ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับใบพัดของเครื่องยนต์อากาศยาน (1)

1. บทนำเกี่ยวกับใบพัดเทอร์ไบน์

ส่วนประกอบที่มีสภาพการทำงานแย่ที่สุดในเครื่องยนต์เทอร์ไบน์ยังเป็นส่วนประกอบหมุนที่สำคัญที่สุด ในส่วนปลายร้อนของเครื่องยนต์อากาศยาน ใบพัดเทอร์ไบน์จะถูกกัดกร่อนโดยแก๊สความร้อนสูงและเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว่างวงจรการเริ่มต้นและปิดเครื่องยนต์ และใบพัดโรเตอร์จะถูกแรงเหวี่ยงที่ความเร็วสูง ส่วนวัสดุจำเป็นต้องมีความแข็งแรงดึงที่อุณหภูมิสูงเพียงพอ ความทนทาน ความแข็งแรงจากการคลาน (creep strength) นอกจากนี้ยังต้องมีความแข็งแรงจากความเหนื่อยล้าที่ดี ความต้านทานการเกิดออกซิเดชัน ความต้านทานการกัดกร่อนจากแก๊ส และความยืดหยุ่นที่เหมาะสม อีกทั้งยังต้องการเสถียรภาพเชิงโครงสร้างระยะยาว ความแข็งแรงจากการกระแทกที่ดี การหล่อที่ดี และความหนาแน่นต่ำ

อุณหภูมิของก๊าซที่เข้าสู่เครื่องยนต์อากาศยานรุ่นล้ำสมัยสามารถถึง 1380℃ และแรงดันขับพุ่งสูงถึง 226KN เหล่าใบจักรไอน้ำจะต้องทนต่อแรงพลศาสตร์และแรงเหวี่ยง โดยใบจักรต้องรับแรงดึงประมาณ 140MPa ส่วนรากของใบจักรจะต้องทนแรงเฉลี่ยอยู่ที่ 280~560MPa และส่วนลำตัวของใบจักรจะต้องทนอุณหภูมิระหว่าง 650~980℃ ในขณะที่รากของใบจักรจะต้องทนอุณหภูมิประมาณ 760℃

ระดับประสิทธิภาพของใบจักร (โดยเฉพาะความสามารถในการทนอุณหภูมิ) ได้กลายเป็นตัวชี้วัดสำคัญสำหรับความล้ำหน้าของเครื่องยนต์แต่ละรุ่น ในทางหนึ่ง การหล่อแบบของใบจักรเครื่องยนต์ในอนาคตจะเป็นปัจจัยกำหนดโดยตรงถึงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ และยังเป็นเครื่องหมายสำคัญของระดับอุตสาหกรรมการบินของประเทศอีกด้วย

2.การออกแบบรูปร่างของใบจักร

เนื่องจากมีใบจักรจำนวนมาก หากออกแบบให้มีรูปร่างตรงและเป็นมาตรฐาน จะลดเทคโนโลยีการผลิตลงได้มาก ลดความยากในการออกแบบ และลดต้นทุนได้มากมาย อย่างไรก็ตาม ใบจักรส่วนใหญ่มักจะมีลักษณะบิดและโค้ง

ขอแนะนำแนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับใบพัดให้คุณก่อน

ประการแรก อะไรคือ runner? ด้านล่างนี้เป็นแผนภาพ runner แบบมาตรฐานสองแบบ

แผนภาพการไหลของคอมเพรสเซอร์

แผนภาพเส้นทางการไหลของเทอร์ไบน์
ประการที่สอง สูตรคำนวณความเร็วรอบคืออะไร? ในช่องการไหล ความเร็วรอบแตกต่างกันไปตามรัศมีที่แตกต่างกัน (ซึ่งสามารถหาได้จากสูตรคำนวณในแผนภาพด้านล่าง)

ความเร็วรอบสุดท้าย อะไรคือมุมการโจมตีของกระแสอากาศ? มุมการโจมตีของกระแสอากาศคือมุมระหว่างกระแสอากาศและคอร์ดของใบพัดเมื่อเทียบกับทิศทางความเร็วของใบพัด

ยกตัวอย่างเช่นปีกเครื่องบิน มุมการโจมตีของกระแสอากาศจะแสดงให้เห็น ต่อไปนี้จะอธิบายว่าทำไมใบพัดจึงต้องถูกบิด เนื่องจากความเร็วรอบที่แตกต่างกันในแต่ละรัศมีในช่องทางการไหล มุมการโจมตีของกระแสอากาศที่ระดับรัศมีต้นฉบับต่าง ๆ จะแตกต่างกันอย่างมาก; ที่ปลายใบพัด เนื่องจากรัศมีใหญ่และมีความเร็วรอบสูง มุมการโจมตีบวกขนาดใหญ่เกิดขึ้น ส่งผลให้เกิดการแยกตัวของกระแสอากาศบนหลังใบพัดอย่างรุนแรง; ที่ฐานใบพัด เนื่องจากรัศมีเล็กและมีความเร็วรอบต่ำ มุมการโจมตีลบขนาดใหญ่เกิดขึ้น ส่งผลให้เกิดการแยกตัวของกระแสอากาศในเบสของใบพัดอย่างรุนแรง

ดังนั้น สำหรับใบพัดที่เป็นเส้นตรง นอกเหนือจากส่วนที่อยู่ใกล้เส้นผ่านศูนย์กลางกลางที่ยังสามารถทำงานได้แล้ว ส่วนที่เหลือจะเกิดการแยกตัวของกระแสอากาศอย่างรุนแรง ซึ่งหมายความว่าประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์หรือเทอร์ไบน์ที่ทำงานด้วยใบพัดเส้นตรงนั้นแย่มาก และอาจถึงขั้นไม่สามารถทำงานได้เลย นี่คือเหตุผลที่ใบพัดจำเป็นต้องมีการบิด

3.ประวัติการพัฒนา

เมื่อพลังของเครื่องยนต์อากาศยานเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ สิ่งนี้เกิดขึ้นจากการเพิ่มอุณหภูมิที่เข้าสู่คอมเพรสเซอร์ ซึ่งจำเป็นต้องใช้ใบพัดที่ก้าวหน้าและสามารถทนอุณหภูมิได้สูงขึ้น นอกจากสภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูงแล้ว ใบพัดปลายร้อนยังต้องทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น ความดันสูง โหลดสูง การสั่นสะเทือนสูง และการกัดกร่อนสูง ดังนั้นใบพัดจึงต้องมีสมรรถนะรวมสูงมาก การนี้ต้องการให้ใบพัดทำจากวัสดุโลหะผสมพิเศษ (โลหะทนความร้อน) และกระบวนการผลิตพิเศษ (การหล่อแบบแม่นยำบวกกับการแข็งตัวตามทิศทาง) เพื่อสร้างโครงสร้างเมทริกซ์พิเศษ (โครงสร้างคริสตัลเดี่ยว) ให้ตอบสนองความต้องการได้มากที่สุด

ใบพัดเทอร์ไบน์แบบกลวงเดี่ยวผลึกซับซ้อนได้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักของเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงดันต่อกำลังน้ำหนักสูงในปัจจุบัน การวิจัยและการใช้วัสดุโลหะผสมผลึกเดี่ยวขั้นสูงและการเกิดเทคโนโลยีการผลิตใบพัดผลึกเดี่ยวแบบเย็นด้วยอากาศสองชั้นได้ทำให้เทคโนโลยีการเตรียมผลึกเดี่ยวมีบทบาทสำคัญในเครื่องยนต์การบินทางทหารและพาณิชย์ที่ก้าวหน้าที่สุดในยุคปัจจุบัน ขณะนี้ ใบพัดผลึกเดี่ยวไม่เพียงแต่ถูกติดตั้งบนเครื่องยนต์การบินขั้นสูงทั้งหมดแล้ว แต่ยังถูกนำมาใช้งานมากขึ้นในกังหันแก๊ซขนาดใหญ่อีกด้วย

โลหะผสมซิงเกิลคริสตัลเป็นประเภทหนึ่งของวัสดุใบพัดเครื่องยนต์ขั้นสูงที่พัฒนาขึ้นบนพื้นฐานของผลึกแบบเท่ากันและผลึกทรงกระบอกแบบทิศทาง ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 โลหะผสมซิงเกิลคริสตัลรุ่นแรก เช่น PWA1480 และ ReneN4 ได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์อากาศยานหลากหลายชนิด ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 ใบพัดโลหะผสมซิงเกิลคริสตัลรุ่นที่สอง เช่น PWA1484 และ ReneN5 ก็ได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์อากาศยานขั้นสูง เช่น CFM56, F100, F110 และ PW4000 ปัจจุบัน โลหะผสมซิงเกิลคริสตัลรุ่นที่สองในสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาจนสมบูรณ์และถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในเครื่องยนต์อากาศยานทั้งทางการทหารและการพาณิชย์

เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมคริสตัลเดี่ยวชุดแรก โลหะผสมคริสตัลเดี่ยวชุดที่สอง เช่น PWA1484 ของ PW, CMSX-4 ของ RR และ Rene'N5 ของ GE มีการเพิ่มอุณหภูมิการทำงานขึ้น 30°C โดยการเติมเรเนียม 3% และเพิ่มปริมาณโมลิบดีนอย่างเหมาะสม ทำให้มีสมดุลที่ดีระหว่างความแข็งแรงและความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อน

ในโลหะผสมคริสตัลเดี่ยวชุดที่สาม เช่น Rene N6 และ CMSX-10 มีการปรับแต่งองค์ประกอบของโลหะผสมในขั้นตอนเดียว เพิ่มปริมาณรวมของธาตุที่ไม่ละลายและมีรัศมีอะตอมขนาดใหญ่ โดยเฉพาะการเติมเรเนียมมากกว่า 5wt% ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรงต่อการคลานที่อุณหภูมิสูงอย่างมาก อายุการใช้งานของโลหะผสมที่ 1150°C มากกว่า 150 ชั่วโมง ซึ่งยาวนานกว่าอายุของโลหะผสมคริสตัลเดี่ยวชุดแรกที่ประมาณ 10 ชั่วโมงอย่างมาก นอกจากนี้ยังมีความต้านทานต่อความเหนื่อยล้าทางความร้อน การออกซิเดชัน และการกัดกร่อนจากความร้อนสูง

สหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นได้พัฒนาโลหะผสมคริสตัลเดี่ยวชั่นที่สี่อย่างต่อเนื่อง โดยการเพิ่ม ruthenium ทำให้เสถียรภาพของโครงสร้างไมโครของโลหะผสมดีขึ้น และความแข็งแรงในการคลานภายใต้อุณหภูมิสูงในระยะยาวเพิ่มขึ้น อายุการใช้งานที่ 1100 ℃ สูงกว่าโลหะผสมคริสตัลเดี่ยวชั่นสอง 10 เท่า และอุณหภูมิการทำงานได้ถึง 1200 ℃ องค์ประกอบของคริสตัลเดี่ยวชั่นเดียวกันแสดงอยู่ด้านล่าง

4.วัสดุฐานใบพัดและเทคโนโลยีการผลิต

ใบพัดโลหะทนความร้อนแบบผิดรูป

การพัฒนาโลหะอุณหภูมิสูงที่สามารถยืดหยุ่นได้มีประวัติยาวนานกว่า 50 ปี โลหะอุณหภูมิสูงที่สามารถยืดหยุ่นได้ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับใบพัดของเครื่องยนต์อากาศยานในประเทศแสดงอยู่ในตารางที่ 1 เมื่อมีปริมาณอะลูมิเนียม ไทเทเนียม 텅สเตน และโมลิบดีนัมเพิ่มขึ้นในโลหะอุณหภูมิสูง คุณสมบัติของวัสดูก็จะพัฒนาขึ้นเรื่อย ๆ แต่ความสามารถในการทำงานร้อนจะลดลง โดยการเพิ่มธาตุผสมที่มีราคาแพงอย่างโคบอลต์ จะช่วยปรับปรุงสมรรถนะโดยรวมของวัสดุและเพิ่มความเสถียรของโครงสร้างอุณหภูมิสูงได้

ใบพัดเป็นส่วนประกอบสำคัญของเครื่องยนต์อากาศยาน และปริมาณการผลิตของใบพัดคิดเป็นประมาณ 30% ของปริมาณการผลิตเครื่องยนต์ทั้งหมด
ใบพัดของเครื่องยนต์อากาศยานเป็นชิ้นส่วนที่ผนังบางและง่ายต่อการเกิดการเปลี่ยนรูป การควบคุมการเปลี่ยนรูปของชิ้นส่วนเหล่านี้และทำการประมวลผลอย่างมีประสิทธิภาพและคุณภาพสูงเป็นหนึ่งในหัวข้อการวิจัยที่สำคัญในอุตสาหกรรมการผลิตใบพัด

ด้วยการปรากฏตัวของเครื่องมือ CNC ประสิทธิภาพสูง กระบวนการผลิตของใบพัดกังหันจึงได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก ใบพัดที่ถูกแปรรูปโดยใช้เทคโนโลยีการกลึง CNC ที่แม่นยำ มีความแม่นยำสูงและระยะเวลาการผลิตสั้น โดยทั่วไปแล้วในประเทศจีนจะใช้เวลาประมาณ 6 ถึง 12 เดือน (การกลึงครึ่งสำเร็จรูป) และในต่างประเทศจะใช้เวลา 3 ถึง 6 เดือน (การกลึงแบบไม่มีเศษเหลือ)