Основные знания о лопастях航空двигателя (1)

1. Введение в турбинные лопасти

Компонент с самыми сложными условиями работы в турбинном двигателе также является самым важным вращающимся компонентом. В горячих частях авиадвигателей лопатки турбины подвергаются воздействию высокотемпературного газового износа и изменениям температуры во время циклов запуска и остановки двигателя, а роторные лопатки подвергаются центробежной силе на высоких скоростях. Материал должен обладать достаточной высокотемпературной прочностью на растяжение, пределами выносливости, ползучести, а также хорошей усталостной прочностью, стойкостью к окислению, сопротивлением коррозии от газов и подходящей пластичностью. Кроме того, требуется долгосрочная организационная стабильность, хорошая ударная вязкость, литьевая способность и низкая плотность.

Температура подачи газа в современных авиадвигателях достигает 1380℃, а тяга достигает 226 кН. Лопатки турбины подвергаются аэродинамическим и центробежным силам, при этом лопатки испытывают растягивающее напряжение около 140 МПа; корень лопатки испытывает среднее напряжение 280~560 МПа, а соответствующая часть корпуса лопатки работает при температуре 650~980℃, а температура корня лопатки составляет около 760℃.

Уровень производительности турбинных лопаток (особенно их тепловой устойчивости) стал важным показателем уровня продвинутости модели двигателя. В определенном смысле, литейный процесс будущих лопастей двигателей непосредственно определяет производительность двигателя и также является значимым показателем уровня национальной авиационной промышленности.

2. Конструирование формы лопасти

Поскольку лопастей много, если их спроектировать в виде прямых правильных форм, можно значительно сократить технологию обработки, снизить сложность проектирования и сэкономить много затрат. Однако большинство лопастей имеют закрученную и изогнутую форму.

Давайте сначала познакомимся с некоторыми базовыми концепциями лопастей.

Во-первых, что такое струна? Ниже приведены две типичные схемы струн.

Диаграмма потока компрессора

Диаграмма потока турбины
Во-вторых, какова формула расчета окружной скорости? В канале потока окружная скорость различна при разных радиусах (это можно получить согласно расчетной формуле на схеме ниже).

Окружная скорость. Наконец, что такое угол атаки воздушного потока? Угол атаки воздушного потока — это угол между воздушным потоком и хордой лопасти относительно направления скорости лопасти.

Возьмем, к примеру, крыло самолета: показан угол атаки потока воздуха. Далее объясняется, почему лопасть должна быть скручена? Поскольку окружные скорости на разных радиусах в канале потока различны, угол атаки воздушного потока на различных уровнях первичных радиусов значительно отличается; на конце лопасти, из-за большого радиуса и большой окружной скорости, возникает большой положительный угол атаки, что приводит к серьезному отрыву потока воздуха с тыльной стороны лопасти; у основания лопасти, из-за маленького радиуса и низкой окружной скорости, возникает большой отрицательный угол атаки, что вызывает серьезное отделение потока воздуха на стороне впадины лопасти.

Поэтому, для прямых лопаток, за исключением части ближайшего среднего диаметра, которая всё ещё может функционировать, остальные части будут вызывать серьёзное отрывание потока воздуха, то есть эффективность компрессора или турбины, работающей с прямыми лопатками, крайне низка, и может даже дойти до точки, где она вообще не сможет работать. Именно поэтому лопатки должны быть закручены.

3.История развития

По мере того как мощность двигателей самолетов продолжает увеличиваться, это достигается за счет повышения температуры подачи компрессора, что требует использования продвинутых лопаток с все более высокой теплостойкостью. Помимо высокотемпературных условий, рабочая среда горячих концов лопаток также находится в экстремальном состоянии высокого давления, высокой нагрузки, высокой вибрации и высокой коррозии, поэтому от лопаток требуется обладать чрезвычайно высокими комплексными характеристиками. Это требует изготовления лопаток из специальных сплавов (высокотемпературных сплавов) и специальных технологических процессов (точная литейная форма плюс направленная кристаллизация) для создания специальных матричных структур (однокристаллических структур), чтобы максимально удовлетворить потребности.

Сложные однокристаллические полые турбинные лопатки стали ключевой технологией современных двигателей с высоким удельным усилием. Исследование и использование передовых однокристаллических сплавов, а также появление технологии производства двойных сверхвоздухоохлаждаемых однокристаллических лопаток позволили технологии изготовления однокристаллов сыграть ключевую роль в самых современных военных и гражданских авиадвигателях. На данный момент однокристаллические лопатки не только установлены на всех передовых авиадвигателях, но всё чаще используются и в тяжёлых газотурбинных установках.

Однокристаллические супeralloys представляют собой тип передовых материалов для лопастей двигателей, разработанных на основе равномерных кристаллов и定向 колончатых кристаллов. С начала 1980-х годов первое поколение однокристаллических супeralloys, таких как PWA1480 и ReneN4, получило широкое распространение в различных авиадвигателях. В конце 1980-х годов второе поколение однокристаллических лопастей, представленных PWA1484 и ReneN5, также было широко использовано в передовых авиадвигателях, таких как CFM56, F100, F110 и PW4000. На данный момент второе поколение однокристаллических супeralloys в США достигло зрелости и широко применяется в военных и гражданских авиадвигателях.

По сравнению с одно kristallnymи сплавами первого поколения, одно kristallnye сплавы второго поколения, представленные PWA1484 от компании PW, CMSX-4 от RR и Rene'N5 от GE, за счет добавления 3% рения и соответствующего увеличения содержания молибдена повысили рабочую температуру на 30°C, достигнув хорошего баланса между прочностью и сопротивлением окислению и коррозии.

В одно kristallnyx сплавах третьего поколения Rene N6 и CMSX-10 состав сплава оптимизирован в одном шаге, общее содержание нерастворимых элементов с большим атомным радиусом увеличено, особенно добавление более 5 масс.% рения, что значительно повышает высокотемпературную ползучесть, выдерживая более 150 часов при 1150°C, что намного дольше, чем примерно 10 часов жизни одно kristallnogo сплава первого поколения, а также обладает высокой стойкостью к тепловому усталости, окислению и термической коррозии.

США и Япония последовательно разработали четвертое поколение однокристаллических сплавов. Благодаря добавлению рутиния была еще больше улучшена стабильность микроструктуры сплава, а также увеличена ползучесть при длительном воздействии высоких температур. Его срок службы при 1100 ℃ в десять раз выше, чем у второго однокристаллического сплава, и рабочая температура достигла 1200 ℃. Однокристаллический состав того же поколения показан ниже.

4.Материал лопасти и технология производства

Деформированные высокотемпературные сплавы для лопастей

Разработка деформируемых высокотемпературных сплавов имеет историю более 50 лет. Часто используемые деформируемые высокотемпературные сплавы для лопаток авиадвигателей отечественного производства представлены в таблице 1. С увеличением содержания алюминия, титана, вольфрама и молибдена в высокотемпературных сплавах свойства материала продолжают улучшаться, но горячая обрабатываемость снижается; после добавления дорогого легирующего элемента кобальта могут быть улучшены комплексные свойства материала и стабильность высокотемпературной структуры.

Лопатки являются ключевыми деталями авиадвигателей, и их объем производства составляет около 30% от общего объема производства двигателя.
Лопатки авиадвигателей — это тонкостенные и легко деформируемые детали. Как контролировать их деформацию и обрабатывать их эффективно и с высоким качеством является одной из важных тем исследований в отрасли производства лопаток.

С появлением высокоэффективных ЧПУ станков процесс производства турбинных лопаток также претерпел значительные изменения. Лопатки, обработанные с использованием технологии точной обработки на ЧПУ, имеют высокую точность и короткие циклы производства, обычно 6–12 месяцев в Китае (полуфинишная обработка); и 3–6 месяцев за рубежом (обработка без остатков).