Analiza historii rozwoju, statusu rynkowego i trendów rozwojowych łopatek turbinowych Polska

Historia rozwoju i trendy w zakresie łopatek turbinowych

Łopatki turbin dzielą się na dwie kategorie: łopatki kierujące turbiny i łopatki robocze turbiny.

Główną funkcją łopatek kierowniczych turbiny jest regulacja kierunku przepływu spalin z komory spalania. Temperatura robocza materiału może osiągnąć ponad 1,100°C, a naprężenie przenoszone przez łopatki kierujące turbiny jest zazwyczaj mniejsze niż 70 MPa. Ten element jest często złomowany z powodu odkształceń spowodowanych dużym naprężeniem cieplnym, pęknięciami zmęczeniowymi spowodowanymi nagłymi zmianami temperatury i oparzeniami spowodowanymi lokalnymi nadmiernymi temperaturami.

Łopatki turbiny znajdują się w silniku turbinowym o najwyższej temperaturze, najbardziej złożonym naprężeniu i najgorszym środowisku. Ten element musi wytrzymać wysokie temperatury i duże naprężenie odśrodkowe i naprężenie termiczne. Temperatura, którą wytrzymuje, wynosi 50-100℃ niższe niż odpowiadające im łopatki prowadzące turbiny, ale podczas obracania się z dużą prędkością, ze względu na działanie siły aerodynamicznej i siły odśrodkowej, naprężenie na korpusie łopatki osiąga 140 MPa, a nasadka osiąga 280-560 MPa. Ciągła poprawa konstrukcji i materiałów łopatek turbiny stała się jednym z kluczowych czynników poprawy osiągów silników lotniczych.

Łopatki turbiny, wał turbiny, tarcza turbiny i inne elementy razem tworzą turbinę silnika samolotu. Turbina jest źródłem zasilania, które napędza sprężarkę i inne akcesoria. Turbinę można podzielić na dwa elementy: wirnik i stojan:

Wirnik turbiny: Całość składa się z łopatek turbiny, kół, wałów i innych obracających się części zamontowanych na wale. Jest odpowiedzialny za zasysanie strumienia powietrza o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu do palnika w celu utrzymania pracy silnika. Wirnik turbiny pracuje w wysokiej temperaturze i przy dużej prędkości oraz przekazuje dużą moc, więc jego warunki pracy są wyjątkowo trudne. Podczas pracy w wysokiej temperaturze wirnik turbiny musi wytrzymywać wyjątkowo dużą siłę odśrodkową, a także podlega działaniu momentu aerodynamicznego itp. Środowisko o wysokiej temperaturze zmniejszy ostateczną wytrzymałość materiału łopatki turbiny, a także spowoduje pełzanie i erozję materiału łopatki turbiny.

Stojan turbiny: Składa się z łopatek prowadzących turbiny, pierścienia zewnętrznego i pierścienia wewnętrznego. Jest zamocowany na obudowie, a jego główną funkcją jest rozpraszanie i prostowanie przepływu powietrza dla wirnika turbiny następnego etapu, aby spotkał się z trójkątem prędkości łopatek roboczych turbiny.

Aby poprawić wskaźniki wydajności, takie jak stosunek ciągu do masy, wymagania dotyczące tolerancji łopatek silników lotniczych i turbin gazowych na wysoką temperaturę i dużą prędkość wiatru stale rosną. W popularnych silnikach turbowentylatorowych samolotów sprężarka napędzana turbiną ma maksymalnie

Powietrze wchodzące do silnika turbinowego obraca się z dużą prędkością tysięcy obrotów na sekundę. Powietrze jest sprężane krok po kroku w sprężarce. Współczynnik sprężania sprężarki wielostopniowej może osiągnąć wartość większą niż 25. Sprężone powietrze wchodzi do komory spalania silnika, miesza się z paliwem i spala się. Płomień paliwa musi palić się stabilnie w strumieniu powietrza pod wysokim ciśnieniem, przepływającym z dużą prędkością ponad 100 m/s.

Przepływ gazu o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu z komory spalania napędza łopatki turbiny do obracania się z prędkością od tysięcy do dziesiątek tysięcy obrotów na minutę. Zazwyczaj temperatura przed turbiną przekracza temperaturę topnienia materiału łopatki turbiny. Podczas pracy łopatki turbiny nowoczesnych silników muszą zazwyczaj wytrzymywać temperatury 1600~1800℃, prędkość wiatru wynosząca około 300 m/s i ogromne ciśnienie powietrza, które ono powoduje.

Łopatki turbin muszą pracować niezawodnie przez tysiące do dziesiątek tysięcy godzin w tak ekstremalnie trudnych warunkach pracy. Łopatki turbin mają złożone profile i wykorzystują wiele zaawansowanych technologii produkcyjnych, takich jak kierunkowe krzepnięcie, metalurgia proszków, złożone odlewanie precyzyjne pustych łopatek, złożona produkcja rdzeni ceramicznych i obróbka mikrootworów.

Łopatki turbiny są jednym z elementów „dwóch maszyn”, które mają najwięcej procesów produkcyjnych, najdłuższy cykl i najniższy wskaźnik przejść. Produkcja złożonych pustych łopatek turbiny stała się podstawową technologią w obecnym rozwoju „dwóch maszyn”.

Status rynku i trendy rozwojowe

Łopatki w silnikach lotniczych i turbinach gazowych obejmują głównie łopatki wentylatorów, łopatki turbin i łopatki sprężarek, z których wartość łopatek turbin stanowi około 60% całkowitego kosztu łopatek. W porównaniu z łopatkami wentylatorów surowce łopatek turbin są cenniejsze i trudniejsze do przetworzenia.

Jako ważny element gorącego końca silnika, łopatki turbiny wymagają użycia materiałów stopowych o wysokiej temperaturze. Ich technologia wytopu wymaga wysokich wymagań, a niektóre zasoby mineralne metali są ograniczone. Jeśli chodzi o proces produkcyjny, łopatki turbiny zazwyczaj wykorzystują odlewanie precyzyjne, aby uzyskać cienkie ścianki i złożone struktury chłodzące. Trudność produkcji jest znacznie wyższa niż w przypadku innych łopatek.

Na przykład silniki lotnicze CFM56 szeroko stosowane w serii Boeing 737 i Airbus 320 mają ponad tysiąc łopatek turbiny, z których każda kosztuje ponad 10,000 100,000 juanów. Cena jednostkowa łopatek turbiny w niektórych częściach przekracza nawet XNUMX XNUMX juanów.