Analiza zgodovine razvoja, stanja na trgu in trenda razvoja turbinskih lopatic Slovenija

Zgodovina razvoja in trendi turbinskih lopatic

Turbinske lopatice so razdeljene v dve kategoriji: vodilne lopatice turbine in delovne lopatice turbine.

Glavna funkcija vodilnih lopatic turbine je prilagajanje smeri pretoka izpušnih plinov iz zgorevalne komore. Delovna temperatura materiala lahko doseže do več kot 1,100°C, obremenitev, ki jo nosijo vodilne lopatice turbine, pa je na splošno manjša od 70 MPa. Ta komponenta se pogosto zavrže zaradi deformacije, ki jo povzroči velika toplotna obremenitev, razpok zaradi toplotne utrujenosti, ki jih povzročijo nenadne temperaturne spremembe, in opeklin, ki jih povzročijo lokalne previsoke temperature.

Turbinske lopatice se nahajajo v turbinskem motorju z najvišjo temperaturo, najbolj kompleksno obremenitvijo in najslabšim okoljem. Ta komponenta mora prenesti visoke temperature ter velike centrifugalne in toplotne obremenitve. Temperatura, ki jo prenese je 50-100℃ nižja od ustreznih vodilnih lopatic turbine, vendar pri vrtenju z visoko hitrostjo zaradi učinkov aerodinamične sile in centrifugalne sile napetost na telesu lopatice doseže 140 MPa, koren pa doseže 280-560 MPa. Nenehno izboljševanje strukture in materialov turbinskih lopatic je postalo eden ključnih dejavnikov pri izboljšanju zmogljivosti letalskih motorjev.

Turbinske lopatice, turbinska gred, turbinski disk in drugi sestavni deli skupaj tvorijo turbino letalskega motorja. Turbina je vir energije, ki poganja kompresor in druge dodatke. Turbino lahko razdelimo na dve komponenti: rotor in stator:

Turbinski rotor: Je celota, sestavljena iz turbinskih lopatic, koles, gredi in drugih vrtljivih delov, nameščenih na gredi. Odgovoren je za sesanje visokotemperaturnega in visokotlačnega zračnega toka v gorilnik za vzdrževanje delovanja motorja. Rotor turbine deluje pri visoki temperaturi in veliki hitrosti ter prenaša veliko moč, zato so njegovi delovni pogoji izjemno težki. Pri delu pri visoki temperaturi mora rotor turbine prenesti izjemno visoko centrifugalno silo in je tudi podvržen učinku aerodinamičnega navora itd. Visokotemperaturno okolje bo zmanjšalo končno trdnost materiala lopatic turbine, povzročilo pa bo tudi lezenje in erozija materiala turbinske lopatice.

Stator turbine: Sestavljen je iz vodilnih lopatic turbine, zunanjega in notranjega obroča. Pritrjen je na ohišje in njegova glavna naloga je razpršiti in usmerjati zračni tok za rotor turbine naslednje stopnje, da se sreča s trikotnikom hitrosti delovnih lopatic turbine.

Da bi izboljšali kazalnike zmogljivosti, kot je razmerje med potiskom in težo, se zahteve za toleranco lopatic letalskih motorjev in plinskih turbin na visoke temperature in visoke hitrosti vetra nenehno povečujejo. V običajnih letalskih turboventilatorskih motorjih ima turbinsko gnani kompresor največ

Zrak, ki vstopa v turbinski motor, se vrti z visoko hitrostjo na tisoče vrtljajev na sekundo. V kompresorju se zrak postopoma stisne. Tlačno razmerje večstopenjskega kompresorja lahko doseže več kot 25. Zrak pod tlakom vstopi v zgorevalno komoro motorja, se pomeša z gorivom in zgori. Plamen goriva mora stabilno goreti v visokotlačnem zračnem toku, ki teče s hitrostjo več kot 100 m/s.

Visokotlačni visokotemperaturni plinski tok iz zgorevalne komore poganja lopatice turbine, da se vrtijo s hitrostjo od tisoč do deset tisoč vrtljajev na minuto. Običajno temperatura pred turbino presega tališče materiala turbinske lopatice. Med delovanjem morajo turbinske lopatice sodobnih motorjev običajno vzdržati temperature 1600–1800℃, vetrovi s hitrostjo okoli 300 m/s in ogromen zračni pritisk, ki ga povzročajo.

Turbinske lopatice morajo zanesljivo delovati na tisoče do deset tisoč ur v tako izjemno težkem delovnem okolju. Turbinske lopatice imajo zapletene profile in uporabljajo veliko število naprednih proizvodnih tehnologij, kot so usmerjeno strjevanje, prašna metalurgija, kompleksno ulivanje votlih lopatic, kompleksna izdelava keramičnih jeder in obdelava mikro lukenj.

Turbinske lopatice so eden od sestavnih delov "dveh strojev", ki imata največ proizvodnih procesov, najdaljši cikel in najnižjo hitrost prehoda. Proizvodnja kompleksnih votlih turbinskih lopatic je postala osrednja tehnologija v trenutnem razvoju "dveh strojev".

Stanje na trgu in trendi razvoja

Lopatice v letalskih motorjih in plinskih turbinah vključujejo predvsem lopatice ventilatorjev, turbinskih lopatic in kompresorskih lopatic, od katerih vrednost turbinskih lopatic predstavlja približno 60 % celotne cene lopatic. V primerjavi z lopaticami ventilatorja so surovine lopatic turbine dragocenejše in jih je težje obdelati.

Kot pomembna vroča komponenta motorja, turbinske lopatice zahtevajo uporabo visokotemperaturnih zlitin. Njihova tehnologija taljenja zahteva visoke zahteve, nekateri kovinski mineralni viri pa so redki. Kar zadeva proizvodni proces, se turbinske lopatice na splošno uporabljajo z vlitjem za doseganje tankih sten in zapletenih hladilnih struktur. Težavnost izdelave je bistveno večja kot pri drugih rezilih.

Na primer, letalski motorji CFM56, ki se pogosto uporabljajo v serijah Boeing 737 in Airbus 320, imajo več kot tisoč turbinskih lopatic, od katerih vsaka stane več kot 10,000 juanov. Cena na enoto turbinskih lopatic v nekaterih delih celo presega 100,000 juanov.