Osnovna znanja o listih letalskih motorjev (1)

1. Uvod v lestvice turbine

Komponenta s najhuješčimi delovnimi pogoji v turbinskem motorju je tudi najpomembnejša rotirajoča komponenta. V komponentah zgoralih delov letalskih motorjev so turbine napovedi izpostavljene eroziji visokotemperaturnega plina in spremembam temperature med cikli zagona in ugasnjavanja motora, medtem ko so rotorjevi listi izpostavljeni centrifugalni sili pri visokih hitrostih. Material mora imeti dovolj visoko temperaturno trakovanje, trajnostno trakovanje, plazmo in hiter trak, ter tudi dobro zmornost na utrujanje, oksidacijsko upor, plinsko korozijsko upor in primerno plastino. Poleg tega se zahteva tudi dolgoročna organizacijska stabilnost, dobra udarni trak, lepičevanje in nizka gostota.

Temperatura vhoda plina v napredne letalske motorje dosega 1380℃ in potisnilna sila dosega 226KN. Turbinine listi so izpostavljeni aerodinamičnim in centrifugalnim silam, pri čemer listi nosijo povprečno povlečno napetost okoli 140MPa; koren listja nosi povprečno napetost 280~560MPa, pri čemer se teleso listja nosi temperaturo 650~980℃, kjer je temperatura korena listja približno 760℃.

Raven zmogljivosti turbininih listov (posebej nosilnost temperature) je postala pomemben kazalec naprednosti posameznega modela motora. V nekem smislu direktno določanje litnih postopkov prihodnjih motornih listov določa zmogljivost motora in je tudi značilen znak razine nacionalne letalske industrije.

2.Dizajn oblike listov

Ker je veliko listov, če jih na primer oblikujemo v ravne pravilne oblike, se lahko zmanjša veliko obdelovalnih tehnologij, se zmanjša razvojni težavnost in se zmanjšajo stroški. Vendar pa je večina listov zavijena in zakrivljena.

Pustite, da vas najprej seznamim s nekaj osnovnimi koncepti listov.

Prvič, kaj je trak? Spodaj sta dve tipični shemi traka.

Shema toka kompresorja

Shema toka turbine
Drugič, kaj je izračunski obrazec za periferijo hitrosti? V tokovnem kanalu je periferija hitrosti različna pri različnih polmerih (to lahko pridobite glede na izračunski obrazec v spodnji shemi).

Periferija hitrosti. Nazadnje, kaj je kot napada zrakovskega toka? Kot napada zrakovskega toka je kot med zrakovskim tokom in tetivo listve glede na smer hitrosti listve.

Vzamemo krilo letala kot primer, prikazan je kot napada zračnega toka. Naslednje se pojasni, zakaj mora biti list zavijen? Ker so obodne hitrosti v kanalu toka na različnih radijih različne, se veliko spreminja kot napada zračnega toka na različnih primitivnih ravneh polmera; na vrhu lista, zaradi velikega polmera in visoke obodne hitrosti, nastane velik pozitiven kot napada, kar povzroči resno ločitev zračnega toka za listom; na korenu lista, zaradi malega polmera in male obodne hitrosti, nastane velik negativen kot napada, kar povzroči resno ločitev zračnega toka v žlebu lista.

Zato, za ravne žice, razen za del najbližjega srednje premera, ki še vedno lahko deluje, bodo ostali deli povzročili resno odvajanje zračnega toka, torej je učinkovitost stiskalnika ali turbine, ki delujeta z ravne žice, izjemno slaba, in se lahko celo zgodi, da v bistvu sploh ne morejo delovati. Zato morajo biti žice zavijene.

3.Izvozna zgodovina

Kot se moč motornikov letal še naprej povečuje, se to doseže z povišanjem temperature vhoda kompresorja, kar zahteva uporabo naprednih listov s vedno višjo upornostjo predvisoke temperature. Poleg pogojev visoke temperature je delovno okolje listov na goritem koncu tudi v ekstremnem stanju visokega tlaka, visoke obremenitve, visoke vibracije in visoke korozije, zato se listom zahteva, da imajo izjemno visoko kompleksno zmogljivost. To zahteva, da so listi izdelani iz posebnih splavov (visokotemperaturnih splavov) in posebnih proizvodnih postopkov (točna lihnenja plus smerne zravnave), da bi ustvarili posebne matrične strukture (enakrystalne strukture), ki čim bolj zadovoljijo potrebe.

Kompleksne enokrystalne prazninske turbinne listve so postale jedra tehnologija trenutnih motorjev z visokim razmerjem potiska in teže. Raziskave in uporaba naprednih enokrystalnih legur je skupaj z pojavom tehnologije proizvodnje dvojnozdruženih ultra-zračno-hladjenih enokrystalnih listov omogočile, da igrajo enokrystalne pripravne tehnologije ključno vlogo v danes najnaprednejših vojaških in civilnih letalskih motorjih. Trenutno so enokrystalne listve nameščene na vseh naprednih letalskih motorjih in se vedno več uporabljajo tudi v težkih plinovih turbineh.

Enokrystalni superlegure so vrsta naprednih materialov za motorne lade, ki so bili razviti na osnovi enakomernih kristalov in smerne stolpičaste krystalizacije. Od zacetka 1980-ih so prve generacije enokrystalnih superlegur, kot so PWA1480 in ReneN4, bile široko uporabljene v različnih letalskih motorjih. V končnem delu 1980-ih so bile tudi druge generacije enokrystalnih superlegurnih ladij, predstavljene z PWA1484 in ReneN5, široko uporabljene v naprednih letalskih motorjih, kot so CFM56, F100, F110 in PW4000. Trenutno so druge generacije enokrystalnih superlegur v Združenih državah zrele in široko uporabljene v vojaških in civilnih letalskih motorjih.

V primerjavi s prvo generacijo enokrystalnih spojin so druge generacije enokrystalnih spojin, ki jih predstavljajo PWA1484 od PW, CMSX-4 od RR in Rene'N5 od GE, povečale svojo delovno temperaturo za 30°C z dodajanjem 3% renija in ustreznim povečanjem vsebine molibdena, dosegle pa so dobro ravnotežje med močnostjo in uporom proti oksidaciji in korozi.

V tretji enokrystalni spoji Rene N6 in CMSX-10 je optimiziran sestavin spolja, skupna vsebina neraztopljivih elementov z velikim atomskim polmerjem je povečana, posebej pa je dodan več kot 5 težinskih % renija, kar znatno izboljša visoko temperaturno plazmo, trajanje spojine pri 1150°C je večje od 150 ur, kar je mnogo daljše kot življenje prve generacije enokrystalnih spojin, ki je bilo okoli 10 ur, ter ima tudi visoko močno upornost proti termični utrujenosti, oksidaciji in termični korozi.

Združene države in Japonska sta zaporedoma razvili četrto generacijo enokristalnih spojin. S dodajanjem rutenija je bila stabilnost mikrostrukture spojine še bolj izboljšana, hkrati pa se je povečala plazma pri dolgotrajnem vplivu visoke temperature. Njegova trajnostna življenjska doba pri 1100 ℃ je desetkrat višja kot tista drugih enokristalnih spojin, delovna temperatura pa je dosegli 1200 ℃. Sestava enokristalne spojine iste generacije je prikazana spodaj.

4.Osnovni material in izdelovalna tehnologija listov

Deformirane visoko temperaturne spojine listov

Razvoj deformabilnih visokotemperaturnih spojev ima zgodovino več kot 50 let. Pogosto uporabljene deformabilne visokotemperaturne slitine za domače letalske motorne listve so prikazane v tabeli 1. Z povečanjem vsebine aluminija, titanu, wolframu in molibdena v visokotemperaturnih slitinah se pojavno izboljšujejo lastnosti materiala, vendar pa se zmanjša njihova toplotna delatičnost; po dodajanju dragocenega slitnega elementa kobalta se lahko izboljša kompleksna lastnost materiala ter stabilnost visokotemperaturne strukture.

Listve so ključne komponente letalskih motorjev, pri čemer njihov proizvodni obseg zaseda približno 30 % skupnega obsega proizvodnje motora.
Letalske motorne listve so komponente s tlehimi stenami, ki se lahko enostavno deformirajo. Kako nadzorovati njihovo deformacijo in jih učinkovito in z visoko kakovostjo obdelati je ena od pomembnih raziskovalnih tem v industriji proizvodnje listev.

Z pojavom visoko zmogljivih strojev CNC se je tudi izdelovalni postopek turbinskih listov znatno spremenil. Listi, obdelani z uporabo precizne tehnologije CNC obrabe, imajo visoko natančnost in kratke izdelovalne cikle, v Kitajski tipično 6 do 12 mesecev (polzavršna obrava); in 3 do 6 mesecev v tujini (brezobratna obrava).