Osnovna znanja o listovima aviokotača (1)

1. Uvod u turbinsku lisćicu

KompONENTA sa najgorim radnim uslovima u turbine motoru je takođe i najvažnija rotirajuća komponenta. U komponentama na toploj strani avijskih motora, turbine listovi su izloženi eroziji visokotemperaturnih plinova i promenama temperature tijekom ciklusa pokretanja i gasenja motora, dok su rotor listovi podložni centrifugalnoj sili pri visokim brzinama. Materijal mora imati dovoljnu visokotemperaturnu tensilnu jačinu, trajnostnu jačinu, krepiranje, kao i dobru jačinu umornosti, otpornost na oksidaciju, otpornost na plinsku koroziju i odgovarajuću plastičnost. Pored toga, zahteva se i dugotrajna organizaciona stabilnost, dobra jačina udara, lijevivost i niska gustoća.

Temperatura ulaza plina u napredne avionske motore dostiže 1380℃, a snagom dosegne 226KN. Turbinine listove podvrgavaju se aerodinamičkim i centrifugalnim silama, pri čemu listovi nose povremeno napetost od oko 140MPa; koren liste nose prosečnu napetost od 280~560MPa, a odgovarajući deo liste nosi temperaturu od 650~980℃, dok je temperatura korena liste oko 760℃.

Nivo performansi turbininih listova (posebno sposobnost da nose temperaturu) postao je važan pokazatelj naprednog nivoa jedne modelne linije motora. U nekom smislu, litarski proces budućih motornih lista direktno određuje performanse motora i takođe predstavlja značajan znak razvojnog nivoa nacionalne avijske industrije.

2.Dizajn oblika lista

Kako ima mnogo lista, ako bi bili dizajnirani kao pravi regularni oblici, moglo bi se smanjiti mnogo tehnologije obrade, smanjiti se komplikovanost dizajna i smanjiti se mnoge troškove. Međutim, većina lista je zakrivljena i savijena.

Prvo vam ću predstaviti neke osnovne koncepte listova.

Prvo, šta je traka? Ispod su dva tipična dijagrama trake.

Dijagram protoka kompresora

Dijagram protoka turbine
Drugo, šta je formula za izračun obodne brzine? U kanalu protoka, obodna brzina je različita na različitim radijusima (ovo se može dobiti prema formuli u sledećem dijagramu)

Obodna brzina. Konačno, šta je ugao napada vazdušnog toka? Ugao napada vazdušnog toka jeste ugao između vazduha i tetive lopatica u odnosu na pravac brzine lopatica.

Uzimajući krilo aviona kao primer, prikazan je ugao napada vazdušnog toka. Sledeće se objašnjava zašto mora da bude savijena lopatica? Pošto su obodne brzine na različitim radijusima u kanalu toka različite, uglovi napada vazdušnog toka na različitim primitivnim nivoima radijusa mnogo se razlikuju; na vrhu lopate, zbog velikog radijusa i velike obodne brzine, uzrokuje se veliki pozitivan ugao napada, što dovodi do ozbiljnog odvajanja vazdušnog toka sa leđa lopate; na osnovi lopate, zbog malog radijusa i male obodne brzine, uzrokuje se veliki negativan ugao napada, što dovodi do ozbiljnog odvajanja vazdušnog toka sa bazena lopate.

Stoga, za prave kljupe, osim za deo najbližeg srednjeg prečnika koji još uvek može da radi, ostali delovi će izazvati ozbiljnu odvojenost vazduhoprovođenja, to jest, efikasnost kompresora ili turbine koja radi sa pravim kljunovima je ekstremno loša, i može čak doći do toga da aparat uopšte ne može da radi. Zbog ovoga moraju biti savijeni kljupe.

3.Istorija razvoja

Kako se snaga motora letelja nastavlja povećavati, to se postiže povećanjem temperature ulazne grejanja kompresora, što zahteva upotrebu naprednih lopatica sa sve većom otpornostišu na visoke temperature. Pored uslova visokih temperatura, radno okruženje lopatice na toploj strani je takođe u ekstremnom stanju visokog pritiska, teškog opterećenja, visoke vibracije i visoke korozije, pa se od lopatice zahteva da ima izuzetno visoku kompleksnu performansu. To zahteva da su lopatice izrađene od posebnih aluminijumske legure (visokotemperaturskih legura) i posebnih proizvodnih procesa (precizna litnja plus direkciono zamoćivanje) kako bi se napravile posebne matrice (jednakokrstne strukture) da bi se potrebe ispunile u najvećoj meri moguće.

Kompleksne jednokristalne praznine turbinске listove postale su jezgra tehnologije trenutnih motora sa visokim omjerom potiska i mase. Istraživanje i upotreba naprednih jednokristalnih aluminijumskeg materijala, kao i pojava tehnologije proizvodnje dvostrane ultra-zračno hladene jednokristalne listove, omogućili su da jednokristalna preparativna tehnologija igra ključnu ulogu u najnaprednijim današnjim vojnim i komercijalnim aviacionim motorima. Trenutno, jednokristalni listovi nisu samo montirani na sve napredne aviacione动机е, već se čini i sve više koriste u teškim plinskim turbine.

Jednokrystalni superlegure su vrsta naprednih materijala za turbinu koja je razvijena na osnovu jednako velikih kristala i usmerenih stulpastih kristala. Od početka 1980-ih, prva generacija jednokrystalnih superlegura poput PWA1480 i ReneN4 su široko korišćene u različitim avionskim motorima. U kasnim 1980-ima, druga generacija jednokrystalnih superlegurskih lopatica, predstavljena sa PWA1484 i ReneN5, takođe je bila široko korišćena u naprednim avionskim motorima kao što su CFM56, F100, F110 i PW4000. Trenutno, druga generacija jednokrystalnih superlegura u Sjedinjenim Državama je dosegla zrelost i široko se koristi u vojnim i građanskim avionskim motorima.

U poređenju sa prvoj generacijom jednokrystalnih alatija, druga generacija jednokrystalnih alatija, predstavljena PW-ovim PWA1484, RR-ovim CMSX-4 i GE-ovim Rene'N5, je povećala svoju radnu temperaturu za 30°C dodavanjem 3% renijuma i odgovarajućim povećanjem sadržaja molibdena, postigli su dobru ravnotežu između snažnosti i otpornosti na oksidaciju i koroziju.

U trećoj jednokrystalnoj alatiji Rene N6 i CMSX-10, sastav alatije je optimizovan u jednom koraku, ukupan sadržaj ne raspustivih elemenata sa velikim atomskim poluprečnikom je povećan, posebno dodavanjem preko 5wt% renijuma, što značajno poboljšava visokotemperaturnu trajeću snagu, trajanje života alatije pri 1150 stepeni je veće od 150 sati, što je mnogo duže od života prve generacije jednokrystalnih alatija od oko 10 sati, a takođe ima otpornost na termalnu umor, oksidaciju i termalnu koroziju.

Sjedinjene Države i Japan su redom razvile četvrtu generaciju jednokrystalnih alata. Dodavanjem rutenijuma, stabilnost mikrostrukture alija je još unapređena, a polzno snaga pri dugotrajnoj izloženosti visokoj temperaturi je povećana. Njegova trajnostna životinja pri 1100 ℃ je deset puta veća od one druge generacije jednokrystalnih alija, a radna temperatura je dostigla 1200 ℃. Jednokrystalni sastav iste generacije prikazan je ispod.

4.Bazeni materijal i tehnologija proizvodnje lopatica

Deformisani visoko temperaturni savezi lopatica

Razvoj deformabilnih visokotemperaturnih splava ima istoriju od preko 50 godina. Deformabilni visokotemperaturni splavi koji se često koriste za kapije domaćih avionskih motora prikazani su u Tabeli 1. Sa povećanjem sadržaja aluminijuma, titanija, volframa i molibdena u visokotemperaturnim splavovima, performanse materijala nastoje da se poboljšavaju, ali smanjuje se njihova topla radna sposobnost; nakon dodavanja skupog legujućeg elementa kobalta, mogu se poboljšati kompleksne performanse materijala i poboljšati stabilnost visokotemperaturne strukture.

Kapije su ključni delovi avionskih motora, a njihov obim proizvodnje čini oko 30% ukupnog obima proizvodnje motora.
Kapije avionskih motora su deo sa tankim zidovima koje je lako deformisati. Kako kontrolisati njihovu deformaciju i efikasno ih obraditi sa visokom kvalitetom jeste jedan od važnih istraživačkih tema u industriji proizvodnje kapija.

Sa pojavom visoko performantnih CNC strojeva, proces proizvodnje turbine lopatica je takođe doživeo velike promene. Lopatiči obradjeni pomoću precizne CNC tehnologije imaju visoku tačnost i kratke proizvodne cikluse, opšte 6 do 12 meseci u Kini (polu-završena obrada); i 3 do 6 meseci inozemstveno (bez-ostatkovna obrada).