Phân tích lịch sử phát triển, tình hình thị trường và xu hướng phát triển của cánh tuabin Việt Nam

Lịch sử phát triển và xu hướng của cánh tuabin

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

Chức năng chính của cánh dẫn hướng tuabin là điều chỉnh hướng dòng khí thải từ buồng đốt. Nhiệt độ vận hành vật liệu có thể đạt tới hơn 1,100°C, và ứng suất mà cánh dẫn hướng tuabin chịu thường nhỏ hơn 70MPa. Thành phần này thường bị loại bỏ do biến dạng do ứng suất nhiệt lớn, vết nứt mỏi nhiệt do thay đổi nhiệt độ đột ngột và cháy do nhiệt độ cục bộ quá cao.

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

Các cánh tua bin, trục tua bin, đĩa tua bin và các thành phần khác cùng nhau tạo thành tua bin của động cơ máy bay. Tua bin là nguồn điện dẫn động máy nén và các phụ kiện khác. Tua bin có thể được chia thành hai thành phần: rôto và stato:

Roto tuabin: Là một tổng thể gồm các cánh tuabin, bánh xe, trục và các bộ phận quay khác được lắp trên trục. Nó có nhiệm vụ hút luồng khí có nhiệt độ và áp suất cao vào đầu đốt để duy trì hoạt động của động cơ. Roto tuabin hoạt động ở nhiệt độ cao và tốc độ cao và truyền công suất lớn, do đó điều kiện làm việc của nó cực kỳ khắc nghiệt. Khi làm việc ở nhiệt độ cao, rotor tuabin phải chịu được lực ly tâm cực lớn, đồng thời cũng chịu tác động của mô men xoắn khí động học, v.v. Môi trường nhiệt độ cao sẽ làm giảm độ bền tối đa của vật liệu cánh tuabin, đồng thời cũng sẽ gây ra hiện tượng rão và xói mòn vật liệu cánh tuabin.

Stato tuabin: Gồm các cánh dẫn hướng tuabin, vòng ngoài và vòng trong. Được cố định trên vỏ và chức năng chính của nó là khuếch tán và chỉnh lưu luồng khí cho rôto tuabin giai đoạn tiếp theo để đáp ứng tam giác tốc độ của các cánh làm việc tuabin.

Để cải thiện các chỉ số hiệu suất như tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng, các yêu cầu về khả năng chịu đựng của động cơ máy bay và cánh tua bin khí đối với nhiệt độ cao và tốc độ gió cao liên tục tăng lên. Trong các động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt chính của máy bay, máy nén do tua bin dẫn động có công suất tối đa

Không khí đi vào động cơ tua bin quay với tốc độ cao hàng nghìn vòng/giây. Không khí được nén từng bước trong máy nén. Tỷ số nén của máy nén nhiều cấp có thể đạt tới hơn 25. Không khí nén đi vào buồng đốt của động cơ, trộn với nhiên liệu và cháy. Ngọn lửa nhiên liệu cần cháy ổn định trong luồng khí áp suất cao chảy với tốc độ cao hơn 100m/giây.

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

Các cánh tuabin cần phải hoạt động đáng tin cậy trong hàng nghìn đến hàng chục nghìn giờ trong môi trường làm việc cực kỳ khắc nghiệt như vậy. Các cánh tuabin có cấu hình phức tạp và sử dụng nhiều công nghệ sản xuất tiên tiến như đông đặc định hướng, luyện kim bột, đúc khuôn mẫu cánh rỗng phức tạp, sản xuất lõi gốm phức tạp và gia công lỗ siêu nhỏ.

Cánh tua bin là một trong những thành phần của "hai máy" có quy trình sản xuất nhiều nhất, chu kỳ dài nhất và tỷ lệ thông qua thấp nhất. Việc sản xuất cánh tua bin rỗng phức tạp đã trở thành công nghệ cốt lõi trong quá trình phát triển hiện tại của "hai máy".

Tình hình thị trường và xu hướng phát triển

Cánh quạt trong động cơ máy bay và tua bin khí chủ yếu bao gồm cánh quạt, cánh tua bin và cánh máy nén, trong đó giá trị cánh tua bin chiếm khoảng 60% tổng chi phí cánh quạt. So với cánh quạt, nguyên liệu thô của cánh tua bin có giá trị hơn và khó gia công hơn.

Là một thành phần đầu nóng quan trọng của động cơ, cánh tua bin đòi hỏi phải sử dụng vật liệu hợp kim chịu nhiệt độ cao. Công nghệ nấu chảy của chúng đòi hỏi yêu cầu cao và một số tài nguyên khoáng sản kim loại khan hiếm. Về quy trình sản xuất, cánh tua bin thường sử dụng đúc mẫu chảy để đạt được thành mỏng và cấu trúc làm mát phức tạp. Độ khó sản xuất cao hơn đáng kể so với các cánh khác.

Ví dụ, động cơ máy bay CFM56 được sử dụng rộng rãi trong dòng máy bay Boeing 737 và dòng máy bay Airbus 320 có hơn một nghìn cánh tuabin, mỗi cánh có giá hơn 10,000 nhân dân tệ. Giá đơn vị của cánh tuabin ở một số bộ phận thậm chí còn vượt quá 100,000 nhân dân tệ.