Grundläggande kunskap om flygplansmotorblad (1)

1. Introduktion till turbinblad

Komponenten med de sämsta arbetsvillkoren i turbinmotorn är också den viktigaste roterande komponenten. I de varma delarna av flygmotorer utsätts turbinbladen för högtemperaturgaserosion och temperaturförändringar under motorns start- och nedstängningscykler, medan rotorbladen utsätts för centrifugalkraft vid höga hastigheter. Materialet kräver tillräcklig högtemperaturdragstyrka, utspänningsstyrka, kröpstyrka, samt god trötthetsstyrka, oxidationsbeständighet, gaskorrosionsbeständighet och lämplig plasticitet. Dessutom krävs långsiktig organisationsstabilitet, god kraftstyrka, gott formbarhet och låg densitet.

Inflyttnings temperatur för avancerade flygmotor når 1380℃ och driften når 226KN. Turbinbladen är utsatta för aerodynamiska och centrifugalkrafter, med bladen som bär en dragspänning på cirka 140MPa; bladets rot bär en genomsnittlig spänning på 280~560MPa, och motsvarande bladkropp utsetts för en temperatur på 650~980℃, och bladets rot är ungefär 760℃.

Prestandanivån av turbinblad (särskilt temperaturbärningsförmågan) har blivit en viktig indikator för det avancerade nivån hos en motor typ. I viss mening bestämmer castningsprocessen av framtida motorblad direkt motorns prestanda och är också en betydande markör för ett lands flygindustris nivå.

2.Bladsformdesign

Eftersom det finns många blad, om de designas till raka regelbundna former, kan mycket bearbetningsteknik minska, designsvårigheten kan lösas ner och mycket kostnad kan minskas. Men de flesta bladen är vridna och krökta.

Låt mig först introducera några grundläggande begrepp om blad.

Först, vad är en stjälk? Nedan finns två typiska diagram över stjälkar.

Kompressörsflödesdiagram

Turbins flödesvägdiagram
Andra, vad är beräkningsformeln för periferhastighet? I flödeskanalen är periferhastigheten olika vid olika radier (detta kan erhållas enligt beräkningsformeln i diagrammet nedan)

Periferhastighet Slutligen, vad är anfallsvinkeln på luftströmmen? Anfallsvinkeln på luftströmmen är vinkeln mellan luftströmmen och blads sträng relativt bladhastighetsriktningen.

Att ta flygplansvinget som ett exempel, visas attackvinkeln av luftflödet. Därefter förklaras varför bladet måste vridas? Eftersom omlopps hastigheterna vid olika radier i strömningsträschen är olika, varierar attackvinkeln av luftflödet på olika radiernas primitiva nivåer mycket; vid bladets spets, på grund av den stora radien och den höga omloppshastigheten, orsakas en stor positiv attackvinkel, vilket leder till allvarlig luftflödesseparation på baksidan av bladet; vid bladets rot, på grund av den lilla radien och den låga omloppshastigheten, orsakas en stor negativ attackvinkel, vilket leder till allvarlig luftflödesseparation i bladets basinsida.

Därför, för raka blad, utom för en del av den närmaste mid-diameter som fortfarande kan fungera, kommer resten av delarna att orsaka allvarlig strömningsseparation, det vill säga, effektiviteten hos en kompressor eller turbin som arbetar med raka blad är extremt låg, och kan till och med nå punkten där den inte alls kan operera. Därför måste bladen vridas.

3.Utvecklingshistoria

När effekten av flygplansmotorer fortsätter att öka, uppnås det genom att höja kompressorens intagstemperatur, vilket kräver användning av avancerade blad med allt högre temperaturbeständighet. Utöver högtemperaturena är arbetsmiljön för de varma delarnas blad också i en extrem tillstånd av hög tryck, hög belastning, hög vibration och hög korrosion, så bladen måste ha extremt hög totalprestanda. Detta kräver att bladen tillverkas av särskilda legeringsmaterial (högteperaturellegeringar) och särskilda tillverkningsmetoder (precisionsformning plus riktad fördjupning) för att skapa särskilda matrisstrukturer (enskikliga strukturer) och på så sätt möta behoven på bästa möjliga sätt.

Komplexa enkristalliga tomma turbinblad har blivit den kärn tekniken för de nuvarande motorer med hög tyngdtrycksförhållande. Det är forskning och användning av avancerade enkristalliga legeringsmaterial och uppkomsten av tillverknings teknik för dubbelväggade ultra-luft-kylta enkristalliga blad som har gjort att enkristallberedningstekniken spelar en nyckelroll i dagens mest avancerade militära och civila flygmotorer. För närvarande har enkristallbladen inte bara monterats på alla avancerade flygmotorer, utan de används också allt mer i tunga gasdriftskraftverk.

Enkristallsuperalloyer är en typ av avancerade motorbladsmaterial som utvecklats på basis av likformiga kristaller och riktade kolonnkristaller. Sedan tidigt 1980-tal har de första generationerna av enkristallsuperalloyer, såsom PWA1480 och ReneN4, använts i en mängd flygplansmotorer. I slutet av 1980-talet blev även den andra generationen av enkristallsuperalloys-blad, representerade av PWA1484 och ReneN5, vidare använda i avancerade flygplansmotorer som CFM56, F100, F110 och PW4000. För närvarande har den andra generationen av enkristallsuperalloyer i USA mognat och används omfattande i både militära och civila flygplansmotorer.

Jämfört med de första generations enkristalllegeringarna har de andra generations enkristalllegeringarna, som representeras av PW's PWA1484, RR's CMSX-4 och GE's Rene'N5, höjt sin drifttemperatur med 30°C genom att lägga till 3% rhenium och lämpligen öka molybdeninhållet, vilket uppnår en bra balans mellan styrka och motstånd mot oxidation och korrosion.

I den tredje enkristalllegeringen Rene N6 och CMSX-10 har legeringsammetsätningen optimerats i ett steg, det totala innehållet av olösliga element med stor atomradie har ökat, särskilt tillägget av mer än 5vikt% rhenium, vilket betydligt förbättrar den högtemperaturskrymmande styrkan, och halflivstiden för legeringen vid 1150 är mer än 150 timmar, vilket är mycket längre än livet på ungefär 10 timmar för den första generations enkristalllegeringen, och den har också hög styrka mot termiskt utmattning, oxidation och termisk korrosion.

Förenta staterna och Japan har påföljande utvecklat den fjärde generationen av enkristalllegemet. Genom att lägga till rutenium har stabiliteten av legemets mikrostruktur förbättrats ytterligare, och kröpståndigheten vid långtidsutsättning vid hög temperatur har ökat. Dess uthållighetstid vid 1100 ℃ är 10 gånger högre än för den andra enkristalllegemet, och drifttemperaturen har nått 1200 ℃. Enkristallsammansättningen av samma generation visas nedan.

4.Skalbasmaterial och tillverknings teknik

Deformerad högtemperaturslega blad

Utvecklingen av deformbara högtemperaturslegeringar har en historia som sträcker sig mer än 50 år. De vanligt förekommande deformbara högtemperaturslegeringarna som används för flygmotorbladen inhemskt visas i tabell 1. Med ökningen av aluminium, titanium, wolfram och molibdenhalt i högtemperaturslegeringarna förbättras materialens egenskaper kontinuerligt, men den varma arbetsprestandan minskar; efter tillägget av det dyra legeringselementet kobolt kan materialets totala prestanda förbättras och stabiliteten hos högtemperaturstrukturen kan förbättras.

Blad är nyckeldelar i flygmotorer, och deras tillverkningsvolym utgör ungefär 30% av den totala motorproduktionens volym.
Flygmotorblad är tunnväggade och lätt deformbara delar. Hur man kontrollerar deras deformation och bearbetar dem effektivt och med hög kvalitet är ett av de viktiga forskningsområdena inom bladstillverkningsindustrin.

Med uppkomsten av högpresterande CNC-maskiner har tillverkningsprocessen för turbinblad också genomgått stora förändringar. Blad som bearbetas med hjälp av precisions-CNC-teknik har hög noggrannhet och korta tillverkningscykler, vanligtvis 6 till 12 månader i Kina (halvslutförd bearbetning); och 3 till 6 månader utomlands (residysfri bearbetning).