Kiến thức cơ bản về lưỡi cánh động cơ máy bay (1)

1. Giới thiệu về cánh tuabin

Thành phần hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt nhất trong động cơ turbin cũng là thành phần quay quan trọng nhất. Trong các bộ phận đầu nóng của động cơ máy bay, các cánh tuabin phải chịu sự xói mòn của khí nóng và sự thay đổi nhiệt độ trong chu kỳ khởi động và tắt máy của động cơ, trong khi các cánh rotor phải chịu lực ly tâm ở tốc độ cao. Vật liệu cần có đủ độ bền kéo ở nhiệt độ cao, độ bền mỏi, độ bền bò, cũng như khả năng chống mỏi tốt, khả năng kháng oxi hóa, khả năng kháng ăn mòn khí và tính dẻo thích hợp. Ngoài ra, sự ổn định tổ chức lâu dài, độ bền va đập tốt, khả năng đúc và mật độ thấp cũng được yêu cầu.

Nhiệt độ đầu vào khí của động cơ máy bay thế hệ tiên tiến đạt 1380℃ và lực đẩy đạt 226KN. Các cánh tuabin phải chịu lực khí động học và lực ly tâm, với các cánh chịu ứng suất kéo khoảng 140MPa; phần gốc của cánh chịu ứng suất trung bình từ 280~560MPa, và phần thân cánh tương ứng chịu nhiệt độ từ 650~980℃, trong khi phần gốc cánh đạt khoảng 760℃.

Mức độ hiệu suất của các cánh tuabin (đặc biệt là khả năng chịu nhiệt) đã trở thành một chỉ báo quan trọng về mức độ tiên tiến của một dòng động cơ. Trong một số khía cạnh, quy trình đúc của các cánh tuabin động cơ trong tương lai sẽ trực tiếp quyết định hiệu suất của động cơ và cũng là một dấu hiệu đáng kể về mức độ phát triển của ngành công nghiệp hàng không quốc gia.

2.Thiết kế hình dạng cánh

Do có nhiều cánh, nếu chúng được thiết kế thành các hình dạng thẳng đều, có thể giảm bớt rất nhiều công nghệ chế tạo, hạ thấp độ khó thiết kế và tiết kiệm được nhiều chi phí. Tuy nhiên, phần lớn các cánh đều bị xoắn và cong.

Hãy để tôi giới thiệu với bạn một số khái niệm cơ bản về lá trước.

Thứ nhất, runner là gì? Dưới đây là hai sơ đồ runner điển hình.

Sơ đồ dòng chảy của máy nén

Sơ đồ đường đi dòng chảy của tua-bin
Thứ hai, công thức tính tốc độ vòng quay là gì? Trong kênh dòng chảy, tốc độ vòng quay khác nhau ở các bán kính khác nhau (điều này có thể được tính toán theo công thức trong hình bên dưới).

Tốc độ vòng quay Cuối cùng, góc tấn công của luồng khí là gì? Góc tấn công của luồng khí là góc giữa luồng khí và dây chuyền của cánh quạt so với hướng vận tốc của cánh.

Lấy ví dụ cánh máy bay, góc tấn công của dòng khí được hiển thị. Tiếp theo, lý do tại sao lưỡi dao phải bị vặn xoắn được giải thích? Do tốc độ chu vi tại các bán kính khác nhau trong kênh dòng chảy là khác nhau, góc tấn công của dòng khí ở các mức bán kính nguyên thủy khác nhau thay đổi rất lớn; ở đầu mút của lưỡi dao, do bán kính lớn và tốc độ chu vi lớn, gây ra một góc tấn công dương lớn, dẫn đến tách dòng khí nghiêm trọng trên mặt sau của lưỡi dao; ở gốc của lưỡi dao, do bán kính nhỏ và tốc độ chu vi nhỏ, gây ra một góc tấn công âm lớn, dẫn đến tách dòng khí nghiêm trọng trên bề mặt máng của lưỡi dao.

Do đó, đối với các cánh thẳng, trừ một phần gần nhất với đường kính giữa vẫn có thể hoạt động, các phần còn lại sẽ tạo ra hiện tượng tách dòng khí nghiêm trọng, nghĩa là hiệu suất của một máy nén hoặc tua-bin làm việc với các cánh thẳng cực kỳ kém, và thậm chí có thể đạt đến mức không thể vận hành được. Đây là lý do tại sao các cánh phải bị xoắn.

3.Lịch sử phát triển

Khi sức mạnh của động cơ máy bay tiếp tục tăng lên, điều này đạt được bằng cách tăng nhiệt độ đầu vào của máy nén, đòi hỏi phải sử dụng các cánh quạt tiên tiến với khả năng chịu nhiệt ngày càng cao. Ngoài điều kiện nhiệt độ cao, môi trường làm việc của các cánh quạt phần nóng còn ở trạng thái cực đoan với áp suất cao, tải trọng cao, rung động cao và ăn mòn cao, vì vậy các cánh quạt cần có hiệu suất tổng hợp cực kỳ cao. Điều này yêu cầu các cánh quạt phải được làm từ vật liệu hợp kim đặc biệt (hợp kim nhiệt độ cao) và quy trình sản xuất đặc biệt (đúc chính xác cộng với rắn hóa theo hướng) để tạo ra cấu trúc ma trận đặc biệt (cấu trúc tinh thể đơn) nhằm đáp ứng nhu cầu một cách tối đa.

Lưỡi tua-bin rỗng đơn tinh thể phức tạp đã trở thành công nghệ cốt lõi của các động cơ hiện đại có tỷ số đẩy-trọng lượng cao ngày nay. Việc nghiên cứu và sử dụng vật liệu hợp kim đơn tinh thể tiên tiến cùng với sự xuất hiện của công nghệ sản xuất lưỡi đơn tinh thể làm mát siêu khí hai lớp đã giúp công nghệ chuẩn bị đơn tinh thể đóng vai trò then chốt trong các động cơ hàng không quân sự và thương mại tiên tiến nhất hiện nay. Hiện nay, lưỡi đơn tinh thể không chỉ được lắp đặt trên tất cả các động cơ hàng không tiên tiến mà còn ngày càng được sử dụng trong tua-bin khí công suất lớn.

Hợp kim đơn tinh thể là một loại vật liệu cánh động cơ tiên tiến được phát triển dựa trên tinh thể đồng trục và tinh thể cột hướng. Từ đầu những năm 1980, thế hệ đầu tiên của các hợp kim đơn tinh thể như PWA1480 và ReneN4 đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại động cơ máy bay khác nhau. Vào cuối những năm 1980, thế hệ thứ hai của lưỡi cánh hợp kim đơn tinh thể, đại diện bởi PWA1484 và ReneN5, cũng đã được sử dụng rộng rãi trong các động cơ máy bay tiên tiến như CFM56, F100, F110 và PW4000. Hiện nay, thế hệ thứ hai của các hợp kim đơn tinh thể ở Hoa Kỳ đã chín muồi và được sử dụng rộng rãi trong động cơ máy bay quân sự và dân dụng.

So với hợp kim đơn tinh thể thế hệ đầu tiên, các hợp kim đơn tinh thể thế hệ thứ hai được đại diện bởi PWA1484 của PW, CMSX-4 của RR và Rene'N5 của GE đã tăng nhiệt độ hoạt động lên 30°C bằng cách thêm 3% rene và tăng thích đáng hàm lượng molypden, đạt được sự cân bằng tốt giữa cường độ và khả năng chống oxi hóa và ăn mòn.

Trong hợp kim đơn tinh thể thế hệ thứ ba Rene N6 và CMSX-10, thành phần hợp kim được tối ưu hóa trong một bước, tổng hàm lượng các nguyên tố không tan có bán kính nguyên tử lớn được tăng lên, đặc biệt là việc thêm hơn 5wt% rene, điều này cải thiện đáng kể độ bền bò ở nhiệt độ cao, thời gian chịu tải của hợp kim ở 1150 độ C lớn hơn 150 giờ, dài hơn nhiều so với tuổi thọ khoảng 10 giờ của hợp kim đơn tinh thể thế hệ đầu tiên, đồng thời cũng có khả năng kháng mỏi nhiệt, oxi hóa và ăn mòn nhiệt cao.

Hoa Kỳ và Nhật Bản đã lần lượt phát triển thế hệ thứ tư của hợp kim tinh thể đơn. Bằng cách thêm ruthenium, tính ổn định của vi cấu trúc hợp kim đã được cải thiện hơn nữa, và độ bền bò dưới điều kiện nhiệt độ cao trong thời gian dài đã được tăng lên. Tuổi thọ chịu đựng của nó ở 1100 ℃ cao hơn 10 lần so với hợp kim tinh thể đơn thế hệ thứ hai, và nhiệt độ hoạt động đã đạt đến 1200 ℃. Thành phần tinh thể đơn cùng thế hệ được hiển thị bên dưới.

4.Chất liệu lưỡi dao và công nghệ sản xuất

Lưỡi dao từ hợp kim siêu dẻo

Việc phát triển hợp kim nhiệt độ cao có thể biến dạng có lịch sử hơn 50 năm. Các hợp kim nhiệt độ cao có thể biến dạng thường được sử dụng cho cánh tua-bin động cơ máy bay trong nước được liệt kê trong Bảng 1. Khi hàm lượng nhôm, titan, tungsten và molypden trong hợp kim nhiệt độ cao tăng lên, các đặc tính của vật liệu tiếp tục được cải thiện, nhưng khả năng gia công nhiệt giảm xuống; sau khi thêm nguyên tố hợp kim đắt tiền là coban, hiệu suất tổng hợp của vật liệu có thể được cải thiện và sự ổn định của cấu trúc ở nhiệt độ cao cũng được nâng cao.

Cánh là bộ phận then chốt của động cơ máy bay, và khối lượng sản xuất của chúng chiếm khoảng 30% tổng khối lượng sản xuất động cơ.
Cánh động cơ máy bay là bộ phận có thành mỏng và dễ bị biến dạng. Làm thế nào để kiểm soát sự biến dạng của chúng và chế tạo chúng một cách hiệu quả và chất lượng cao là một trong những chủ đề nghiên cứu quan trọng trong ngành sản xuất cánh.

Với sự xuất hiện của máy công cụ CNC hiệu suất cao, quy trình sản xuất của cánh tua-bin cũng đã trải qua những thay đổi lớn. Các cánh được xử lý bằng công nghệ gia công CNC chính xác có độ chính xác cao và chu kỳ sản xuất ngắn, thường là 6 đến 12 tháng ở Trung Quốc (gia công bán tinh); và 3 đến 6 tháng ở nước ngoài (gia công không để lại dư lượng).