Анализ истории развития, состояния рынка и тенденций развития турбинных лопаток

История и тенденции развития турбинных лопаток

Лопатки турбины делятся на две категории: направляющие лопатки турбины и рабочие лопатки турбины.

Основная функция направляющих лопаток турбины — регулирование направления потока выхлопных газов из камеры сгорания. Рабочая температура материала может достигать более 1100 ° C, а напряжение, испытываемое направляющими лопатками турбины, обычно составляет менее 70 МПа. Этот компонент часто выбрасывается из-за деформации, вызванной большим термическим напряжением, трещинами термической усталости, вызванными резкими перепадами температур, и ожогами, вызванными локальными чрезмерными температурами.

Лопатки турбины находятся в турбинном двигателе с самой высокой температурой, самым сложным напряжением и самой плохой средой. Этот компонент должен выдерживать высокие температуры и большие центробежные и тепловые нагрузки. Температура, которую он выдерживает, составляет 50-100 ℃ ниже, чем у соответствующих направляющих лопаток турбины, но при вращении с высокой скоростью, из-за воздействия аэродинамической силы и центробежной силы, напряжение на теле лопатки достигает 140 МПа, а на корне - 280-560 МПа. Постоянное совершенствование конструкции и материалов лопаток турбины стало одним из ключевых факторов улучшения характеристик авиационных двигателей.

Лопатки турбины, вал турбины, диск турбины и другие компоненты вместе образуют турбину авиационного двигателя. Турбина является источником энергии, который приводит в действие компрессор и другие принадлежности. Турбину можно разделить на два компонента: ротор и статор:

Турбинный ротор: это целое, состоящее из турбинных лопаток, колес, валов и других вращающихся частей, установленных на валу. Он отвечает за всасывание высокотемпературного и высоконапорного воздушного потока в горелку для поддержания работы двигателя. Турбинный ротор работает при высокой температуре и высокой скорости и передает большую мощность, поэтому условия его работы чрезвычайно суровые. При работе при высокой температуре турбинный ротор должен выдерживать чрезвычайно высокую центробежную силу, а также подвергаться воздействию аэродинамического крутящего момента и т. д. Высокотемпературная среда снизит предельную прочность материала турбинной лопатки, а также вызовет ползучесть и эрозию материала турбинной лопатки.

Статор турбины: состоит из направляющих лопаток турбины, внешнего кольца и внутреннего кольца. Он закреплен на корпусе, и его основная функция заключается в рассеивании и выпрямлении воздушного потока для ротора турбины следующей ступени для соответствия треугольнику скоростей рабочих лопаток турбины.

Для улучшения показателей эффективности, таких как тяговооруженность, постоянно повышаются требования к устойчивости лопаток авиационных двигателей и газовых турбин к высоким температурам и высокой скорости ветра. В основных авиационных турбовентиляторных двигателях компрессор с турбинным приводом имеет максимальную

Воздух, поступающий в турбинный двигатель, вращается с высокой скоростью в тысячи оборотов в секунду. Воздух сжимается шаг за шагом в компрессоре. Степень сжатия многоступенчатого компрессора может достигать более 25. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания двигателя, смешивается с топливом и сгорает. Пламя топлива должно стабильно гореть в потоке воздуха высокого давления, текущем с высокой скоростью более 100 м/с.

Высокотемпературный поток газа высокого давления из камеры сгорания заставляет лопатки турбины вращаться со скоростью от тысяч до десятков тысяч оборотов в минуту. Обычно температура перед турбиной превышает температуру плавления материала лопатки турбины. Во время работы лопатки турбины современных двигателей обычно должны выдерживать температуры 1600~1800 ℃ , скорость ветра около 300 м/с и огромное давление воздуха, вызываемое ими.

Турбинные лопатки должны надежно работать в течение тысяч или десятков тысяч часов в таких чрезвычайно жестких условиях эксплуатации. Турбинные лопатки имеют сложные профили и используют большое количество передовых производственных технологий, таких как направленная кристаллизация, порошковая металлургия, сложное литье полых лопаток по выплавляемым моделям, сложное изготовление керамических сердечников и обработка микроотверстий.

Турбинные лопатки являются одним из компонентов «двух машин», которые имеют наибольшее количество производственных процессов, самый длинный цикл и самую низкую скорость прохождения. Изготовление сложных полых турбинных лопаток стало основной технологией в текущем развитии «двух машин».

Состояние рынка и тенденции развития

Лопатки в авиационных двигателях и газовых турбинах в основном включают лопатки вентилятора, лопатки турбины и лопатки компрессора, из которых стоимость лопаток турбины составляет около 60% от общей стоимости лопаток. По сравнению с лопатками вентилятора, сырье для лопаток турбины более ценно и сложнее в обработке.

Как важный компонент горячего конца двигателя, лопатки турбины требуют использования высокотемпературных сплавов. Технология их выплавки предъявляет высокие требования, а некоторые металлические минеральные ресурсы ограничены. С точки зрения производственного процесса лопатки турбины обычно используют литье по выплавляемым моделям для достижения тонких стенок и сложных структур охлаждения. Сложность производства значительно выше, чем у других лопаток.

Например, авиационные двигатели CFM56, широко используемые в серии Boeing 737 и серии Airbus 320, имеют более тысячи турбинных лопаток, каждая из которых стоит более 10 000 юаней. Цена за единицу турбинных лопаток в некоторых частях даже превышает 100 000 юаней.