Introducción a las cuchillas de la turbina
El componente con las peores condiciones de trabajo en el motor de la turbina también es el componente giratorio más importante. En los componentes del extremo caliente de los motores de aeronaves, las cuchillas de la turbina están sujetas a erosión de gas de alta temperatura y cambios de temperatura durante los ciclos de arranque y apagado del motor, y las cuchillas del rotor están sujetas a fuerza centrífuga a altas velocidades. Se requiere que el material tenga suficiente resistencia a la tracción a alta temperatura, resistencia a la resistencia, resistencia a la fluencia, así como una buena resistencia a la fatiga, resistencia a la oxidación, resistencia a la corrosión de gases y una plasticidad apropiada. Además, también se requieren estabilidad organizacional a largo plazo, buena fuerza de impacto, capacidad de molde y baja densidad.
La temperatura de entrada de gas de los motores avanzados de aviones alcanza 1380 grados y el empuje alcanza 226kn. Las cuchillas de la turbina están sujetas a fuerzas aerodinámicas y centrífugas, con las cuchillas con un estrés por tracción de aproximadamente 140MPa; La raíz de la cuchilla lleva una tensión promedio de 280 ~ 560MPa, y el cuerpo de la cuchilla correspondiente tiene una temperatura de 650 ~ 980 grados, y la raíz de la cuchilla es de aproximadamente 760 grados.
El nivel de rendimiento de las cuchillas de la turbina (especialmente la capacidad de carga de temperatura) se ha convertido en un importante indicador del nivel avanzado de un modelo de motor. En cierto sentido, el proceso de fundición de futuras cuchillas del motor determina directamente el rendimiento del motor y también es una industria nacional de aviación. Una marca significativa de nivel.
Diseño de forma de cuchilla
Dado que hay muchas cuchillas, si están diseñadas en formas regulares rectas, se puede reducir una gran cantidad de tecnología de procesamiento, la dificultad de diseño se puede reducir y se pueden reducir muchos costos. Sin embargo, la mayoría de las cuchillas están retorcidas y curvadas.
Permítanme presentarles primero algunos conceptos básicos de hojas.
Primero, ¿qué es un corredor? A continuación se presentan dos diagramas de corredores típicos.
Diagrama de flujo del compresor
Diagrama de ruta de flujo de turbina
En segundo lugar, ¿cuál es la fórmula de cálculo para la velocidad circunferencial? En el canal de flujo, la velocidad circunferencial es diferente en diferentes radios (esto se puede obtener de acuerdo con la fórmula de cálculo en la figura a continuación)
Velocidad circunferencial finalmente, ¿cuál es el ángulo de ataque del flujo de aire? El ángulo de ataque del flujo de aire es el ángulo entre el flujo de aire y el acorde de la cuchilla en relación con la dirección de velocidad de la cuchilla.
Tomando el ala del avión como ejemplo, se muestra el ángulo de ataque del flujo de aire. A continuación, ¿por qué la cuchilla debe ser torcida se explica? Dado que las velocidades circunferenciales en diferentes radios en el canal de flujo son diferentes, el ángulo de ataque del flujo de aire a niveles primitivos de radio diferentes varía enormemente; En la punta de la cuchilla, debido al gran radio y la gran velocidad circunferencial, se causa un gran ángulo de ataque positivo, lo que resulta en una separación grave del flujo de aire en la parte posterior de la cuchilla; En la raíz de la cuchilla, debido al pequeño radio y la pequeña velocidad circunferencial, se causa un gran ángulo negativo de ataque, lo que resulta en una separación grave del flujo de aire en la cuenca de la cuchilla de la cuchilla.
Por lo tanto, para las cuchillas rectas, a excepción de una parte del diámetro medio más cercano que aún puede funcionar, el resto de las piezas producirán una separación de flujo de aire grave, es decir, la eficiencia de un compresor o turbina que trabaja con cuchillas rectas es extremadamente pobre e incluso puede llegar al punto en el que no puede operar en absoluto. Es por eso que las cuchillas deben ser torcidas.
Historia del desarrollo
A medida que la potencia de los motores de aeronaves continúa aumentando, se logra aumentando la temperatura de entrada del compresor, lo que requiere el uso de cuchillas avanzadas con mayor y mayor resistencia a la temperatura. Además de las condiciones de alta temperatura, el entorno de trabajo de las cuchillas de extremo caliente también está en un estado extremo de alta presión, alta carga, alta vibración y alta corrosión, por lo que se requiere que las cuchillas tengan un rendimiento integral extremadamente alto. Esto requiere que las cuchillas se hagan de materiales de aleación especiales (aleaciones de alta temperatura) y procesos de fabricación especiales (fundición de precisión más solidificación direccional) para hacer estructuras de matriz especiales (estructuras de cristal único) para satisfacer las necesidades en la mayor medida posible.
Las hojas de turbinas huecas complejas de un solo cristal se han convertido en la tecnología central de los motores actuales de relación de relación de empuje a peso. Es la investigación y el uso de materiales de aleación de cristal único avanzado y la aparición de tecnología de fabricación de cuchillas de un solo cristal de dos paredes que han permitido que la tecnología de preparación de cristal único desempeñe un papel clave en los motores de aviación militar y comerciales más avanzados de hoy en día. En la actualidad, no solo se han instalado cuchillas de cristal solo en todos los motores de aviación avanzados, sino que también se usan cada vez más en turbinas de gases pesadas.
Las superaltas de cristal individual son un tipo de materiales avanzados de cuchilla de motor desarrollados sobre la base de cristales equiaxados y cristales columnares direccionales. Desde principios de la década de 1980, la primera generación de superalloys de cristal único como PWA1480 y Renen4 se ha utilizado ampliamente en una variedad de motores de aeronaves. A fines de la década de 1980, la segunda generación de cuchillas superalteo de cristal único representados por PWA1484 y Renen5 también se usaron ampliamente en motores de aviones avanzados como CFM56, F100, F110 y PW4000. En la actualidad, la segunda generación de superalloys de cristal único en los Estados Unidos ha madurado y se usan ampliamente en motores de aviones militares y civiles.
En comparación con las aleaciones de cristal individual de primera generación, las aleaciones de cristal individual de segunda generación representadas por PWA1484 de PW, el CMSX de RR -4, y el Rene'N5 de GE ha aumentado su temperatura operativa en 30 grados al agregar 3% de renio y apropiadamente aumentando el contenido de Molybddenum, alcanzando un buen equilibrio entre la resistencia y la resistencia a la óxido al agregar 3%.
En el tercer reno de aleación de cristal único N6 y CMSX -10, la composición de aleación se optimiza en un paso, el contenido total de elementos insolubles con un radio atómico grande aumenta, especialmente la adición de más de 5WT% renio, lo que mejora significativamente la alta resistencia de la temperatura, 1150 la vida de resistencia de la aleación es mayor que las 150 horas, que es mucho más tiempo que por mucho más tiempo que el más largo que la vida de la vida de la vida de la vida de la altalina es mucho más largo que la vida de la vida de la primera temperatura, la vida de los primeros. Alrededor de 10 horas, y también tiene resistencia de alta resistencia a la fatiga térmica, oxidación y corrosión térmica.
Estados Unidos y Japón han desarrollado sucesivamente la cuarta generación de aleaciones de cristal único. Al agregar rutenio, la estabilidad de la microestructura de aleación se ha mejorado aún más, y se ha aumentado la resistencia a la fluencia bajo exposición a alta temperatura a largo plazo. Su vida de resistencia a 1100 grados es 10 veces mayor que la de la segunda aleación de cristal único, y la temperatura de operación ha alcanzado 1200 grados. La composición de cristal único de la misma generación se muestra a continuación.
Material base de la cuchilla y tecnología de fabricación
Cuchillas de aleación de alta temperatura deformada
El desarrollo de aleaciones de alta temperatura deformables tiene una historia de más de 50 años. Las aleaciones de alta temperatura deformables comúnmente para las palas del motor de aviones domésticos se muestran en la Tabla 1. Con el aumento del contenido de aluminio, titanio, tungsteno y molibdeno en aleaciones de alta temperatura, las propiedades del material continúan mejorando, pero el rendimiento de trabajo en caliente disminuye; Después de agregar el costoso elemento de aleación Cobalt, se puede mejorar el rendimiento integral del material y se puede mejorar la estabilidad de la estructura de alta temperatura.
Las cuchillas son partes clave de los motores de aeronaves, y su volumen de fabricación representa aproximadamente el 30% del volumen total de fabricación del motor.
Las cuchillas del motor de la aeronave son piezas de paredes delgadas y fácilmente deformadas. Cómo controlar su deformación y procesarlos de manera eficiente y con alta calidad es uno de los temas de investigación importantes en la industria de fabricación de cuchillas.
Con la aparición de máquinas de máquinas CNC de alto rendimiento, el proceso de fabricación de las palas de la turbina también ha sufrido cambios importantes. Las cuchillas procesadas utilizando la tecnología de mecanizado CNC de precisión tienen ciclos de fabricación de alta precisión y cortos, generalmente de 6 a 12 meses en China (mecanizado semifinecedor); y 3 a 6 meses en el extranjero (mecanizado sin residuos).
