Phân tích lịch sử phát triển, tình trạng thị trường và xu hướng phát triển của lưỡi cánh tua-bin

Lịch sử phát triển và xu hướng của cánh tuabin

Cánh tuabin được chia thành hai loại: cánh hướng dẫn tuabin và cánh làm việc tuabin.

Chức năng chính của cánh hướng dẫn tuabin là điều chỉnh hướng dòng chảy của khí thải từ buồng đốt. Nhiệt độ hoạt động của vật liệu có thể đạt tới hơn 1.100 ° C, và ứng suất mà cánh hướng dẫn tuabin phải chịu thường nhỏ hơn 70MPa. Thành phần này thường bị loại bỏ do biến dạng gây ra bởi ứng suất nhiệt lớn, nứt mệt mỏi nhiệt do sự thay đổi nhiệt độ đột ngột, và cháy do nhiệt độ cục bộ quá cao.

Các cánh tuabin được đặt trong động cơ tuabin có nhiệt độ cao nhất, ứng suất phức tạp nhất và môi trường khắc nghiệt nhất. Thành phần này cần phải chịu được nhiệt độ cao và ứng suất ly tâm lớn cũng như ứng suất nhiệt. Nhiệt độ mà nó chịu được là 50-100 ℃ thấp hơn so với các lá hướng dẫn tua-bin tương ứng, nhưng khi quay ở tốc độ cao, do tác động của lực khí động và lực ly tâm, ứng suất trên thân lá đạt 140MPa và tại gốc đạt 280-560MPa. Sự cải tiến liên tục về cấu trúc và vật liệu của các lá tua-bin đã trở thành một trong những yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất của động cơ máy bay.

Các lá tua-bin, trục tua-bin, đĩa tua-bin và các bộ phận khác cùng nhau tạo thành tua-bin của động cơ máy bay. Tua-bin là nguồn sức mạnh để kéo theo máy nén và các phụ kiện khác. Tua-bin có thể được chia thành hai thành phần: rotor và stator:

Rotor tua-bin: Đây là một khối gồm các cánh tua-bin, bánh xe, trục và các bộ phận quay khác được lắp trên trục. Nó có trách nhiệm hút dòng khí có nhiệt độ cao và áp suất cao vào buồng đốt để duy trì hoạt động của động cơ. Rotor tua-bin làm việc ở nhiệt độ cao, tốc độ cao và truyền công suất lớn, vì vậy điều kiện làm việc của nó rất khắc nghiệt. Khi làm việc ở nhiệt độ cao, rotor tua-bin phải chịu lực ly tâm cực kỳ lớn và cũng bị ảnh hưởng bởi mô-men xoắn khí động học, v.v. Môi trường nhiệt độ cao sẽ làm giảm độ bền giới hạn của vật liệu cánh tua-bin, đồng thời cũng gây ra hiện tượng biến dạng và ăn mòn vật liệu cánh tua-bin.

Stator tua-bin: Gồm các cánh hướng dẫn dòng khí của tua-bin, vòng ngoài và vòng trong. Nó được cố định trên vỏ và chức năng chính của nó là khuếch tán và chỉnh lưu dòng khí cho rotor tua-bin giai đoạn tiếp theo để đáp ứng tam giác tốc độ của các cánh làm việc của tua-bin.

Để cải thiện các chỉ số hiệu suất như tỷ lệ đẩy-trọng lượng, yêu cầu về khả năng chịu nhiệt và tốc độ gió cao của các cánh quạt động cơ máy bay và tua-bin khí đang không ngừng tăng lên. Trong động cơ tuabin quạt máy bay chính lưu, tuabin lái máy nén có tối đa

Không khí đi vào động cơ tua-bin quay với tốc độ hàng nghìn vòng mỗi giây. Không khí được nén dần dần trong máy nén. Tỷ lệ áp suất của máy nén nhiều cấp có thể đạt hơn 25. Không khí đã được nén đi vào buồng đốt động cơ, trộn lẫn với nhiên liệu và cháy. Lửa từ nhiên liệu cần cháy ổn định trong dòng khí áp suất cao chảy với tốc độ hơn 100m/s.

Dòng khí có nhiệt độ cao, áp suất cao từ buồng đốt đẩy các cánh tua-bin quay với tốc độ hàng nghìn đến hàng chục nghìn vòng mỗi phút. Thông thường, nhiệt độ trước tua-bin vượt quá điểm tan của vật liệu cánh tua-bin. Trong quá trình vận hành, các cánh tua-bin của động cơ hiện đại thường phải chịu nhiệt độ từ 1600~1800 ℃ , tốc độ gió khoảng 300m/s và áp suất không khí lớn do chúng gây ra.

Các cánh tua-bin cần hoạt động đáng tin cậy trong hàng nghìn đến hàng chục nghìn giờ trong môi trường làm việc khắc nghiệt như vậy. Cánh tua-bin có hình dạng phức tạp và sử dụng nhiều công nghệ sản xuất tiên tiến như rắn hóa theo hướng, kim loại bột, đúc đầu tư cánh rỗng phức tạp, sản xuất lõi gốm phức tạp và gia công lỗ vi mô.

Lá turbin là một trong những thành phần của "hai máy" có nhiều quy trình sản xuất nhất, chu kỳ dài nhất và tỷ lệ đạt chuẩn thấp nhất. Việc sản xuất lá turbin rỗng phức tạp đã trở thành công nghệ cốt lõi trong sự phát triển hiện nay của "hai máy".

Tình trạng thị trường và xu hướng phát triển

Các lá trong động cơ máy bay và turbin khí chủ yếu bao gồm lá quạt, lá turbin và lá nén, trong đó giá trị của lá turbin chiếm khoảng 60% tổng chi phí của các loại lá. So với lá quạt, nguyên liệu thô của lá turbin có giá trị hơn và khó chế tạo hơn.

Là một bộ phận quan trọng ở đầu nóng của động cơ, các cánh tua-bin cần sử dụng vật liệu hợp kim chịu nhiệt cao. Công nghệ luyện kim của chúng đòi hỏi tiêu chuẩn rất cao và một số tài nguyên khoáng sản kim loại là khan hiếm. Về quy trình chế tạo, các cánh tua-bin thường sử dụng phương pháp đúc bằng đầu tư để đạt được thành mỏng và cấu trúc làm mát phức tạp. Độ khó trong việc chế tạo cao hơn đáng kể so với các loại cánh khác.

Ví dụ, các động cơ máy bay CFM56 được sử dụng rộng rãi trên dòng Boeing 737 và Airbus 320 có hơn một nghìn cánh tua-bin, mỗi cái có giá hơn 10.000 nhân dân tệ. Giá đơn vị của một số cánh tua-bin thậm chí vượt quá 100.000 nhân dân tệ.