Hur tillverkas högtrycks turbine rotorblad i flygmotorer?

Principen för hur högtrycks turbine rotorblad i flygplansmotorer tillverkas är mycket enkel, men de olika parametrarna i detta process kräver många experiment för att få fram parametrarna för varje nod, sammansättningen av bifogade material, och mycket tur.

Först kräver högtrycks turbine rotorbladen komplexa inre kylkanaler (se figuren nedan). Först tillverkas de inre kylkanalerna (utom kyl luftöppningar, som vi ska diskutera senare). Vaxmolden formar sedan med en speciell keramik för att skapa kanalerna.

Efter att ha denna keramiska luftvägsform, sätt ihop den med bladets yttre form och lägg den i gjutugnen. Den smälta superalloy* går in i formhålan från topp till botten (inklusive keramiska luftvägsinnformen och vaxets yttre form). Det är mycket krävande att göra otaliga lager av beläggningar mellan varje formgjordning. Tyska företag använder robotar för att göra det, och det verkar som om Ryssland fortfarande använder mormors borstar. Dessa beläggningar avgör direkt kastkvaliteten, och toleransnivån är extremt låg.

Just nu kommer maskinen för kastning att strikt kontrollera temperaturen på den smälta superalloy, och sedan låter den solidifiera på en horisontell plan (det vill säga, kristallens växt), från botten till toppen, när kristallen växer i spiral (kristallväljaren), de trycker och väljer varandra ut, och till slut kommer endast en kristall som är närmast den förutbestämda riktningen att finnas kvar, och denna kristall fortsätter att växa uppåt.

Eftersom högtrycksaxeln måste rotera mer än 10 000 gånger är varje del utsatt för mer än 10 ton av centrifugalkraft, och eftersom styrkan hos nikkelkristaller i varje riktning skiljer sig, så måste dess diagonal (den starkaste riktningen) ligga inom 10 grader av centrifugalkraftens riktning. (Noggrant att påpeka, den enriktade nikkelbaserade alloyen som används i lavtrycksturbinsrotorn kräver kristallriktning men inte bara en enda kristall, eftersom smältpunkten för en enskild kristall är 50K högre än för polycrystallin (inklusive enriktad kristall)).

Avkastningsgraden är inte hög. Såvitt jag vet har många utmärkta precisionsformgjutningsfabriker i Tyskland försökt med denna process och till slut gått i konkurs. Tröskeln är verkligen för hög.

Till sist erhålls det färdiga produkten och en särskild bas används för att lösa upp den keramiska luftvägsmolden som finns kvar i luftvägen för att göra svalningshål. Det finns elektroerosionshål och elektrokemiska hål. De vanligaste hålen görs av laser. Formen på hålen är också mycket komplex. Därefter följer galvaniskt lagning, vilket också är ett omfattande kunskapsområde.

Bilden nedan visar polycrystal till vänster, unidirektionell kristall i mitten och enkelkristall till höger.

Dock, efter gjutningen har bladen inga luftöppningar som ansluter den inre kylningsluftledningen och bladytan. Detta görs vanligtvis med laser. Eftersom kylningsluften har förlorat mycket tryck när den tas från högtryckscompressorn och flödar från den tomma axeln till högtrycksturbinen, även om det centrala luftflödet förlorar tryck när det passerar brännkammaren, och processen från axeln till bladet har en viss centrifugalkomprimerings- och tryckförstärknings-effekt, krävs det fortfarande ett högre statiskt tryck för att leda kylningsluften till bladytan. I detta skede behövs en öppning med en utvidrad korssnittsarea för att hantera kylningsluften, minska dynamiska trycket och öka statiska trycket, och sedan drar kylningsluften det varma centrala luftflödet ifrån bladytan (mycket nonsens). Dessutom orsakar för hög hastighet att kylan strömmar direkt in i det centrala luftflödet, och den har en annan uppgift, nämligen att bilda en kylningsluftfilm på bladytan för att skydda bladet, vilket kräver deceleration och tryckökning.

Därför behöver denna typ av hål optimera sin geometriska form för olika positioner. Laserborring kan enkelt automatiseras, men nackdelen är att det kommer att finnas inre yttre spänningar.

Stjärnan på turbinens stator (enriktad kristall, avsides) måste ha vakenkylhål borade för att tjäna den efterföljande turbinrotorn. Detta hål är extremt smalt och kan inte klara av inre spänningar, så det tillverkas med elektrokemisk korrosion. Självklart är dessa inte absoluta, och olika företag har olika bearbetningsmetoder.

Efter att ha gjort detta erhålls en endakristallturbinblad, men det har ännu inte blivit belagt. Moderna turbinblad kräver en skikt av zirkonia termaalbarriärbeläggning, en zirkoniaoxidkeramik. Eftersom det är keramik är den till viss del spricklig. När turbinen arbetar, om det finns en liten deformation, kan hela biten lossna av, och turbinbladen kommer omedelbart att smälta. Detta är absolut otillåtet inom Hangfa.

Därefter finns det EB-PVD-processen (Elektronstrålsfysiskt ångdeposition), en ångdepositionsmetod.

Naturligtvis finns det många lager av andra material innan man tillverkar det, som platinbeläggning (platin), plasma-sprutning etc. Det finns också ett lager för att förstärka zirkoniat och klistra fast det som lim. Naturligtvis finns det små skillnader mellan varje företag, och de är inte statiska.

Först skjuter elektronkanonen ut en elektronstråle, som leds av det magnetiska fältet och träffar zirkoniaunderlaget. Underlaget, som bombardseras av elektronerna, kommer att gå över i en gasform, och den gasformiga zirkonien leds till bladets yta för att börja växa. Zirkonien kommer att växa till små stavar med en diameter på 1 mikron och en längd på 50 mikron, täta över ytan på bladen utan att porerna täcks. Eftersom det inte är en hel bit keramik kan de små stavarna röra sig lite relativt mot varandra utan att hela biten lossnar, vilket löser problemet med misslyckande orsakat av deformation.

Zirkonia har extremt hög hårdhet och extremt låg termisk ledningsförmåga, vilket kan uppnå en mycket brant temperaturgradient mellan nikkelunderlaget och den varma kärnluftströmmen. Med intern kylning och luftfilmkyla kan loppen arbeta länge med hög styrka och hög tillförlitlighet i en miljö som är mycket högre än sin egen smältpunkt.

Åt det här laget är ytan på loppen klar. För att passa in i turbinhjulet behöver loppen också ha en tallformad eller mortel-och-tornstruktur i rotens del.

Som nämnts ovan utövar varje turbinlopp mer än tio ton centrifugalkraft när de arbetar, och lopps fäste behöver också bearbetas mycket noga. Nikelbaserade superlegeringar är mycket hårdare, högtemperaturbeständiga och mycket svåra att bearbeta.

Loppets fäste grindes ut. Loppen hålls fast av ett speciellt fästmiddel, och de övre och undre grindstenarna med motsatt geometri (honomold) grindes inåt.

Detta kommer att orsaka att slipringen snabbt slutar fungera, så en positiv diamantslipring läggs till på utsidan av de båda slipringarna för att kontinuerligt slita på slipringen och hålla den i drift. De industriella diamanterna på diamantslipringen klistras på av robotar.

Efter dessa processer och inspektion är bladen redo att arbeta. Det är bara en del av en flygmotor, och en flygmotor är bara en modul på ett flygplan.