Kako su zahtevi za performanse letelica za transport, vojni, proizvodnju i druge svrhe rastli, najranije pistonski motori više nisu mogli da ispoštavaju potrebe visokobrzinskog letenja. Zbog toga, od 1950-ih, plinske turbine motore su postajali dominantni.
1928. godine, Sir Frank Whittle iz Ujedinjenog Kraljevstva je u svojoj diplomskoj tezi "Buduće razvojne pravce u dizajnu letelica" dok je studirao na vojnoj akademiji, uputio da pod tehničkim znanjem onog vremena, budući razvoj propeler motora neće moći da ispunjava potrebe visokih nadmorskih visina ili brzina leta preko 800 km/h. On je prvi put predložio koncept onoga što danas zovemo reaktivnim motorom: komprimirani vazduh se šalje u sagorevalište kroz tradicionalan piston, a visoko temperaturni plinovi koji se generišu direktno se koriste za poganjanje leta, što se može posmatrati kao kombinacija propeler motora i sagorevališta. U daljnjim istraživanjima, on je odbacio ideju korišćenja teskog i neefikasnog pistona i predložio korišćenje turbine (turbine) za obezbeđivanje komprimiranog vazduha sagorevalištu, pri čemu je snaga turbine dobijena od visoko temperaturnih otpadnih plinova. 1930. godine, Whittle je podneo patentičku prijavu, a 1937. godine je razvio prvi centrifugalni turbo reaktivni motor na svetu, koji je službeno bio implementovan u letelicu Gloster E.28/39 1941. godine. Od tada, plinske turbine dominiraju u avionskoj snazi i predstavljaju važan simbol znanstveno-tehničkog nivoa i opšte snage države.
Motore za avione se mogu podeliti na četiri osnovna tipa prema njihovom koriscenju i strukturnim karakteristikama: turbojet motore, turbofan motore, turboshaft motore i turboprop motore:
Aviacione plinske turbine se nazivaju turbojet motorima, koji su najstariji plinski turbine motori koji su bili u upotrebi. Iz perspektive načina proizvodnje potisnog snaga, turbojet motori su jednostavni i najdirektniji motori. Razlog je u reakciji sile generisanoj od visokobrzinog izbacivanja vorteksa. Međutim, visokobrzinski vazdušni tok uzima sa sobom mnogo topline i kinetičke energije istovremeno, što uzrokuje veliku gublju energije.
Turbofan motor deli vazduh koji teče u motor u dva puta: unutrašnji kanal i spoljni kanal, što povećava ukupan protok vazduha i smanjuje temperaturu i brzinu ispuhnog vazduha unutar unutrašnjeg kanala.
Turbosklopne i turboprop motori ne generišu potisak unosa zraka, pa je temperatura i brzina isparnih plinova znatno smanjena, termička efikasnost je relativno visoka, a stopa potrošnje goriva motora je niska, što je pogodno za daljnjačke letilice. Brzina vintova općenito se ne menja, a različiti potisci dobijaju se prilagođavanjem ugla lopatica.
Propfan motor je motor između turbopropa i turboventila. Može se podeliti na propfan motove sa kanalizovanim vintovima i propfan mote bez kanalizovanih vintova. Propfan motor je najkonkurentniji novi štedljiv motor koji je prilagođen podzvukovnom letenju.
Građanske aerokosmičke motore su prošli više od polovine veka razvoja. Struktura motora je evolvirala od ranog centrifugalnog turbinog motora do jednovrtnog aksijalnog toka, od dvojne vrteće turbojet mašine do motora sa niskim omjerom obilaznog toka, a zatim i do motora sa visokim omjerom obilaznog toka. Struktura je neprestano optimizovana u pronašenju efikasnosti i pouzdanosti. Temperatura ulaza na turbinu je bila samo 1200-1300K u prvom pokolenju turbojet motora iz 40-ih i 50-ih godina. Povećala se za oko 200K sa svakim nadogradnjom letelica. Do 80-ih godina, temperatura ulaza na turbinu četvrtog pokolenja naprednih bojnih letjelica je dostigla 1800-2000K[1].
Princip rada centrifugalnog vazdušnog kompresora je da impelera vozi plin da se okreće na visokoj brzini, što uzrokuje da plin izbaci centrifugalnu silu. Zbog pritiska širenja plina u impeleru, povećava se brzina i pritisak plina nakon prolaska kroz impeler, a nastaje neprekidno komprimirani vazduh. Imaju kratke dimenzije po osi i visoku jednostepenu omjer pritiska. Aksijalni vazdušni kompresor je kompresor u kojem se tok vazduha uglavnom kreće paralelno osi rotirajućeg impelera. Aksijalni kompresor se sastoji od više stupnjeva, a svaki stupanj sadrži red rotornih listova i sledeći red statornih listova. Rotor su radne liste i kotač, a stator je vodič. Vazduh se prvo ubrzava rotornim listovima, usporava i komprimira u kanalu statornih lista, a proces se ponavlja kroz više stupnjeva dok se ukupni omjer pritiska ne dostigne na traženi nivo. Aksijalni kompresor ima malu promjeru, što olakšava upotrebu u više stupnjeva za postizanje višeg omjera pritiska.
Turboreaktorski motori obično koriste omjer obilaska, tlak u motoru, temperatura ulaznog tlačišta i omjer tlaka ventilatora kao parametre dizajna:
Omjer obilaska (BPR): Omjer mase plinova koji teku kroz izlazne ductove i mase plinova koji teku kroz unutrašnje ductove motora. Rotor na prednjem delu turboreaktivnog motora se obično zove niskotlaki kompresor, dok se rotor na prednjem delu turboprop motora obično zove ventilator. Tljeni plinovi koji prolaze kroz niskotlaki kompresor prolaze kroz sve dijelove turboreaktivnog motora; plinovi koji prolaze kroz ventilator se dele na unutrašnje i spoljašnje ductove. Od pojavljivanja turboprop motora, BPR je neprestano rastao, a ovaj trend je posebno izražen u građanskim turboreaktivnim motorima.
Omjer tlaka motora (EPR): Omjer ukupnog tlaka na izlazu šake i ukupnog tlaka na ulazu kompresora.
Temperatura ulaza u turbine: Temperatura izdužnog plamena kada ulazi u turbinu.
Koeficijent kompresije ventilatora: Naziva se i koeficijent kompresije, omjer tlaka plinova na izlazu kompresora i tlaka plinova na ulazu.
Dve efikasnosti:
Termalna efikasnost: Mjera koliko učinkovito motor pretvara toplinsku energiju stvorenu šarenjem u mehaničku energiju.
Efikasnost pomicanja: Mjera koliko je mehaničke energije stvorene od strane motora korишćeno za pomicanje zrakoplova.
U 1970-ima, Sjedinjene Američke Države su prve upotrebile PWA1422 lopatice smerne solidifikacije u vojnim i građanskim avionskim motorima.
Posle 1980-ih, omjer otpornosti do težine treće generacije motora je povećan na više od 8, a turbinine listove su počeli koristiti prvu generaciju SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 i Kine DD3. Njihova sposobnost snosenja temperature je za 80K veća nego kod najboljeg smerovitog zališnog visokotemperaturnog alijansa PWA1422. Prednosti. Uz kombinovanje filma za hlađenje jednosmernom praznine tehnologije, radna temperatura turbininih listova dostiže 1600-1750K.
Četvrta generacija turboventilacionog motora koristi drugu generaciju SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 i DD6. Dodavanjem Re elemenata i višesmernom visokoprskom hlađenju, radna temperatura turbininih listova dostiže 1800K-2000K. Na temperaturi od 2000K i trajanja od 100 sati, trajna jačina iznosi 140MPa.
Treće generacije SX, razvijene posle 1990-ih, uključuju RenéN6, CMRX-10 i DD9, koje imaju vrlo izraženu prednost u odnosu na drugu generaciju SX kada je reč o otpornosti na krepovanje. Pod zaštitom složenih hlađenjnih kanala i toplinskih barijera, temperatura ulaza u turbine koju može da izdrži dostiže 3000K. Međumetalna spoja korишćena u listovima dostiže 2200K, a trajna snaga od 100 sati dostiže 100MPa.
Trenutno se razvija četvrta generacija SX, predstavljena sa MC-NG[4], TMS-138 itd., kao i peta generacija SX, predstavljena sa TMS-162 itd. Sastav je karakterisan dodavanjem novih redkih zemalja kao što su Ru i Pt, što znatno poboljšava visokotemperaturnu otpornost na krepovanje SX. Radna temperatura pete generacije visokotemperaturnih splava dostigla je 1150°C, što je blizu teoretskom granicnom radnom temperaturi od 1226°C.
3.1 Sastavne karakteristike i fazijska sastavnica nikel-temeljnih jednokrystalnih superlegura
Prema vrsti matricnih elemenata, visetemperaturne legure mogu se podeliti na željezobazne, nikel-bazne i kobalt-bazne, a dalje se mogu podijeliti na litije, forge i prašno metalurgijske makrostrukture. Nikel-bazne legure imaju bolje visetemperaturne performanse od drugih dvije vrste visetemperaturnih legura i mogu raditi dugo vreme u teškim visetemperaturnim okruženjima.
Nikl-temeljne visokotemperaturne aleje sadrže barem 50% Ni. Njihova FCC struktura čini ih vrlo saglasnim sa nekim elementima za alejanje. Broj elemenata koji se dodaju tijekom procesa dizajna često premašuje 10. Zajednički dodani elementi klasificirani su na sledeći način: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo i W su prva klasa elemenata, koji služe kao elementi stabilizacije austenita; (2) Al, Ti, Ta i Nb imaju veće atomske radijuse, što potiče formiranje jačavajućih faza poput spoja Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), i pripadaju drugoj klasi elemenata; (3) B, C i Zr su treća klasa elemenata. Njihova atomska veličina je mnogo manja od veličine nikl atomskih, a lako se segregrisu na granice zrnatosti γ faze, igrajući ulogu u jačanju granica zrna [14].
Faze nikl-temeljnih jednocrystalnih visokotemperaturnih aleja glavnostvu su: γ faza, γ' faza, karbidna faza i topološki blisko pakirana faza (TCP faza).
fazna γ: Fazna γ je faz austenita sa kristalnom strukturom FCC, koja je čvrstosno rješenje formiranom od elemenata poput Cr, Mo, Co, W i Re disolviranih u niku.
fazna γ': Fazna γ' je međumetalni spoj Ni3(Al, Ti) sa FCC strukturom koji se formira kao faz sržavanja, održavajući određenu kohereziju i neugodnost s matricnom fazom, a sadrži više Al, Ti, Ta i druge elemente.
Karbidska faz: Počevši od druge generacije niklovske SX, dodaje se mali količina ugljika, što dovodi do pojavljivanja karbida. Mali količina karbida su rasprostranjeni u matrici, što poboljšava visokotemperaturnu performansu splava do određenog stepena. Općenito se dijeli na tri vrste: MC, M23C6 i M6C.
TCP faza: U slučaju starenja servisa, prekomjerne refraktarne elemente kao što su Cr, Mo, W i Re poboljšavaju kondenzovanje TCP faze. TCP obično nastaje u obliku ploče. Pločna struktura ima negativan uticaj na trakost, križanje i osobine umora. TCP faza je jedan od izvora prska pri križanju.
Mehanizam jačanja
Jačina nikel-temeljnih superlegura potiče se od kombinacije više mehanizama za jačanje, uključujući jačanje solidnom rješenjem, kondenzaciono jačanje i toplinsko tretiranje kako bi se povećao gustina dislokacija i razvio dislokacioni podstruktura za jačanje.
Jačanje solidnim rješenjem je da se poboljša osnovna jačina dodavanjem različitih rastvorljivih elemenata, uključujući Cr, W, Co, Mo, Re i Ru.
Različiti atomski radijusi dovode do određene stepeni deformacije atomske rešetke, što sprečava pokretanje dislokacija. Jačanje solidnim rješenjem raste sa porastom razlike u veličini atoma.
Učinak pojačanja čvrstom rješenjem takođe smanjuje energiju greške stapnog reda (SFE), glavno sprečavajući prelazak dislokacija, što je glavni način deformacije neidealnih kristala u visokim temperaturama.
Atomske klasterne ili mikrostruktura kratkog raspona su još jedan mehanizam koji pomaže da postigne pojačanje kroz čvrsto rješenje. Atomi Re se segregiraju u području povlačnog stresa u jezgru dislokacije na sučelju γ/γ', formirajući "Cottrellovu atmosferu", što efikasno sprečava pokretanje dislokacija i širenje prska. (Rastvorenih atoma koncentrira u području povlačnog stresa rubnih dislokacija, smanjujući deformaciju rešetke, formirajući Coriolisov plinovit strukturni oblik i proizvođeći jak učinak čvrstog rješenja. Taj učinak raste sa porastom koncentracije rastvorenih atoma i porastom razlike u veličini.)
Re, W, Mo, Ru, Cr i Co učinkovito jačaju γ fazu. Solidna rešenja za jačanje γ matrice igraju izuzetno važnu ulogu u otpornosti na krepovanje nikel-temeljnih visokotemperaturnih splavova.
Efekat tverđenja usled osačinjivanja je utičući od zapreminske frakcije i veličine γ' faze. Cilj optimizacije sastava visokotemperaturnih splavova glavnо је da poveća zapreminsku frakciju γ' faze i poboljša mehaničke osobine. SX visokotemperaturni splavovi mogu sadržati 65%-75% γ' faze, što rezultira dobrom otpornostју na križanje. Ovo predstavlja korisno maksimalno vrednost učinka tverđenja γ/γ' sučelja, a dalje povećanje će dovesti do značajnog smanjenja otpornosti. Otpornost na križanje visokotemperaturnih splavova sa visokom zapreminskom frakcijom γ’ faze je utičuća od veličine čestica γ’ faze. Kada je veličina γ’ faze mala, dislokacije imaju tendenciju da se prevare oko nje, što dovodi do smanjenja otpornosti na križanje. Kada su dislokacije prisiljene da presijeku γ’ fazu, otpornost na križanje dostiže svoj maksimum. Pošto se čestice γ’ faze povećavaju u veličini, dislokacije imaju tendenciju da se savijaju između njih, što dovodi do smanjenja otpornosti na križanje [14].
Postoji tri glavna mehanizma pojačanja usled kondenzacije:
Pojačanje neugodnim raspoređivanjem mreže: γ’ faza je dispergirana i kondenzovana u matrici γ faze na koherenan način. Obje su FCC strukture. Neugodno raspoređivanje mreže odražava stabilnost i stanje napona na koherenom sučelju između dve faze. Najbolji slučaj je da matrica i kondenzovana faza imaju istu kristalnu strukturu i parametre mreže iste geometrije, tako da se više kondenzovanih faza može upakovati u γ fazu. Opseg neugodnog raspoređivanja kod nikl-temeljnih visokotemperaturnih alatija je 0~±1%. Re i Ru su očigledno segregirani sa γ fazom. Povećanje Re i Ru povećava neugodno raspoređivanje mreže.
Pojačanje redosledom: Presecanje dislokacija uzrokuje neredosled između matrice i kondenzovane faze, zahtevajući više energije.
Mehanizam obilaska dislokacija: nazvan Orowan mehanizam (Orowan savijanje), predstavlja mehanizam jačanja u kome faza šestica u metalu sprečava kretanje dislokacija. Osnovni princip: Kada se pomična dislokacija upotrebi sa česticom, ne može je preskočiti, što rezultira ponašanjem obilaska, rastom dislokacione linije i povećanjem potrebne pokretnosne sile, što rezultira u efektu jačanja.
3.3 Razvoj metoda litja visoko temperaturnih splavova
Najraniji spoj korišćen u visoko temperaturnim sredinama može se pratiti do izuma Nichrome-a 1906. godine. Pojava turbo kompresora i plinskih turbinskih motora pobudila je značajan razvoj visokotemperaturnih splava. Lopatica prve generacije plinskih turbinskih motora proizvodila su se ekstruzijom i forgeanjem, što je očigledno imalo ograničenja vremena. Trenutno, lopacke visokotemperaturnih splava uglavnom se izrađuju metodom investicionog lijeva, posebno usmerenim zatečivanjem (DS). DS metodu je prvi put izumio tim Versnydera od Pratt & Whitney u SAD-u u 1970-ima [3]. Tokom decenija razvoja, preferirani materijal za lopacke je promenio oblik sa jednako velikim kristalima na stubasti krystalni, a zatim optimizovan na jednokrystalne visokotemperaturne splavove.
DS tehnologija se koristi za proizvodnju kolonarnih jezgre alijansa SX komponenti, što značajno poboljšava trakost i otpornost na toplinski šok visoko temperaturnih alijansa. DS tehnologija osigurava da proizvedeni kolonarni kristali imaju orijentaciju [001], koja je paralelna glavnoj osi napora dijela, umesto nasumične kristalne orijentacije. U principu, DS mora da osigura da se zatekanje metala u litu obavlja tako da je metal koji dopunjuje uvijek u pravcu upravo zaključenog stanja.
Litanje kolonarnih kristala mora da ispunjava dva uslova: (1) Jednosmerna struja topline osigurava da se suštinsko-tekuća granica na rastućoj tački zrnanja kreće u jednom smeru; (2) Ispred kretanja suštinsko-tekuće granice ne sme da postoji nukleacija.
Zbog toga što se prelom češljave obično dešava u visoko temperaturnoj slabi strukturi na granici zrna, da bi se eliminisala granica zrna, tijekom procesa usmjerene zatečenja koristi se zatečni štoper s "selektorom zrna" strukture. Presjek ove strukture je blizu veličini zrna, tako da samo jedno optimalno rastuće zrno ulazi u štopersku školu odlijeva, a zatim nastavlja da raste u obliku jednocratkog kristala dok se cijela češljava ne sastoji od samo jednog zrna.
Selektor kristala može se podeliti na dva dela: početni blok i spiralu:
Na početku DS procesa, čestice počinju da se nukleiraju na dnu početnog bloka. U ranom stadiumu rasta čestica, njihov broj je veliki, veličina mala, a razlika u orijentaciji je velika. Dominantno ponašanje je konkurentni rast između čestica, dok je geometrijski blokirajući efekat bočne zida slab. U ovom trenutku, efekat optimizacije orijentacije je očigledan; kada se povećava visina čestica u početnom bloku, smanjuje se njihov broj, povećava se veličina i prilagođava se orijentacija. Konkurentno rast ponašanja među česticama smanjuje se, a geometrijski blokirajući efekat bočne zida postaje dominantnim, osiguravajući da se pravac kristala može neprestano optimizovati, ali sa smanjenim efekatom optimizacije orijentacije. Smanjujući poluprečnik početnog bloka i povećavajući visinu početnog bloka, može se učinkovito optimizovati orijentacija čestica koje ulaze u spiralni deo. Međutim, produžavanje dužine početnog bloka će skratiti efektivni prostor za rast litije, a takođe će povećati proizvodnji ciklus i pripremne troškove. Zbog toga, neophodno je razumno dizajnirati geometrijsku strukturu podloga.
Glavna funkcija spirale je da efikasno selektuje jedinke, dok je sposobnost optimizacije orijentacije zrnova slaba. Kada se DS proces izvodi u spiralnom kanalu, zakrivljeni put pruža prostor za rast grana dendrita, a sekundarni dendriti zrna napreduju u smeru linije likviditeta. Zrna imaju jak trend lateralnog razvoja, a orijentacija zrna je u fluktuacionom stanju, sa slabim efektom optimizacije. Stoga, selekcija zrna u spirali uglavnom zavisi od geometrijske ograničenosti prednosti, prednosti konkurentnog rasta i prednosti prostorne ekspanzije zrna u spiralnom segmentu [7], umesto da zavisi od prednosti rasta poželjne orijentacije zrna, što ima jak slučajan karakter [6]. Stoga, glavni razlog neuspeha u selekciji kristala jeste što spirala ne izvršava ulogu selekcije jedinki. Povećanjem spoljnog prečnika spirale, smanjenjem šaga, prečnika površine spirale i smanjenjem početnog ugla, efekat selekcije može biti značajno poboljšan.
Priprema praznih jednokristalnih turbinskih lopatica zahteva više od dvanaest koraka (pereleivanje master legure, priprema jednokristalne membranske omotača, priprema keramičkog jezgra složene konfiguracije, toplinsko izlaganje, direkciono zatvaranje, obrada površine, priprema topline barijera obloga itd.). Složeni proces je podložan raznim defektima, kao što su strane kristali, pletve, mala uglovna granica kristala, trakasti kristali, odstupanja u orijentaciji, rekrystalizacija, velika uglovna granica kristala i neuspeh u selekciji kristala.
Veste vruće2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Naš profesionalni prodajni tim čeka na vašu konsultaciju.
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
