Základné poznatky o lodevných listoch leteckého motora (1)

1. Úvod do turbínových lopatiek

Komponent s najhoršimi pracovnými podmienkami v turbínovom motore je tiež najdôležitejšou rotujúcou súčasťou. V hotej časti lietadlových motorov sú turbinové listy predmetom erozie vysokoteplotného plynu a teplotných zmien počas cyklov spúšťania a vypínania motora, zatiaľ čo rotorové listy sú predmetom centrifugálnej sily pri vysokých rýchlostiach. Materiál musí mať dostatočnú vysokoteplotnú tahovú pevnosť, odolnosť proti preťaženiu, pevnosť proti plazmu, ako aj dobrú únavovú pevnosť, oxidáciu, odolnosť proti plynovému korozií a primeranú plastickosť. Okrem toho sa vyžaduje aj dlhodobá organizačná stabilita, dobrá šoková pevnosť, litnost a nízka hustota.

Teplota plynového vstupu pokročilých leteckých motorov dosahuje 1380℃ a tah sa zvyšuje na 226KN. Turbínové listy sú podložené aerodynamickým a centrifugálnym silám, pričom listy prenášajú tečnú strechu asi 140MPa; koreň listu nesie priemernú strechu 280~560MPa, a príslušná časť tela listu má teplotu 650~980℃, pričom teplota koreňa listu je asi 760℃.

Úrovňa výkonu turbínových lalok (zvlášť ich teplotná nosnosť) sa stala dôležitým ukazateľom pokročilej úrovne daného typu motora. V určitej miere direktny odlievací proces budúcich lalok motorov rozhoduje o výkone motora a je tiež významnou známkou úrovne národného letectvérskeho priemyslu.

2.Návrh tvaru lalok

Keďže je viac lalok, ak by boli navrhnuté ako priamové pravidelné tvary, mohli by sme znížiť veľa technológií spracovania, znížiť návrhovú ťažkosť a znížiť veľa nákladov. Avšak väčšina lalok je skrutená a zakrivená.

Najskôr vám predstavím niektoré základné pojmy o listoch.

Po prvé, čo je spojka? Nižšie sú dve typické diagramy spojkov.

Diagram priepustnosti kompresora

Diagram toku turbine
Po druhé, aký je výpočtový vzorec pre obvodovú rýchlosť? V priepusti je obvodová rýchlosť rôzna pri rôznych polomeroch (to sa dá získať podľa výpočtového vzorca nižšie).

Obvodová rýchlosť Nakoniec, aký je uhlomerenie vzduchového toku? Uhlomerenie vzduchového toku je uhol medzi vzduchovým tokom a tetivou lalokovo vzhľadom na smer rýchlosti laloka.

Vzali sme lietadlové krídlo ako príklad, ukazuje sa uhol útoku vzduchového toku. Ďalej sa vysvetľuje, prečo musí byť lopať otočená? Pretože obvodové rýchlosti v rôznych polomeroch v kanáli sú rôzne, veľmi sa líši uhol útoku vzduchového toku na rôznych úrovniach primitívnych polomerov; na špičke lopatky, kvôli veľkému polomeru a veľkej obvodovej rýchlosti, vznikne veľký pozitívny uhol útoku, čo spôsobí vážne oddelenie vzduchového toku na zádi lopatky; na korene lopatky, kvôli malému polomeru a malej obvodovej rýchlosti, vznikne veľký negatívny uhol útoku, čo spôsobí vážne oddelenie vzduchového toku na bázi lopatky.

Pretože pri rovnomerných lopatkách, okrem časti najbližšie k stredovému priemeru, ktorá môže ešte pracovať, zvyšok častí vytvorí vážnu oddeľovanie vzduchového toku, teda efektívnosť kompresora alebo turbíny pracujúcej s rovnými lopatkami je extrémne nízka a môže dokonca dôjsť tak ďaleko, že vôbec nemôže fungovať. Preto musia byť lopatky zakrivené.

3.Vývojová história

Keď sa výkonnosť letectvérsnych motorov neustále zvyšuje, dosahuje sa to prostredníctvom zvyšovania teploty na vstupe do kompresora, čo vyžaduje použitie pokročilých lopatiek s čoraz vyššou odolnosťou pred teplom. Okrem podmienok vysokých teplôt je pracovné prostredie lopatiek na horkom konci tiež vo stave extrémnych stavov vysokého tlaku, vysokého záťaženia, vysokého vibrácie a vysokého koroziu, preto sa od lopatiek požaduje extrémne vysoká celková výkonnosť. To vyžaduje, aby boli lopaťe vyrobené zo špeciálnych alejových materiálov (vysokooteplých alejov) a špeciálnych výrobných technológii (presná odlivovacia technológia plus smerové krystalky) na vytvorenie špeciálnych maticových štruktúr (jednotkristálové štruktúry), aby sa čo najviac vyhovelo potrebám.

Komplexné jednokrystalové prázdne turbine majú teraz stáť za jadrovou technológiou súčasných motorov s vysokým pomermom tahu ku hmotnosti. Výskum a používanie pokročilých jednokrystalových alejových materiálov a vznik výrobných technológii dvojstenných ultra vzduchovo chladených jednokrystalových lopatiek umožnili jednokrystalovej príprave technológiu zohrávať kľúčovú úlohu v dnešných najpokročilejších vojenských a komerčných leteckých motorech. Momentálne sa jednokrystalové lopaťky nachádzajú nie len na všetkých pokročilých leteckých motoreoch, ale ich čoraz častejšie používajú aj ťažké plynové turbíny.

Jednokrystalové superleague sú typ pokročilých materiálov pre turbinové lalie, ktoré boli vyvinuté na základe rovnako veľkých krystalov a smerovo usporiadaných slúpkovitých krystalov. Od začiatku 80. rokov sa prvé generácie jednokrystalových superleague ako PWA1480 a ReneN4 široko používajú v rôznych leteckých motorech. V konci 80. rokov sa tiež začali široko používať druhé generácie jednokrystalových laliacích superleague reprezentovaných PWA1484 a ReneN5 v pokročilých leteckých motorech ako CFM56, F100, F110 a PW4000. Momentálne sú druhé generácie jednokrystalových superleague v USA dozrelé a široko používané v armádnych aj civilných leteckých motorech.

V porovnaní s prvou generáciou jednokrystalových ligatúr, druhá generácia jednokrystalových ligatúr, reprezentovaná PWA1484 spoločnosti PW, CMSX-4 spoločnosti RR a Rene'N5 spoločnosti GE, zvýšila svoju prevádzkovú teplotu o 30°C pridáním 3% rénia a vhodným zvýšením obsahu molýbdenú, čo dosiahlo dobrú rovnováhu medzi silou a odolnosťou proti oxidácii a korozií.

V tretej jednokrystalovej ligatúre Rene N6 a CMSX-10 je optimalizovaná skladba ligatúry v jednom kroku, celkový obsah nerozlúčiteľných prvkov s veľkým atómovým polomerom je zvýšený, obzvlášť pridanie viac než 5 hmotnostných % rénia, čo významne zvyšuje pevnosť pri vysokých teplotech, vydržiavací život ligatúry pri 1150°C je viac ako 150 hodín, čo je oveľa dlhšie ako život prvej generácie jednokrystalových ligatúr asi 10 hodín, a tiež má vysokú odolnosť proti tepelnej únavy, oxidácii a tepelnej korozií.

Spojené štáty a Japonsko postupne vyvinuli štvrtu generáciu jednokrystalových alíencií. Prídavkom rutenia sa ďalej zlepšila stabilita mikroštuctúry aliancií a zvýšila sa krčiaca pevnosť pri dlhodobej vysokooteplenej ekspozícii. Jeho odolnost pri 1100 °C je 10-krát vyššia ako u druhej generácie jednokrystalových aliancií, a prevádzkovacia teplota dosiahla 1200 °C. Jednokrystalová kompozícia tej istej generácie je uvedená nižšie.

4.Bazálny materiál a technológia výroby lopatiek

Deformovateľné vysokooteplné aliancie lopatiek

Vývoj deformovateľných vysokohtových ligat má históriu viac než 50 rokov. Bežne používané deformovateľné vysokohtové ligature na lopatky leteckých motorkov domácej výroby sú uvedené v Tabuľke 1. S nárastom obsahu hliníka, titanu, wolframu a molýbdeny v vysokohtových ligatách sa neustále zlepšujú materiálové vlastnosti, ale klesá tepelná pracovnosť; po pridani drahého ligovacieho prvku kobaltu sa môžu zlepšiť kompletné vlastnosti materiálu a stabilita vysokohtovej štruktúry.

Lopatky sú kľúčové časti leteckých motorkov a ich výrobný objem tvorí asi 30 % celkového výrobného objemu motora.
Leteckomotorové lopatky sú tenkostenné a ľahko deformovateľné časti. Ako ovládať ich deformáciu a spracovávať ich efektívne a so vysokou kvalitou je jednou z dôležitých výskumných témat v priemysle na výrobu lopatiek.

S vynálezom vysokoefektívnych CNC strojových nástrojov sa tiež podstatne zmenil výrobný proces turbinových listov. Listy spracované pomocou presnej technológie CNC mašín sú vysoce presné a majú krátke výrobné cykly, vočasne 6 až 12 mesiacov v Číne (polukoncové obrábanie); a 3 až 6 mesiacov v zahraničí (bezreziduové obrábanie).