Podstawowa wiedza o łopatkach silników lotniczych (1)

1. Wprowadzenie do łopatek turbinowych

Komponent o najgorszych warunkach pracy w silniku turbinowym jest jednocześnie najważniejszym obrotowym elementem. W zastosowaniach turetowych silników lotniczych, łopatki turbiny podlegają erozji przez wysokotemperaturowe gazy oraz zmianom temperatury podczas cykli uruchamiania i wyłączania silnika, a łopatki wirnika są narażone na siły odśrodkowe przy wysokich prędkościach. Materiał musi posiadać wystarczającą wytrzymałość rozciągania przy wysokich temperaturach, wytrzymałość na długotrwałe obciążenia, odporność na pełzanie oraz dobrą wytrzymałość na zmęczenie, odporność na utlenianie, odporność na korozyjne działanie gazów i odpowiednią plastyczność. Ponadto wymagana jest długoterminowa stabilność strukturalna, dobra wytrzymałość na uderzenia, lityczność oraz niska gęstość.

Temperatura wpływu gazu w zaawansowanych silnikach lotniczych dochodzi do 1380℃, a pchnięcie osiąga 226KN. Turbinowe łopatki podlegają siłom aerodynamicznym i odśrodkowym, przy czym łopatki wytrzymują naprężenie rozciągające około 140MPa; korzeń łopatki wytrzymuje średnie naprężenie 280~560MPa, a odpowiadający temu ciało łopatki wytrzymuje temperaturę 650~980℃, a temperatura korzenia łopatki wynosi około 760℃.

Poziom wydajności turbinowych łopatek (szczególnie zdolność nośna temperatury) stał się ważnym wskaźnikiem zaawansowania danego modelu silnika. W pewnym sensie, proces formowania przyszłych łopatek silnika bezpośrednio determinuje wydajność silnika i jest również istotnym znakiem poziomu przemysłu lotniczego państwa.

2.Projektowanie kształtu łopatek

Ponieważ jest wiele łopatek, jeśli będą one zaprojektowane jako proste regularne kształty, można zmniejszyć dużą część technologii obróbkowej, obniżyć trudność projektową i zmniejszyć koszty. Jednak większość łopatek jest skręcona i zakrzywiona.

Pozwól mi najpierw przedstawić ci kilka podstawowych pojęć dotyczących liści.

Po pierwsze, co to jest pędzel? Poniżej znajdują się dwie typowe diagramy pędzla.

Diagram przepływu kompresora

Diagram ścieżki przepływu turbinowego
Po drugie, jaka jest formuła obliczeniowa dla prędkości obwodowej? W kanale przepływowym prędkość obwodowa różni się przy różnych promieniach (to można uzyskać według formuły obliczeniowej na poniższym rysunku).

Prędkość obwodowa. Na koniec, co to jest kąt natarcia strumienia powietrza? Kąt natarcia strumienia powietrza to kąt między strumieniem powietrza a cięciwą łopatki względem kierunku prędkości łopatki.

Weźmy na przykład skrzydło samolotu, gdzie przedstawiono kąt natarcia strumienia powietrza. Następnie wyjaśnione jest, dlaczego łopata musi być skręcona? Ponieważ prędkości obwodowe przy różnych promieniach w kanale przepływowym są różne, kąt natarcia strumienia powietrza na różnych poziomach pierwotnych promieni zmienia się znacząco; na końcu łopaty, z powodu dużego promienia i dużej prędkości obwodowej, powstaje duży dodatni kąt natarcia, co prowadzi do poważnego oddzielenia się przepływu powietrza na tylnym boku łopaty; u podstawy łopaty, z powodu małego promienia i małej prędkości obwodowej, powstaje duży ujemny kąt natarcia, co prowadzi do poważnego oddzielenia się przepływu powietrza w zbiorniku łopaty.

Dlatego w przypadku prostych łopatek, z wyjątkiem części najbliżej średnicy środkowej, która może jeszcze działać, pozostałe części spowodują poważne oddzielenie przepływu powietrza, co oznacza, że wydajność kompresora lub turbin pracujących z prostymi łopatkami jest ekstremalnie niska, a może nawet dojść do sytuacji, w której nie będą mogły działać wcale. Dlatego właśnie łopatki muszą być skręcone.

3.Historia rozwoju

W miarę jak moc silników lotniczych kontynuuje wzrastać, osiąga się to poprzez zwiększenie temperatury na wejściu do kompresora, co wymaga użycia zaawansowanych łopatek o coraz wyższej odporności na wysokie temperatury. Oprócz warunków wysokich temperatur, środowisko pracy łopatek w części gorącej znajduje się również w ekstremalnym stanie wysokiego ciśnienia, wysokiej obciążenia, wysokiej drgania i wysokiej korozyji, dlatego wymaga się od łopatek niezwykle wysokiej wydajności ogólniej. To wymaga, aby łopatki były wykonane ze specjalnych materiałów stopowych (wysoko temperaturowych stopów) oraz specjalnych procesów produkcyjnych (precyzyjne formowanie plus kierunkowe krzepnięcie), aby utworzyć specjalne struktury macierzyste (struktury jednokrystaliczne) i maksymalnie zaspokoić potrzeby.

Złożone pojedyncze krystaliczne puste łopatki turbinowe stały się podstawową technologią obecnych silników o wysokim współczynniku ciągu do masy. To badania i zastosowanie zaawansowanych materiałów z pojedynczej kryształowej ligatury oraz pojawienie się technologii produkcji dwustennych ultraskładkowych pojedynczych kryształowych łopatek umożliwiło, że technologia przygotowywania pojedynczych kryształów odegra kluczową rolę w najbardziej zaawansowanych obecnie silnikach lotniczych cywilnych i wojskowych. Obecnie łopatki pojedyncze krystaliczne zostały nie tylko zainstalowane we wszystkich zaawansowanych silnikach lotniczych, ale coraz częściej są również stosowane w ciężkich turbinach gazowych.

SuperalLOY z jednego krystalu to rodzaj zaawansowanych materiałów do łopatek silników, opracowanych na podstawie krystalizacji równomiernych i kolumnowych. Od początku lat 80. XX wieku pierwsze generacje superalLOYów z jednego krystalu, takie jak PWA1480 i ReneN4, zostały powszechnie wykorzystane w różnych silnikach lotniczych. W późnych latach 80. druga generacja łopatek superalLOYowych z jednego krystalu, reprezentowana przez PWA1484 i ReneN5, została również szeroko stosowana w zaawansowanych silnikach lotniczych, takich jak CFM56, F100, F110 i PW4000. Obecnie druga generacja superalLOYów z jednego krystalu w Stanach Zjednoczonych osiągnęła dojrzałość i jest powszechnie stosowana w silnikach lotniczych wojskowych i cywilnych.

W porównaniu do pierwszego pokolenia pojedynczych krystalicznych stopów, drugie pokolenie pojedynczych krystalicznych stopów, reprezentowane przez PWA1484 firmy PW, CMSX-4 firmy RR i Rene'N5 firmy GE, zwiększyło swoją temperaturę pracy o 30°C dzięki dodaniu 3% renu i odpowiedniemu zwiększeniu zawartości molibdenu, osiągając dobrą równowagę między wytrzymałością a odpornością na utlenianie i korozyję.

W trzecim pojedynczym krystalicznym stopie Rene N6 i CMSX-10 skład stopu zoptymalizowano w jednym kroku, zwiększono całkowitą zawartość nierozpuszczalnych elementów o dużych promieniach atomowych, zwłaszcza dodano ponad 5wt% renu, co znacząco poprawia wytrzymałość przy wysokich temperaturach, a czas wytrwalania stopu przy 1150°C wynosi ponad 150 godzin, co jest znacznie dłuższe niż ok. 10-godzinny cykl życia pierwszego pokolenia pojedynczych krystalicznych stopów, a także oferuje wysoką odporność na zmęczenie termiczne, utlenianie i korozyjność termiczną.

Stany Zjednoczone i Japonia kolejno opracowały czwartą generację stopów jednokrystalicznych. Dzięki dodaniu rudu, zwiększyła się stabilność mikrostruktury stopu, a wytrzymałość podczas pełzania w trakcie długotrwałego narażenia na wysokie temperatury została poprawiona. Czas wytrzymałości przy 1100 ℃ jest dziesięć razy większy niż w przypadku drugiej generacji jednokrystalicznych stopów, a temperatura pracy osiągnęła 1200 ℃. Skład jednokrystaliczny tej samej generacji przedstawiony jest poniżej.

4.Materiał podstawowy łopatek i technologia produkcji

Deformowane wysokotemperaturowe łopatki

Rozwój deformowalnych stopów o wysokim temperaturze ma historię ponad 50 lat. Powszechnie używane deformowalne stopy o wysokiej temperaturze dla łopatek silników lotniczych w kraju są przedstawione w Tabeli 1. Wraz ze zwiększeniem zawartości aluminium, tytanu, wolframu i molibdenu w stopach o wysokiej temperaturze, ich właściwości materiału ulegają poprawie, ale wydajność gorącego przetwarzania maleje; po dodaniu drogocennego składnika stopowego - kobaltu - można poprawić ogólną wydajność materiału i zwiększyć stabilność struktury przy wysokich temperaturach.

Łopatki są kluczowymi częściami silników lotniczych, a ich objętość produkcji stanowi około 30% ogólnej objętości produkcji silnika.
Łopatki silników lotniczych to cienkościenne części, które łatwo się deformują. Jak kontrolować ich deformację i przetwarzać je efektywnie oraz w wysokiej jakości, jest jedną z ważnych kwestii badawczych w przemyśle produkcyjnym łopatek.

Wraz z powstaniem wydajnych narzędzi CNC proces produkcyjny łopatek turbinowych przeszedł również duże zmiany. Łopatki przetwarzane za pomocą technologii precyzyjnego CNC mają wysoką dokładność i krótkie cykle produkcji, zazwyczaj od 6 do 12 miesięcy w Chinach (półkońcowa obróbka); oraz od 3 do 6 miesięcy za granicą (bezresiduowa obróbka).