Основні знання про лопатки літакопроводових двигунів (1)

1. Огляд турбінних лопаток

Компонент з найгіршими умовами роботи у турбінному двигуні є також найважливішим обертаючим компонентом. У гарячих елементах літаківських двигунів турбінні лопатки піддаються високотемпературній газовій ерозії та змінам температури під час циклів запуску та вимкнення двигуна, а роторні лопатки піддаються центрифугальній сили на високих швидкостях. Матеріал повинен мати достатню високотемпературну розтягувальну міцність, стійкість до довготривалого навантаження, стійкість до ползучості, а також хорошу ваготоворонтувану міцність, оксидуючу стійкість, газову корозійну стійкість і відповідну пластичність. Крім того, потрібна тривала організаційна стабільність, хороша стійкість до ударних навантажень, литейність та низька густина.

Температура підводу газу в передових aviадвигунах досягає 1380℃, а тяга досягає 226КН. Турбінні лопатки піддаються аеродинамічним і центруючим силам, де лопатки витримують розтягувальне навантаження близько 140МПа; корінь лопатки витримує середнє навантаження 280~560МПа, а відповідно тіло лопатки має температуру 650~980℃, а корінь лопатки має температуру близько 760℃.

Рівень якості турбінних лопаток (особливо їхню температурну стійкість) став важливим показником передового рівня певної моделі двигуна. У певному сенсі, литейний процес майбутніх лопаток двигуна напряму визначає特性 двигуна і також є значною ознакою рівня національної авіаційної промисловості.

2.Дизайн форми лопатки

Оскільки лопаток багато, якщо їх спроектувати у вигляді прямих регулярних форм, можна значно зменшити обробку технологій, знизити складність дизайну і значно зменшити витрати. Проте, більшість лопаток закручені і криволінійні.

Дозвольте спочатку ознайомити вас з деякими основними поняттями про листки.

Перше, що таке бігун? Ниже наведено дві типові діаграми бігуна.

Діаграма потоку компресора

Діаграма шляху потоку турбіни
Друге, яка формула обчислення обертальної швидкості? У каналі потоку обертальна швидкість відрізняється при різних радіусах (це можна отримати за допомогою формули у нижчому малюнку).

Обертальна швидкість. Нарешті, що таке кут атаки повітряного потоку? Кут атаки повітряного потоку - це кут між повітряним потоком і хордою лопатки відносно напрямку швидкості лопатки.

Взявши крило літака як приклад, показується кут атаки повітряного потоку. Далі пояснюється, чому лопатка має бути скрученою? Оскільки обертові швидкості на різних радіусах у каналі потоку відрізняються, кут атаки повітряного потоку на різних радіальних рівнях змінюється значно; на вершині лопатки, через великий радіус і великую обертову швидкість, виникає великий додатній кут атаки, що призводить до сильного відколування повітряного потоку на задній частині лопатки; на основі лопатки, через малий радіус і малу обертову швидкість, виникає великий від'ємний кут атаки, що призводить до сильного відколування повітряного потоку на тарельковій частині лопатки.

Отже, для прямих лопаток, крім частини найближчого середнього діаметра, яка все ще може працювати, решта частин буде викликати сильне відшарування повітряного потоку, тобто ефективність компресора або турбіни, що працює з прямими лопатками, extremly низька, і може навіть досягти стану, коли вона взагалі не зможе працювати. Саме тому лопатки мають бути скручені.

3.Історія розробки

З ростом потужності двигунів літаків досягається збільшення температури вхідного компресора, що вимагає використання напередвидених лопаток з все вищими показниками опору температурі. Крім умов високих температур, робоче середовище лопаток горячої частини знаходиться також у екстремальному стані високого тиску, високої навантаженості, високої вibrації та високої корозії, тому лопатки повинні мати надзвичайно високі комплексні показники. Це вимагає, щоб лопатки виготовлялися з спеціальних сплавів (високотемпературних сплавів) і спеціальних технологічних процесів (точна лиття плюс напрямкове кристалізація), щоб створювати спеціальні матричні структури (однокристалічні структури), щоб максимально задовольняти потреби.

Складні порожні турбінні лопатки з однокристалічної матерії стали ключовою технологією сучасних двигунів з високою відношенною тягою до ваги. Дослідження та використання передових однокристалічних сплавів та з'являння технології виготовлення двостінкових надзвуково повітряно охолоджених однокристалічних лопаток дозволили технології однокристалічного виробництва зіграти ключову роль у найбільш сучасних військових та цивільних авіаційних двигунах. На сьогоднішній день однокристалічні лопатки не тільки були встановлені на всіх передових авіаційних двигунах, але й все частіше використовуються у важкій газотурбінній техніці.

Однокристалічні супeraloy є видом сучасних матеріалів для лопаток двигуна, розроблених на основі еквіаксних кристалів та напрямкових стовпчастих кристалів. З початку 1980-х років перше покоління однокристалічних супeraloy, таких як PWA1480 і ReneN4, широко використовувалися у різних типах літаківих двигунів. У кінці 1980-х років друге покоління однокристалічних супeraloy лопаток, зокрема PWA1484 і ReneN5, також отримали широке застосування у сучасних літаківих двигунах, таких як CFM56, F100, F110 і PW4000. На даний момент друге покоління однокристалічних супeraloy в США досягло зрілого стану і широко використовується у військових та цивільних літаківих двигунах.

У порівнянні з першим поколінням одно kristalinих сплавів, друге покоління одно kristalinих сплавів, які представляють PWA1484 від PW, CMSX-4 від RR і Rene'N5 від GE, підвищили свою температуру експлуатації на 30°C завдяки додаванню 3% ренію та відповідному збільшенню вмісту молібдену, досягнувши гарного балансу між міцністю та сопротивленням окисленню та корозії.

У третьому одно kristalinому сплаві Rene N6 та CMSX-10 склад сплаву оптимізований за один крок, загальна кількість нерозчинних елементів з великим атомним радіусом збільшена, особливо додавання більше 5 вагових % ренію, що значно підвищує високотемпературну стійкість до ползучості, тривалість життя сплаву при 1150°C більше 150 годин, що набагато довше за життя першого покоління одно kristalinого сплаву приблизно 10 годин, а також має високу стійкість до термального вигнання, окислення та термальної корозії.

Сполучені Штати та Японія послідовно розробили четверте покоління одно kristalinих сплавів. За допомогою додавання рутенію була подальше покращена стійкість мікроструктури сплаву, а також збільшена ползучість при тривалому високотемпературному впливі. Його термін експлуатації при 1100 ℃ в 10 разів більший за другий одноkristalinий сплав, а температура експлуатації досягає 1200 ℃. Одno kristalinий склад того ж покоління наведено нижче.

4. Матеріал лопатки та технологія виготовлення

Деформовані високотемпературні сплави лопаток

Розробка деформовних високотемпературних сплавів має історію більше 50 років. У таблиці 1 наведено найбільш поширені деформовані високотемпературні сплави, які використовуються у лопатках двигунів літаків виробництва країни. З збільшенням вмісту алюмінію, титану, вольфраму та молібдену у високотемпературних сплавах властивості матеріалу поступово покращуються, але спадає його термічна працездатність; після додавання дорогого сплавуючого елементу - кобальту - можна поліпшити загальну властивість матеріалу та стабільність високотемпературної структури.

Лопатки є ключовими деталями літаківих двигунів, а їх об'єм виготовлення становить приблизно 30% від загального об'єму виготовлення двигуна.
Лопатки літаківих двигунів - це тонкостінні деталі, які легко деформуються. Як контролювати їх деформацію та обробляти їх ефективно та високоякісно - одна з важливих наукових тем у галузі виготовлення лопаток.

З появою високопродуктивних ЧПУ верстатів, процес виготовлення турбінних лопаток також пройшов величезні зміни. Лопатки, оброблені за допомогою технології точного машинобудування ЧПУ, мають високу точність і короткі терміни виготовлення, загалом 6 до 12 місяців у Китаї (півготова обробка); і 3 до 6 місяців за кордоном (обробка без залишків).