych i mikroprzetwarzanie otworów.

Łopatki turbinowe są jedną z części "dwóch maszyn", które mają najwięcej procesów produkcyjnych, najdłuższy cykl i najniższą stopę przyjęcia. Produkcja złożonych, pustych łopatek turbinowych stała się technologią rdzenią w obecnym rozwoju "dwóch maszyn".

Stan rynku i trendy rozwojowe

Łopatki w silnikach lotniczych i turbinach gazowych obejmują przede wszystkim łopatki wentylatorowe, turbine oraz kompresorowe, przy czym wartość łopatek turbinowych stanowi około 60% ogólnej kosztorysu łopatek. W porównaniu do łopatek wentylatorowych, surowce do łopatek turbinowych są cenniejsze i trudniejsze do przetwarzania.

Jako ważny komponent cieplnej części silnika, łopatki turbinowe wymagają użycia materiałów z wytrzymały na wysokie temperatury. Technologia ich wytapiania ma wysokie wymagania, a niektóre surowce mineralne metali są rzadkie. W zakresie technologii produkcyjnej łopatki turbinowe zazwyczaj wykorzystują metodę formowania inwestycyjnego, aby osiągnąć cienkie ścianki i złożone struktury chłodzenia. Trudność produkcji jest znacznie większa niż w przypadku innych łopatek.

Na przykład, silniki CFM56 powszechnie stosowane w serii Boeing 737 i Airbus A320 mają ponad tysiąc łopatek turbinowych, każda kosztującą więcej niż 10 000 yuanów. Cena jednostkowa niektórych łopatek turbinowych przekracza nawet 100 000 yuanów.