Kot so se povečale zahteve po izvedbi letal za prevoz, vojaške namene, proizvodnjo in druge namene, so najstarejše pisanske motorje več ne morejo zadostiti potrebam visoko hitrostnega letenja. Zato se od 1950-ih počasi plinske turbine motorji spopadli v glavno stran.
V letu 1928 je v svoji diplomski nalogi "Buduča razvojna področja v oblikovanju letal" Sir Frank Whittle iz Združenega kraljestva, med študijem na vojaški akademiji, poudaril, da s tehničnimi znanstvenimi poznavanji tistega časa ne bodo prihodnje razvojne faze vrtalnih motorjev zmogle zadostiti potrebam visokih virov ali hitrostim presežnim 800 km/h. Prvi je predlagal koncept, ki se danes imenuje reaktivni motor (motor engine): stisnjena zrak je prinašen v kamero za gorenje (gorenilo) preko tradicionalnega pishtona, in visoko temperaturni plin, ki ga proizvede, se uporablja neposredno za napredovanje leta, kar se lahko obravnava kot vrtalni motor z dodano komoro za gorenje. V nadaljnjih raziskavah je prepustil idejo težkega in neučinkovitega pishtona in predlagal uporabo turbine (turbina), ki zagotavlja stisnjeno zrak v komero za gorenje, pri čemer je moč turbine izvirala iz visoko temperaturnih izpuščinskih plinov. Leta 1930 je Whittle podal patento, leta 1937 pa je razvil prvi svetovni odpricentralni turbo reaktivni motor, ki je bil uradno nameščen v letalo Gloster E.28/39 leta 1941. Od tedaj so plinske turbine dominirale v letalskih napojnih sistemih in so pomemben simbol znanstvenega in tehnološkega industrijskega raven ter splošne državne moči.
Motorje letalnih aparatov se lahko razdelijo na štiri osnovne vrste glede na njihovo uporabo in strukturne značilnosti: turbojet motorje, turbofan motorje, turboshaft motorje in turboprop motorje:
Gorske plinske turbine v letalskih motorjih imenujemo turbojet motorji, ki so najstarejše plinske turbine v uporabi. S prospectskega vidika načina, kako nastane potisk, so turbojet motorji najpreostejši in neposredni motorji. Razmišljanje temelji na reakcijski sili, ki jo generira visokohitrostno vlečenje virvja. Vendar pa visokohitrostni zračni tok odvzame veliko toplote in kinetične energije hkrati, kar povzroča velik izgub energije.
Turbofan motor razdeli zrak, ki teče v motor, na dve poti: notranji in zunanji cevovod, kar poveča skupni pretok zraka in zmanjša temperaturo in hitrost izpuhnjenega zraka v notranjem cevovodu.
Turboskrobovi in turboprop motorji ne generirajo potiska s pomočjo vstavljanja zračnega toka, zato je hitrost in temperatura izpustnega plina znatno zmanjšana, termodinamska učinkovitost pa je relativno visoka, medtem ko je poraba goriva motora nizka, kar je primerno za daljnosežne letalke. Hitrost vintov splošno ne spreminja, različni potiski pa jih dobi s prilagajanjem kota listov.
Motor propfan je motor med turboprop in turbofan motorji. Lahko se ga deli na motore propfan z vezanim vintovnim omotjem in motore propfan brez vezanega vintovnega omotja. Motor propfan je najbolj konkurenčen nov energetski štedek motor, primern predvsem za podzvočno letenje.
Civilni letalski motorji so bili razviti več kot pol stoletja. Struktura motorja se je razvila od zgodnjega centrifugalnega turbinskega motorja do enorotornega motorja z osnim pretokom, od dvorotornega turbožetnega motorja do turbofan motorja z nizkim razmerjem mimohoda in nato do turbofan motorja z visokim razmerjem mimohoda. Struktura je bila nenehno optimizirana z namenom doseganja učinkovitosti in zanesljivosti. Temperatura vhoda v turbino je bila v prvi generaciji turbodijelnih motorjev v 40. in 50. letih le 1200-1300 K. Z vsako nadgradnjo letala se je povečala za približno 200.000. Do osemdesetih let prejšnjega stoletja je temperatura vhoda turbine četrte generacije naprednih lovcev dosegla 1800-2000 K[1].
Načelo delovanja centrifugalnega zrakovnega stiskalca je, da impelera pogona plin, da se vrti ob visoki hitrosti, kar pomeni, da plin sproži centrifugalno silo. Zaradi tlakovega toka plina v impelerju se povečata hitrost in tlak plina po prehodu skozi impelero, pri čemer se neprestano proizvaja stisnjen zrak. Ima kratko osno dimenzijo in visoko enostopenjsko razmerje tlaka. Osni tokovni zrakovni stiskalce je stiskalce, v katerem teče zračni tok osnovno vzporedno z osjo rotirajočega impelera. Osni tokovni stiskalce sestavlja več stopni, vsaka stopnja vsebuje vrsto rotorjevih listov in naslednjo vrsto statorjevih listov. Rotor je delovne liste in koleso, stator pa je vodilna lista. Zrak najprej pospešijo rotorjevi listi, počasneje in se stiska v kanalu statorjevega lista, ter se ponovi v večstopnih listih dokler ne doseže zahtevanega skupnega razmerja tlaka. Osni tokovni stiskalce ima majhen premer, kar olajša uporabo večstopnjevo v zaporedju za dobljenje višjega razmerja tlaka.
Turboprop motorji običajno uporabljajo obhodni razmer, razmer tlaka motornega agregata, temperaturo vstopnega plina v turbine in razmer tlaka ventilatorja kot dizajnske parametre:
Obhodni razmer (BPR): Razmer med maso plina, ki teče skozi izhodne trbušnice, in maso plina, ki teče skozi notranje trbušnice v motorju. Rotor na prednjem delu turbodvigala se običajno imenuje nizkotlakni kompresor, medtem ko se rotor na prednjem delu turboprop motorja običajno imenuje ventilator. Tlačen plin, ki preteče skozi nizkotlakni kompresor, preteče skozi vse dele turbodvigala; plin, ki ga pregoni ventilator, se razdeli na notranje in zunanje trbušnice. Od pojavljanja turboprop motorjev se je BPR še vedno povečeval, in ta trend je zlasti očiten pri civilnih turboprop motorjih.
Razmer tlaka motorja (EPR): Razmer med skupnim tlakom na izhodu spraševalnika in skupnim tlakom na vstopu kompresorja.
Temperatura vstopa v turbinu: Temperatura izpustnega plina kamere za gorenje ob vstopu v turbine.
Stiskalna količnik ventilatorja: Tudi imenovan kot stiskalni količnik, razmerje med tlakom plina na izhodu stiskalca in tlakom plina na vstopu.
Dve učinkovitosti:
Termalna učinkovitost: Merilo, kako učinkovito motor pretvarja toploto, ki jo generira gorenje, v mehansko energijo.
Učinkovitost poganjanja: Merilo deleža mehanske energije, ki jo motor ustvari in ki se uporabi za poganjanje letalnice.
V 1970-ih so Združene države prve uporabile usmerjeno zakrpevane liste PWA1422 v vojaških in civilnih letalskih motorjih.
Po 1980-ih je omrežno-težinski razmerje tretjega generacije motorja naraslo na več kot 8, pri čemer so turbine krpelji začeli uporabljati prvo generacijo SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 in Kitajske DD3. Njihova temperaturena nosilnost je za 80K višja od najboljše smerne zrnljive litine visokotemperaturne legure PWA1422. Prednosti. V skladu s tehnologijo filmskehladjenja enosmernega prazninskega kanala dosežejo turbine krpelji delovno temperaturo med 1600 in 1750K.
Četrta generacija turbovrsnih motorjev uporablja drugo generacijo SX PWA1484, RenéN5, CMSX-4 in DD6. S dodajanjem Re elementov in večsmernega visokegoprocesa zrakomskih hladilnih tehnologij dosežejo turbine krpelji delovno temperaturo med 1800K in 2000K. Pri 2000K in 100h je dolgotrajna moč 140MPa.
Tretje generacijo SX, ki jo je razvita po letu 1990, vsebuje RenéN6, CMRX-10 in DD9, ki imajo očitne prednosti glede na drugo generacijo SX v smislu plazmenske moči. Pod zaščito kompleksnih hladilnih kanalov in toplotnih baranskih revrstvin lahko prenaša turbine vstopno temperaturo do 3000K. Mežalkovit kovina, uporabljena v listih, doseže 2200K, pri čemer je trajnostna moč po 100 urah 100MPa.
Trenutno se razvijata četrta generacija SX, zastopana s MC-NG[4], TMS-138 itd., ter peta generacija SX, zastopana s TMS-162 itd. Sestav je karakterističen zaradi dodatka novih redkih elementov, kot so Ru in Pt, kar znatno izboljšuje visoko temperaturno plazmensko lastnost SX. Delovna temperatura pete generacije visokotemperaturnih kovin je dosegljiva do 1150°C, kar je blizu teoretičnemu mejnemu delovnemu temperaturi 1226°C.
3.1 Svojnosti sestave in fazna sestava niklovih enokristalnih superlegur
Po vrsti matričnih elementov se visoko temperaturne legure delijo na železobazne, niklobazne in kobaltbazne, ter se nadalje razdeljujejo v litne, forge in prašinsko metalurgijo makrostruktur. Niklove legure imajo boljše visoko temperaturne lastnosti kot drugi dve vrsti visoko temperaturnih legur in lahko delujejo dolgo časa v težkih visoko temperaturnih okoljih.
Aluveje na bazi nikla vsebujejo vsaj 50 % Ni. Njihova FCC struktura jih dela zelo združljive s nekaterimi legiradji. Število legirad, ki se jih doda med procesom načrtovanja, pogosto presega 10. Skupnost dodanih legirad je razvrščena kot sledi: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo in W so prve-razredne elementi, ki služijo kot elementi stabilizacije austingita; (2) Al, Ti, Ta in Nb imajo večje atomske radije, kar spodbuja oblikovanje pojačujočih faz, kot je spojina Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), in so druge-razredne elemente; (3) B, C in Zr so tretje-razredne elemente. Njihova atomska velikost je mnogo manjša od atomske velikosti nikljevih atomov, in se lahko enostavno segregirajo na meje zrn γ faze, igrajo pa tudi vlogo pri pojačanju meje zrna [14].
Faze aluvijev na bazi nikla iz enotnih kристalov visokotemperaturnih legur so glavne: γ faza, γ' faza, karbidska faza in topološko blizu pakirana faza (TCP faza).
γ faza: γ faza je austingenska faza z kristalno strukturo FCC, ki predstavlja trdno rešitev, sestavljeno iz elementov, kot so Cr, Mo, Co, W in Re, disolvančnih v niklu.
γ' faza: γ' faza je medmetalična spojina Ni3(Al, Ti) s strukturo FCC, ki se oblikuje kot sedimentacijska faza, ohranja določeno koherenco in neustreznost glede na matrično fazo in vsebuje visoko količino elementov Al, Ti, Ta in drugih.
Faza karbida: Od druge generacije niklovih SX-ov se dodaja malo C, kar pripelje do pojavljanja karbidov. Malo karbidov je razpršenih v matriki, kar dovolj močno izboljša visokotemeljske lastnosti legure. Splošno jih razdelimo na tri vrste: MC, M23C6 in M6C.
Faza TCP: V primeru starejenja storitve izraženi ognjotvorivi elementi, kot so Cr, Mo, W in Re, spodbujajo kristalizacijo faze TCP. Faza TCP se običajno oblikuje v obliki plošč. Ploščasta struktura vpliva negativno na trakovitość, plazmo in lastnosti utrujenja. Faza TCP je ena od virov praskljin pri creep razteku.
Mechanism pojačevanja
Moč niklovih superlegur je rezultat združitve več mehanizmov pojačevanja, vključno z pojačevanjem rešitve, pojačevanjem krystalizacije in toplotnim obravnavanjem, ki poveča gostoto dislokacij in razvija dislokacijsko podstrukturo za pojačanje.
Pojačevanje rešitve pomeni izboljšavo osnovne moči s dodajanjem različnih rešljivih elementov, vključno z Cr, W, Co, Mo, Re in Ru.
Različni atomski polmeri povzročajo določeno stopnjo deformacije atomske mreže, kar preprečuje gibanje dislokacij. Pojačevanje rešitve naraste z povečanjem razlike v velikosti atomov.
Zmocnitev s popolnimi rešitvami vpliva tudi na zmanjšanje energije ploskovne napake (SFE), predvsem pa inhibira prehodno glitnost dislokacij, ki je glavni deformacijski način neidealnih kristalov pri visokih temperaturah.
Atomske skupine ali mikrostrukture z kratkoročnim redom so drugi mehanizem, ki pomaga doseči zmocnitev s popolnimi rešitvami. Re atomi v SX segregirajo v regiji raztegnjenega stresa v jedru dislokacije na vmesnici γ/γ', oblikujejo "Cottrellovo atmosfero", ki učinkovito preprečuje gibanje dislokacij in širjenje trbin. (Rezolvirani atomi se koncentrirajo v regiji raztegnjenega stresa robnih dislokacij, zmanjšujejo deformacijo rešetke, oblikujejo Coriolisov plinov strukturo in ustvarjajo močen učinek zmocnitve s popolnimi rešitvami. Ta učinek naraste z povečanjem koncentracije rezolviranih atomov in z povečanjem velikostne razlike.)
Re, W, Mo, Ru, Cr in Co učinkovito pojačujejo fazo γ. Pojačevanje steklena rešitve v matriksi γ igra izjemno pomembno vlogo pri polznozični moči niklovih visoko temperaturnih legur.
Učinek otopinskega zaostrjanja je vplivan na prostorninski del in velikost faze γ'. Namen optimizacije sestave visoko temperaturnih spojin je glavno povečanje prostorninskega dela faze γ' ter izboljšanje mehanskih lastnosti. SX visoko temperaturne spojine lahko vsebijo 65%-75% faze γ', kar pomeni dobro črpno moč. To predstavlja uporabno maksimalno vrednost posiljevalnega učinka vmesnika γ/γ', kjer nadaljnje povečanje povede do značilnega zmanjšanja moči. Črpna moč visoko temperaturnih spojin z visokim prostorninskim deležem faze γ' je vplivana od velikosti delcev faze γ'. Ko je velikost faze γ' majhna, se dislokacije navdignejo okoli nje, kar pomeni zmanjšanje črpne moči. Ko so dislokacije prisiljene, da presekajo fazo γ', doseže črpna moč svoj maksimum. S povečanjem velikosti delcev faze γ' se dislokacije večinoma ukrivljajo med njimi, kar pomeni zmanjšanje črpne moči [14].
Obstaja tri glavna mehanizma pojačevanja s padežem:
Pojačevanje zaradi neujemanja mreže: faza γ’ je razsevana in沉淀 v matriksi faze γ na koherentni način. Obe imata FCC strukture. Neujemanje mreže odraža stabilnost in stanje napetosti na koherentni ploskvi med obema fazama. Najboljši primer je, da imata matrika in fase, ki se sedimentirajo, isto kristalno strukturo in parametre mreže iste geometrije, tako da se več sedimentiranih faz lahko zapolni v fazi γ. Obseg neujemanja pri niklovih visoko temperaturnih spojinah je 0~±1%. Re in Ru sta očitno segregirana z fazo γ. Povečanje Re in Ru poveča neujemanje mreže.
Pojačevanje reda: Premikanje dislokacij povzroča nered med matriko in sedimentirano fazo, kar zahteva več energije.
Mechanism obhoda dislokacij: imenovan Orowanov mechanism (Orowanovo oblukanje), ki predstavlja mehanizem pojasnitve, v katerem faza sranj v kovinsko matriko preprečuje gibanje dislokacij. Osnovni načelo: Ko se gibajoča dislokacija sreča delico, ne more skozi, kar pomeni, da jo obkrivi, raste dislokačna črta in potrebna gonilna sila se poveča, kar povzroči pojasnitev.
3.3 Razvoj metod lepanja visoko temperaturnih legur
Najstarejša legura, uporabljena v visokotemperaturnih okoljih, se lahko sledi do izuma Nichrome leta 1906. Pojav turbo kompresorjev in plinskih turbinskih motorjev je spodbudil znaten razvoj visokotemperaturnih legur. Lopatica prve generacije plinskih turbinskih motorjev je bila proizvedena s tlačenjem in kovino, kar je očitno imelo omejitve tedanjega časa. Trenutno so lopatice iz visokotemperaturnih legur večinoma izdelovane s pripuščevalnim litjevništvom, posebej s smerno zrnovanjem (DS). Metoda DS je bila prvič izumljena s strani ekipe Versnyderja iz podjetja Pratt & Whitney v ZDA v 70. letih [3]. V decenijah razvoja se je material za lopatico spremenil iz enakomerne kristalne strukture v stolpcasto kristalno strukturo, nato pa optimiziran v material iz enega kristala visokotemperaturne legure.
DS tehnologija se uporablja za proizvodnjo stebastičnih jedrskega alijansa SX komponentov, kar značilno izboljša trakljivost in upornost proti termičnemu šoku visokotemperaturnih alijanc. DS tehnologija zagotavlja, da imajo proizvedeni stebasti kristali usmeritev [001], ki je vzporedna glavnemu osnovnemu osi dela, namesto naključne kristalne usmeritve. Na principu gledano mora DS zagotoviti, da se zakrpevanje kovina v litju izvaja tako, da je kovina, ki hrani, vedno v pravem zakrpelom stanju.
Litje stebastih kristalov mora izpolniti dva pogoja: (1) Enosmerna toplotna struja zagotavlja, da se suhoparna suhoparna meja na rastujoči točki žica premika v eni smeri; (2) Pred gibanjem suhoparne meje ne sme prihajati do nukleacije.
Ker se prelom žice običajno zgodbi v visoko temperaturni slabi strukturi med kristalnimi meji, se med smerno zakrpevanjem uporablja zakrpevalna forma s "izbirnikom kristalov", da se izbriše meja kristala. Premer te strukture je približno enak velikosti kristala, tako da se le en samopostojno rastljiv kristal vnesel v formo za zakrpev in nato nadaljuje s rastjo v obliki enokristalnega snovi, dokler se celotna žica ne sestavi iz le enega kristala.
Izbirnik kristalov se lahko razdeli na dve dele: začetni blok in spiralo:
Na začetku procesa DS se žitca začne kристalizirati na dnu izhodiščnega bloka. V zgodnji fazi rasti žitic je njihovo število veliko, velikost majhna in orientacijska razlika velika. Med žitci dominira konkurenčno rastno vedenje, medtem ko je geometrijski blokirski učinek stranskega zidu slab. V tem času je učinek optimizacije orientacije očiten; ko se poveča višina žitic v izhodiščnem bloku, se število žitic zmanjša, velikost poveča in orientacija postane bližja. Konkurenčno rastno vedenje med žitcami se zmanjša, medtem ko geometrijski blokirski učinek stranskega zidu prevzame nadominsko vlogo, kar omogoča neprekinjeno optimiziranje kristalske smeri, a učinek optimizacije orientacije se oslabi. Z zmanjšanjem polmera izhodiščnega bloka in povečanjem njegove višine se lahko učinkovito optimizira orientacija žitic, ki vstopajo v spiralni del. Vendar pa povečanje dolžine izhodiščnega bloka skrati učinkovito rastno prostoro za ledeno litje ter poveča proizvodni cikel in pripravne stroške. Zato je potrebno razumno zasnovati geometrijsko strukturo podlage.
Glavna funkcija spirale je učinkovito izbiranje enokristalnih struktur, pri čemer je sposobnost optimizacije smeri zrnka slaba. Ko se DS postopek izvaja v spiralni obliki, kriva kanal ponuja prostor za rast vej drendritov, in sekundarni dendriti zrnja naprej rasto v smeri ledočrte linije. Zrnja imajo močno stransko trend rasti, in smer zrnja je v nihanju, z malo učinkovito optimizacijo. Zato izbira zrnka v spirali glavno odvisno od geometrijske omejitve prednosti, konkurenčne rasti prednosti in prostorske razširitve prednosti zrnka v spiralnem segmentu [7], namesto rasti prednosti priljubljene orientacije zrnka, ki ima močno naključnost [6]. Zato je glavni razlog neuspeha izbire kristala, da spirala ne igra vloge enokristalne izbire. S povečanjem zunanjega premera spirale, zmanjšanjem škrube, premera spiralske površine in zmanjšanjem začetnega kota, je mogoče znatno izboljšati učinek izbire kristala.
Priprava praznih enokristalnih turbinev zahteva več kot dvanajst korakov (toplenje master legure, priprava enokristalne membranske oblepšave, priprava keramičnega jedra z zapleteno konfiguracijo, litje v toplo, smerno zakrpevanje, toplinsko obdelavo, površinsko obdelavo, pripravo termičnega bariernega revitve, itd.). Zelo zapleten proces je podrlžan različnim defektom, kot so strane kristali, pihave, meja malih kótov, risanje kristalov, odstopanje od smeri, recrystalizacija, meja velikih kótov in neuspeh v izbiri kristala.
Aktualne novice 2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Naša profesionalna prodajna ekipa čaka na vaše posvetovanje.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
NO
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
