Eftersom prestandakraven för flygplan för transport, militär, produktion och andra ändamål ökade kunde de tidigaste kolvmotorerna inte längre möta behoven för höghastighetsflyg. Därför, sedan 1950-talet, har gasturbinmotorer gradvis blivit mainstream.
1928 påpekade Sir Frank Whittle från Storbritannien i sin examensuppsats "Future Development in Aircraft Design" när han studerade vid militärakademin att den framtida utvecklingen av propellermotorer inte kunde anpassa sig till behoven under den tekniska kunskapen vid den tiden. på hög höjd eller flyghastigheter över 800 km/h. Han föreslog först konceptet med vad som nu kallas en jetmotor (motormotor): komprimerad luft tillförs förbränningskammaren (förbränning) genom en traditionell kolv, och den högtemperaturgas som genereras används direkt för att driva flygningen, vilket kan betraktas som en propellermotor plus en förbränningskammarkonstruktion. I efterföljande forskning övergav han tanken på att använda en tung och ineffektiv kolv och föreslog att man skulle använda en turbin (turbin) för att ge tryckluft till förbränningskammaren, och turbinens kraft erhölls från högtemperaturavgaserna. 1930 ansökte Whittle om patent och 1937 utvecklade han världens första centrifugalturbojetmotor, som officiellt användes i Gloster E.28/39-flygplanet 1941. Sedan dess har gasturbinmotorer dominerat flygkraften och är en viktig symbol för ett lands vetenskapliga och tekniska industriella nivå och omfattande nationella styrka.
Flygplansmotorer kan delas in i fyra grundläggande typer beroende på deras användning och strukturella egenskaper: turbojetmotorer, turbofläktmotorer, turboaxelmotorer och turbopropmotorer:
Flyggasturbinmotorer kallas turbojetmotorer, som är de tidigaste gasturbinmotorerna som används. Ur perspektivet av hur drivkraften genereras är turbojetmotorer de enklaste och mest direkta motorerna. Resonemanget bygger på reaktionskraften som genereras av höghastighetsinsprutningen av virveln. Det snabba luftflödet tar dock bort mycket värme och kinetisk energi samtidigt, vilket orsakar stora energiförluster.
Turbofläktmotorn delar in luften som strömmar in i motorn i två banor: den inre kanalen och den yttre kanalen, vilket ökar det totala luftflödet och minskar avgastemperaturen och hastigheten på det inre kanalens luftflöde.
Turboaxel- och turbopropmotorer genererar inte dragkraft genom luftflödesinsprutning, så avgastemperaturen och hastigheten reduceras kraftigt, den termiska verkningsgraden är relativt hög och motorns bränsleförbrukning är låg, vilket är lämpligt för långdistansflygplan. Propellerns hastighet förändras i allmänhet inte, och olika dragkrafter erhålls genom att justera bladvinkeln.
Propfanmotorn är en motor mellan turboprop- och turbofläktmotorer. Den kan delas in i propfanmotorer med kanalpropellerhus och propfanmotorer utan kanalpropellerhus. Propfan-motorn är den mest konkurrenskraftiga nya energibesparande motorn som är lämplig för subsonisk flygning.
Civila flygmotorer har gått igenom mer än ett halvt sekel av utveckling. Motorns struktur har utvecklats från den tidiga centrifugalturbinmotorn till axialmotorn med en rotor, från turbojetmotorn med dubbla rotorer till turbofläktmotorn med lågt bypassförhållande och sedan till turbofläktmotorn med högt bypassförhållande. Strukturen har kontinuerligt optimerats med strävan efter effektivitet och tillförlitlighet. Turbinens inloppstemperatur var endast 1200-1300K i den första generationen turbojetmotorer på 1940- och 1950-talen. Den ökade med cirka 200K med varje flygplansuppgradering. På 1980-talet nådde turbinens inloppstemperatur för fjärde generationens avancerade stridsflygplan 1800-2000K[1].
Principen för centrifugalluftkompressor är att pumphjulet driver gasen att rotera med hög hastighet, så att gasen genererar centrifugalkraft. På grund av gasens expansionstryckflöde i pumphjulet ökar gasens flödeshastighet och tryck efter att ha passerat genom pumphjulet, och tryckluft produceras kontinuerligt. Den har en kort axiell dimension och ett högt enstegstryckförhållande. Axialflödesluftkompressor är en kompressor där luftflödet i princip flyter parallellt med det roterande pumphjulets axel. Axialflödeskompressorn består av flera steg, varje steg innehåller en rad med rotorblad och en efterföljande rad med statorblad. Rotorn är arbetsbladen och hjulet, och statorn är styrningen. Luften accelereras först av rotorbladen, retarderas och komprimeras i statorbladskanalen, och upprepas i flerstegsbladen tills det totala tryckförhållandet når önskad nivå. Axialflödeskompressorn har en liten diameter, vilket är bekvämt för tandem i flera steg för att erhålla ett högre tryckförhållande.
Turbofläktmotorer använder vanligtvis bypass-förhållande, motortryckförhållande, turbininloppstemperatur och fläkttryckförhållande som designparametrar:
Bypass-förhållande (BPR): Förhållandet mellan massan av gas som strömmar genom utloppskanalerna och massan av gas som strömmar genom de inre kanalerna i motorn. Rotorn på framsidan av en turbojetmotor brukar kallas lågtryckskompressor och rotorn på framsidan av en turbofläktmotor brukar kallas fläkt. Den trycksatta gasen som passerar genom lågtryckskompressorn passerar genom alla delar av turbojetmotorn; gasen som passerar genom fläkten är uppdelad i de inre och yttre kanalerna. Sedan framväxten av turbofläktmotorer har BPR ökat, och denna trend är särskilt tydlig i civila turbofläktmotorer.
Motortrycksförhållande (EPR): Förhållandet mellan det totala trycket vid munstyckets utlopp och det totala trycket vid kompressorns inlopp.
Turbinens inloppstemperatur: Temperaturen på förbränningskammarens avgaser när det kommer in i turbinen.
Fläktens kompressionsförhållande: Kallas även för kompressionsförhållandet, förhållandet mellan gastrycket vid kompressorns utlopp och gastrycket vid inloppet.
Två effektivitetsvinster:
Termisk verkningsgrad: Ett mått på hur effektivt en motor omvandlar den värmeenergi som genereras vid förbränning till mekanisk energi.
Framdrivningseffektivitet: Ett mått på andelen av den mekaniska energin som genereras av motorn som används för att driva flygplanet.
På 1970-talet var USA först med att använda PWA1422 riktade stelningsblad i militära och civila flygplansmotorer.
Efter 1980-talet ökade dragkraft-till-vikt-förhållandet för tredje generationens motor till mer än 8, och turbinbladen började använda första generationens SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 och Kinas DD3. Dess temperaturbärande kapacitet är 80K högre än den för den bästa högtemperaturlegeringen PWA1422 för riktningsstelnande gjutning. Fördelar. Tillsammans med filmkylning enkanals ihålig teknologi når turbinbladens driftstemperatur 1600-1750K. .
Den fjärde generationens turbofläktmotor använder andra generationens SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 och DD6. Genom att lägga till Re-element och flerkanalig högtrycksluftkylningsteknik når turbinbladens driftstemperatur 1800K-2000K. Vid 2000K och 100h Den varaktiga styrkan når 140MPa.
Tredje generationens SX utvecklad efter 1990-talet inkluderar RenéN6, CMRX-10 och DD9, som har mycket uppenbara kryphållfasthetsfördelar jämfört med andra generationens SX. Under skydd av komplexa kylkanaler och termiska barriärbeläggningar når turbinens inloppstemperatur som den kan motstå 3000K. Den intermetalliska sammansatta legeringen som används i bladen når 2200K, och den 100 timmar långa hållbarheten når 100MPa.
För närvarande under utveckling är den fjärde generationens SX representerad av MC-NG[4], TMS-138, etc., och den femte generationens SX representerad av TMS-162, etc. Dess sammansättning kännetecknas av tillägget av nya sällsynta jordartsmetaller som t.ex. som Ru och Pt, vilket avsevärt förbättrar högtemperaturkrypprestanda hos SX. Arbetstemperaturen för den femte generationens högtemperaturlegering har nått 1150°C, vilket är nära den teoretiska gränsen för drifttemperaturen på 1226°C.
3.1 Sammansättningsegenskaper och fassammansättning av nickelbaserade enkristallsuperlegeringar
Beroende på typen av matriselement kan högtemperaturlegeringar delas in i järnbaserade, nickelbaserade och koboltbaserade, och vidare indelas i makrostrukturer för gjutning, smide och pulvermetallurgi. Nickelbaserade legeringar har bättre högtemperaturprestanda än de andra två typerna av högtemperaturlegeringar och kan fungera under lång tid i tuffa högtemperaturmiljöer.
Nickelbaserade högtemperaturlegeringar innehåller minst 50 % Ni. Deras FCC-struktur gör dem mycket kompatibla med vissa legeringselement. Antalet legeringselement som läggs till under designprocessen överstiger ofta 10. Gemenskapen för de tillsatta legeringselementen klassificeras enligt följande: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo och W är förstklassiga element som fungerar som austenitstabiliserande element; (2) Al, Ti, Ta och Nb har större atomradier, som främjar bildningen av förstärkningsfaser såsom förening Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb), och är andra klassens element; (3) B, C och Zr är tredjeklasselement. Deras atomstorlek är mycket mindre än Ni-atomerna, och de segregeras lätt till korngränserna för γ-fasen, vilket spelar en roll för att stärka korngränsen [14].
Faserna för nickelbaserade enkristall-högtemperaturlegeringar är huvudsakligen: γ-fas, γ'-fas, karbidfas och topologisk tätpackad fas (TCP-fas).
γ-fas: γ-fas är en austenitfas med en kristallstruktur av FCC, som är en fast lösning som bildas av element som Cr, Mo, Co, W och Re upplösta i nickel.
γ'-fas: γ'-fas är en Ni3(Al, Ti) intermetallisk förening av FCC, som bildas som en utfällningsfas och bibehåller en viss koherens och missanpassning med matrisfasen, och är rik på Al, Ti, Ta och andra element.
Karbidfas: Från och med andra generationen av nickelbaserade SX tillsätts en liten mängd C, vilket resulterar i att karbider uppstår. En liten mängd karbider är dispergerade i matrisen, vilket förbättrar legeringens högtemperaturprestanda i viss utsträckning. Det är generellt uppdelat i tre typer: MC, M23C6 och M6C.
TCP-fas: Vid tjänsteåldring främjar överdrivna eldfasta element som Cr, Mo, W och Re utfällningen av TCP-fasen. TCP bildas vanligtvis i form av en platta. Plåtstrukturen har en negativ inverkan på duktilitet, krypning och utmattningsegenskaper. TCP-fasen är en av sprickkällorna till krypbrott.
Förstärkningsmekanism
Styrkan hos nickelbaserade superlegeringar kommer från kopplingen av flera härdningsmekanismer, inklusive solid lösningsförstärkning, nederbördsförstärkning och värmebehandling för att öka dislokationsdensiteten och utveckla dislokationsunderstrukturen för att ge förstärkning.
Härdning av fast lösning är att förbättra grundhållfastheten genom att lägga till olika lösliga element, inklusive Cr, W, Co, Mo, Re och Ru.
De olika atomradierna leder till en viss grad av atomgitterdistorsion, vilket hämmar dislokationsrörelse. Förstärkning av fast lösning ökar med ökningen av atomstorleksskillnaden.
Förstärkning av fast lösning har också effekten av att minska staplingsfelsenergin (SFE), vilket huvudsakligen förhindrar dislokation av tvärglidning, vilket är det huvudsakliga deformationssättet för icke-ideala kristaller vid höga temperaturer.
Atomkluster eller mikrostrukturer med kort räckvidd är en annan mekanism som hjälper till att erhålla förstärkning genom fast lösning. Re-atomer i SX segregerar i dragspänningsområdet i dislokationskärnan vid γ/γ'-gränssnittet och bildar en "Cottrell-atmosfär", som effektivt förhindrar dislokationsrörelse och sprickutbredning. (De lösta atomerna är koncentrerade i dragspänningsområdet för kantförskjutningar, vilket minskar gitterdistorsion, bildar en Coriolis-gasstruktur och ger en stark stärkande effekt av fast lösning. Effekten ökar med ökningen av koncentrationen av lösta atomer och ökningen av storleken skillnad)
Re, W, Mo, Ru, Cr och Co förstärker effektivt γ-fasen. Den fasta lösningsförstärkningen av γ-matrisen spelar en extremt viktig roll i kryphållfastheten hos nickelbaserade högtemperaturlegeringar.
Nederbördshärdningseffekten påverkas av volymfraktionen och storleken på y'-fasen. Syftet med att optimera sammansättningen av högtemperaturlegeringar är främst att öka volymfraktionen av γ'-fasen och förbättra de mekaniska egenskaperna. SX högtemperaturlegeringar kan innehålla 65%-75% av γ'-fasen, vilket resulterar i god kryphållfasthet. Detta representerar det användbara maximala värdet för den förstärkande effekten av y/y'-gränssnittet, och ytterligare ökning kommer att leda till en signifikant minskning av styrkan. Kryphållfastheten hos högtemperaturlegeringar med en hög γ'-fasvolymfraktion påverkas av storleken på γ'-faspartiklarna. När γ'-fasstorleken är liten tenderar dislokationer att klättra runt den, vilket resulterar i en minskning av krypstyrkan. När dislokationer tvingas skära av γ'-fasen når krypstyrkan sitt maximum. När γ'-faspartiklarna ökar i storlek, tenderar dislokationer att böjas mellan dem, vilket resulterar i en minskning av kryphållfastheten [14].
Det finns tre huvudsakliga nederbördsförstärkande mekanismer:
Förstärkning av gallerfelpassning: γ'-fasen är dispergerad och utfälld i y-fasmatrisen på ett koherent sätt. Båda är FCC-strukturer. Gittermissanpassningen återspeglar stabiliteten och spänningstillståndet för det koherenta gränssnittet mellan de två faserna. Det bästa fallet är att matrisen och den utfällda fasen har samma kristallstruktur och gitterparametrar med samma geometri, så att fler utfällda faser kan fyllas i y-fasen. Obalansintervallet för nickelbaserade högtemperaturlegeringar är 0~±1%. Re och Ru är uppenbarligen segregerade med y-fasen. Ökningen av Re och Ru ökar gittermissanpassningen.
Ordningsförstärkning: Dislokationsskärning kommer att orsaka oordning mellan matrisen och den utfällda fasen, vilket kräver mer energi
Dislokationsbypass-mekanism: kallas Orowan-mekanism (Orowan-böjning), det är en förstärkningsmekanism där den utfällda fasen i metallmatrisen hindrar dislokationen i rörelse från att fortsätta att röra sig. Grundprincip: När den rörliga dislokationen möter en partikel kan den inte passera igenom, vilket resulterar i bypassbeteende, dislokationslinjetillväxt och den nödvändiga drivkraften ökar, vilket resulterar i en förstärkande effekt.
3.3 Utveckling av högtemperaturlegeringsmetoder
Den tidigaste legeringen som används i högtemperaturmiljöer kan spåras tillbaka till uppfinningen av Nichrome 1906. Framväxten av turbokompressorer och gasturbinmotorer stimulerade den betydande utvecklingen av högtemperaturlegeringar. Bladen till den första generationens gasturbinmotorer tillverkades genom extrudering och smide, vilket uppenbarligen hade tidens begränsningar. För närvarande tillverkas högtemperaturlegerade turbinblad mestadels genom investeringsgjutning, särskilt riktad stelning (DS). DS-metoden uppfanns först av Versnyder-teamet från Pratt & Whitney i USA på 1970-talet [3]. Under decennierna av utveckling har det föredragna materialet för turbinblad ändrats från likaxliga kristaller till kolumnformade kristaller och sedan optimerat till enkristallmaterial med hög temperaturlegering.
DS-teknik används för att tillverka SX-komponenter av kolumnformad kärnlegering, vilket avsevärt förbättrar duktiliteten och motståndskraften mot värmechock hos högtemperaturlegeringar. DS-tekniken säkerställer att de producerade kolumnformiga kristallerna har en [001] orientering, som är parallell med delens huvudspänningsaxel, snarare än en slumpmässig kristallorientering. I princip måste DS säkerställa att stelningen av den smälta metallen i gjutgodset utförs med den flytande matarmetallen alltid i ett just stelnat tillstånd.
Gjutningen av kolumnformiga kristaller måste uppfylla två villkor: (1) Envägsvärmeflöde säkerställer att gränsytan mellan fast och vätska vid kornens tillväxtpunkt rör sig i en riktning; (2) Det får inte finnas någon kärnbildning framför rörelseriktningen för gränsytan mellan fast och vätska.
Eftersom brottet på bladet vanligtvis uppstår i den högtemperatursvaga strukturen av korngränsen, för att eliminera korngränsen, används en stelningsform med en "kornväljare"-struktur under den riktade stelningsprocessen. Tvärsnittsstorleken för denna struktur är nära kornstorleken, så att endast ett enda optimalt odlat korn kommer in i gjutstyckets formhålighet och fortsätter sedan att växa i form av en enda kristall tills hela bladet består av bara ett korn.
Kristallväljaren kan delas upp i två delar: startblocket och spiralen:
I början av DS-processen börjar kornen bilda kärnor i botten av startblocket. I det tidiga skedet av spannmålstillväxt är antalet stort, storleken liten och orienteringsskillnaden är stor. Det konkurrenskraftiga tillväxtbeteendet mellan kornen dominerar, och sidoväggens geometriska blockeringseffekt är svag. Vid denna tidpunkt är orienteringsoptimeringseffekten uppenbar; när höjden på kornen i startblocket ökar, minskar antalet korn, storleken ökar och orienteringen är nära. Det konkurrenskraftiga tillväxtbeteendet mellan kornen minskar och sidoväggens geometriska blockeringseffekt dominerar, vilket säkerställer att kristallriktningen kontinuerligt kan optimeras, men orienteringsoptimeringseffekten försvagas. Genom att minska startblockets radie och öka höjden på startblocket kan orienteringen av kornen som kommer in i spiralsektionen optimeras effektivt. Att öka längden på startblocket kommer dock att förkorta gjutningens effektiva tillväxtutrymme och ge dig en produktionscykel och förberedelsekostnad. Därför är det nödvändigt att rimligt utforma den geometriska strukturen hos substratet.
Spiralens huvudfunktion är att effektivt välja enkristaller, och förmågan att optimera kornorienteringen är svag. När DS-processen utförs i en spiral ger den krökta kanalen utrymme för dendritgrentillväxt, och kornens sekundära dendriter avancerar i riktning mot likviduslinjen. Kornen har en stark lateral utvecklingstrend, och kornens orientering är i ett fluktuerande tillstånd med svag optimeringseffekt. Därför beror valet av korn i spiralen huvudsakligen på den geometriska begränsningsfördelen, konkurrensfördelen för tillväxt och spatial expansionsfördel för kornen i spiralsegmentet [7], snarare än tillväxtfördelen med den föredragna orienteringen av kornen, vilket har en stark slumpmässighet [6]. Därför är den främsta orsaken till att kristallvalet misslyckats att spiralen inte spelar rollen som enkristallurval. Genom att öka spiralens ytterdiameter, minska stigningen, diametern på spiralytan och minska startvinkeln kan kristallvalseffekten förbättras avsevärt.
Beredningen av ihåliga enkristallturbinblad kräver mer än ett dussin steg (smältning av masterlegering, framställning av enkristallmembranskal, beredning av komplex konfiguration av keramiska kärnor, smältgjutning, riktad stelning, värmebehandling, ytbehandling, beredning av termisk barriärbeläggning, etc. ). Den komplexa processen är utsatt för olika defekter, såsom lösa korn, fräknar, korngränser med liten vinkel, strimkristaller, orienteringsavvikelse, omkristallisation, korngränser med stor vinkel och misslyckande med kristallval.
Heta nyheter2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
2024-11-26
Vårt professionella säljteam väntar på din konsultation.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
NEJ
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
