Conhecimentos básicos sobre as pás dos motores aeronáuticos (1)

1. Introdução às pás da turbina

O componente com as piores condições de trabalho no motor a turbina é também o componente rotativo mais importante. Nos componentes da extremidade quente dos motores aeronáuticos, as pás da turbina estão sujeitas à erosão do gás quente e às variações de temperatura durante os ciclos de ligação e desligamento do motor, enquanto as pás do rotor estão sujeitas à força centrífuga em altas velocidades. O material deve ter resistência suficiente à tração em alta temperatura, resistência à fadiga, resistência ao fluência, além de boa resistência à fadiga, à oxidação, à corrosão por gás e plasticidade adequada. Além disso, estabilidade organizacional a longo prazo, boa resistência ao impacto, maleabilidade e baixa densidade também são requisitos.

A temperatura de entrada de gás dos motores avançados de aeronaves atinge 1380℃ e a empuxo chega a 226KN. As pás da turbina estão sujeitas a forças aerodinâmicas e centrífugas, com as lâminas suportando um esforço de tração de aproximadamente 140MPa; a raiz da lâmina suporta uma tensão média de 280~560MPa, e o corpo correspondente da lâmina suporta uma temperatura de 650~980℃, enquanto a raiz da lâmina está em torno de 760℃.

O nível de desempenho das pás da turbina (especialmente a capacidade de suportar temperaturas) tornou-se um indicador importante do nível avançado de um modelo de motor. Em certo sentido, o processo de fundição das pás dos futuros motores determina diretamente o desempenho do motor e também é um marco significativo do nível da indústria aeroespacial de um país.

2. Design da forma da lâmina

Como há muitas lâminas, se forem projetadas em formas regulares retas, pode-se reduzir muito a tecnologia de processamento, diminuir a complexidade do design e cortar custos consideravelmente. No entanto, a maioria das lâminas é torcida e curvada.

Deixe-me primeiro apresentar a você alguns conceitos básicos sobre folhas.

Primeiro, o que é um estolão? Abaixo estão dois diagramas típicos de estolões.

Diagrama de fluxo do compressor

Diagrama do trajeto de fluxo da turbina
Em segundo lugar, qual é a fórmula de cálculo da velocidade circumferencial? No canal de fluxo, a velocidade circumferencial é diferente em diferentes raios (isso pode ser obtido de acordo com a fórmula de cálculo na figura abaixo)

Velocidade circumferencial Finalmente, qual é o ângulo de ataque do fluxo de ar? O ângulo de ataque do fluxo de ar é o ângulo entre o fluxo de ar e a corda da pás relativa à direção da velocidade da pás.

Tirando o exemplo da asa do avião, é mostrado o ângulo de ataque do fluxo de ar. Em seguida, explica-se por que a lâmina deve ser torcida? Como as velocidades circunferenciais em diferentes raios no canal de fluxo são diferentes, o ângulo de ataque do fluxo de ar nos níveis primitivos de raio diferente varia muito; na ponta da lâmina, devido ao grande raio e à alta velocidade circunferencial, um grande ângulo de ataque positivo é causado, resultando em uma separação séria do fluxo de ar nas costas da lâmina; na base da lâmina, devido ao pequeno raio e à baixa velocidade circunferencial, um grande ângulo de ataque negativo é causado, resultando em uma separação séria do fluxo de ar na parte inferior da lâmina.

Portanto, para lâminas retas, exceto por uma parte do diâmetro médio mais próximo que ainda pode funcionar, o resto das partes produzirá uma separação séria do fluxo de ar, ou seja, a eficiência de um compressor ou turbina operando com lâminas retas é extremamente baixa e pode até chegar ao ponto em que não consegue operar. É por isso que as lâminas devem ser torcidas.

3.História de Desenvolvimento

À medida que a potência dos motores de aeronaves continua a aumentar, isso é alcançado aumentando a temperatura de entrada do compressor, o que exige o uso de pás avançadas com resistência a temperaturas cada vez mais altas. Além das condições de alta temperatura, o ambiente de trabalho das pás da extremidade quente também está em um estado extremo de alta pressão, alta carga, alta vibração e alta corrosão, exigindo que as pás tenham um desempenho compreensivo extremamente alto. Isso requer que as pás sejam feitas de materiais especiais de liga (ligas resistentes ao calor) e processos de fabricação especiais (fundição precisa mais solidificação direcional) para criar estruturas matriciais especiais (estruturas monocristalinas) a fim de atender às necessidades da melhor forma possível.

Lâminas de turbinas oca de cristal único complexas tornaram-se a tecnologia central dos motores atuais com alta razão de empuxo-peso. É a pesquisa e o uso de materiais avançados de liga de cristal único e a emergência da tecnologia de fabricação de lâminas de cristal único ultra-resfriadas a ar de dupla parede que permitiram que a tecnologia de preparação de cristal único desempenhe um papel fundamental nos motores a jato militares e comerciais mais avançados de hoje. Atualmente, lâminas de cristal único não só foram instaladas em todos os motores aeronáuticos avançados, mas também estão sendo utilizadas cada vez mais em turbinas a gás pesadas.

As ligas de superligas monocristalinas são um tipo de material avançado para pás de motor desenvolvido com base em cristais equiaxiais e cristais colunares direcionais. Desde o início dos anos 1980, a primeira geração de superligas monocristalinas, como PWA1480 e ReneN4, têm sido amplamente utilizadas em diversos motores de aeronaves. No final dos anos 1980, a segunda geração de pás de superligas monocristalinas, representada por PWA1484 e ReneN5, também foi amplamente utilizada em motores avançados de aeronaves, como CFM56, F100, F110 e PW4000. Atualmente, a segunda geração de superligas monocristalinas nos Estados Unidos atingiu maturidade e é amplamente utilizada em motores de aeronaves militares e civis.

Em comparação com os primeiros alelos de cristal único, os segundos alelos de cristal único, representados pelo PWA1484 da PW, o CMSX-4 da RR e o Rene'N5 da GE, aumentaram sua temperatura de operação em 30°C adicionando 3% de rédio e aumentando adequadamente o teor de molibdênio, alcançando um bom equilíbrio entre resistência e resistência à oxidação e corrosão.

Nos terceiros alelos de cristal único Rene N6 e CMSX-10, a composição do alelo é otimizada em uma etapa, o teor total de elementos insolúveis com grande raio atômico é aumentado, especialmente a adição de mais de 5wt% de rédio, o que melhora significativamente a resistência ao fluente em alta temperatura, a vida de endurance do alelo é maior que 150 horas aos 1150°C, muito maior do que a vida dos primeiros alelos de cristal único de cerca de 10 horas, além de possuir resistência a fadiga térmica, oxidação e corrosão térmica de alta intensidade.

Os Estados Unidos e o Japão desenvolveram consecutivamente a quarta geração de ligas monocristalinas. Ao adicionar rúdio, a estabilidade da microestrutura da liga foi ainda mais melhorada, e a resistência à deformação em exposição de longo prazo a altas temperaturas foi aumentada. A vida útil de sua resistência a 1100 ℃ é dez vezes maior do que a do segundo monocristal, e a temperatura operacional alcançou 1200 ℃. A composição monocristalina da mesma geração está mostrada abaixo.

4.Material básico da lâmina e tecnologia de fabricação

Lâminas de liga de alta temperatura deformada

O desenvolvimento de ligas deformáveis de alta temperatura tem uma história de mais de 50 anos. As ligas deformáveis de alta temperatura comumente usadas para pás de motores aeronáuticos nacionais estão mostradas na Tabela 1. Com o aumento do teor de alumínio, titânio, tungstênio e molibdênio nas ligas de alta temperatura, as propriedades dos materiais continuam melhorando, mas o desempenho de trabalho a quente diminui; após a adição do elemento liga caro cobalto, o desempenho geral do material pode ser melhorado e a estabilidade da estrutura de alta temperatura pode ser melhorada.

As pás são peças-chave dos motores aeronáuticos, e sua quantidade de fabricação corresponde a cerca de 30% do volume total de fabricação do motor.
As pás dos motores aeronáuticos são peças de parede fina e facilmente deformáveis. Como controlar sua deformação e processá-las de forma eficiente e de alta qualidade é um dos principais tópicos de pesquisa na indústria de fabricação de pás.

Com o surgimento de ferramentas CNC de alto desempenho, o processo de fabricação de pás de turbina também sofreu mudanças significativas. As pás processadas utilizando a tecnologia de usinagem CNC de precisão têm alta precisão e ciclos de fabricação curtos, geralmente de 6 a 12 meses na China (usinagem semi-acabada); e de 3 a 6 meses no exterior (usinagem sem resíduos).