Како су се повећавали захтеви за перформансе авиона за транспорт, војне, производње и друге сврхе, најранији пистонови мотори више нису могли задовољити потребе високобрзног лета. Стога су од 1950-их година, мотори са гасовим турбинама постепено постали главни.
1928. године, сер Франк Витл из Уједињеног Краљевства у својој дипломској тези "Бъдећи развој у дизајну авиона" док је студирао на војној академији истакао је да се у складу са техничким знањем у то време, будући развој витлових мотора не може прилагодити потребама високих висина или Он је први предложио концепт онога што се сада назива реактивни мотор (моторски мотор): компресиони ваздух се снабдева комором за сагоревање (согоревање) кроз традиционални клип, а произвеђени гас високе температуре директно се користи за покретање лета, који се може сматрати као пропелерски мотор плус У следећим истраживањима, он је напустио идеју коришћења тешког и неефикасног свитка и предложио коришћење турбине (турбине) за снабдевање компресираним ваздухом у комору за сагоревање, а снага турбине добијена је од испадног гаса високе температуре. Године 1930. Витл је подносио захтев за патент, а 1937. године развио је први центрифугални турбореактивни мотор на свету, који је званично коришћен у авиону Глостер Е.28/39 1941. године. Од тада, мотор са гасовим турбинама доминирао је ваздухопловном моћи и важан је симбол научног и технолошког индустријског нивоа земље и свеобухватне националне снаге.
Авионски мотори се могу поделити на четири основна типа према њиховој употреби и структурним карактеристикама: турбоџет мотори, турбофан мотори, турбошафт мотори и турбопроп мотори:
Авијациони турбински мотори се називају турбоџет мотори, који су најранији употребљени турбински мотори. Из перспективе начина на који се генерише погон, турбоџетски мотори су најједноставнији и најдиректнији мотори. Разум се ослања на реакциону силу коју ствара брзи инјекција вртуша. Међутим, брзи проток ваздуха одузме у исто време много топлоте и кинетичке енергије, узрокујући велики губитак енергије.
Турбофан мотор дели ваздух који тече у мотор на два пута: унутрашњи канал и спољашњи канал, што повећава укупни проток ваздуха и смањује температуру издувних гасова и брзину проток ваздуха у унутрашњем каналу.
Турбовасфел и турбопроп мотори не генеришу погон убризгавањем ваздушног тока, тако да се температура и брзина издувних гасова знатно смањују, топлотна ефикасност је релативно висока, а стопа потрошње горива мотора је ниска, што је погодно за авионе ду Брзина витла се углавном не мења, а различити погон се добија прилагођавањем угла лопате.
Пропфан мотор је мотор између турбопроп и турбофан мотора. Може се поделити на пропфан моторе са капелом за пропелер и пропфан моторе без капела за пропелер. Пропфан мотор је најконкурентнији нови енергетски штедни мотор погодан за подзвучни лет.
Цивилни ваздухопловни мотори прошли су кроз више од пола века развоја. Структура мотора је еволуирала од раног центрифугалног турбинског мотора до мотора са једнороторским аксијским протоком, од турбоџет мотора са двороторским ротором до турбофан мотора са ниским опкољем за прелазак, а затим до турбофан мотора са Структура је стално оптимизована у потрази за ефикасношћу и поузданошћу. Температура улаза у турбине била је само 1200-1300К у првој генерацији турбоџет мотора у 1940-им и 1950-им. Подигао се за око 200 хиљада са сваком надоградњом авиона. До 1980-их, температура улаза у турбине четврте генерације напредних борбених авиона достигла је 1800-2000 К[1].
Принцип центрифугалног компресора ваздуха је да покретач покреће гас да се окреће високом брзином, тако да гас генерише центрифугалну силу. Због протока гаса у прскачићу, стопа проток и притисак гаса након проласка кроз прскачицу се повећавају, а компресиони ваздух се континуирано производи. Има кратку осевну димензију и висок однос притиска у једној фази. Аксиалфлоу ваздушни компресор је компресор у коме проток ваздуха у основи тече паралелно оси ротирајућег ротатора. Осијски проток компресора се састоји од више фаза, свака фаза садржи редовину роторских лопаћа и следећи редовину статорских лопаћа. Ротор је радна лопастица и точак, а статор је водич. Ваздух се прво убрзава лопатима ротора, успорава и компресира у каналу лопа статора, и понавља се у вишестепеним лопатима док укупни однос притиска не достигне захтеван ниво. Осијски проток компресора има мали пречник, што је погодно за вишестепени тандем употребу за добијање већи однос притиска.
Турбофан мотори обично користе однос заобилаза, однос притиска мотора, температуру улаза турбине и однос притиска вентилатора као дизајнерске параметре:
Однос за прелазак (БПР): Однос масе гаса који пролази кроз излазне канале према маси гаса који пролази кроз унутрашње канале у мотору. Ротор на предњој страни турбореактивног мотора обично се назива компресор ниског притиска, а ротор на предњој страни турбофан мотора обично се назива вентилатор. Гас под притиском који пролази кроз компресор ниског притиска пролази кроз све делове турбоџет мотора; гас који пролази кроз вентилатор је подељен на унутрашње и спољне канале. Од појаве турбофан мотора, БПР је све већи, а овај тренд је посебно очигледан у цивилним турбофан моторима.
Однос притиска мотора (EPR): Однос укупног притиска на излазу млазнице на укупни притисак на уходу компресора.
Улазна температура турбине: температура изгаса из коморе за сагоревање када уђе у турбину.
Однос компресије вентилатора: Такође се назива однос компресије, однос притиска гаса на излазу компресора на притисак гаса на улазу.
Две ефикасности:
Термална ефикасност: Мера колико ефикасно мотор претвара топлотну енергију насталу сагоревањем у механичку енергију.
Ефикасност покретања: мера дела механичке енергије коју генерише мотор који се користи за покретање авиона.
Године 1970. године, Сједињене Државе су прве користиле PWA1422 усмерне оштрилости у војним и цивилним авионама.
Након 1980-их, однос погон-тежина треће генерације мотора се повећао на више од 8, а лопатице турбина су почеле да користе SX прве генерације, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 и кинески DD3. Његова температура носи 80K више од најбоље усмјереног зацвршћивања лијечење високе температуре легу PWA1422. Предности. У комбинацији са филмом хлађења једноканалне шупљине технологије, оперативна температура лопате турбине достиже 1600-1750К.
Четврта генерација турбофан мотора користи другу генерацију SXPWA1484, RenéN5, CMSX-4 и DD6. Додавањем Ре елемената и вишеканалне технологије хлађења ваздухом под високим притиском, оперативна температура лопате турбине достиже 1800К-2000К. На 2000К и 100х трајна чврстоћа достиже 140МПа.
Трећа генерација SX развијена после 1990-их укључује РенеН6, ЦМРХ-10, и ДД9, који имају веома очигледне предности у односу на другу генерацију SX. Под заштитом сложених канала хлађења и топлотних преградних премаза, температура улаза у турбину коју може издржати достиже 3000К. Металлична спојна легура која се користи у лопатима достиже 2200К, а трајна чврстоћа од 100х достиже 100МПа.
Тренутно су у развоју четврта генерација SX представљена МЦ-НГ[4], ТМС-138, итд., и пета генерација SX представљена ТМС-162, итд. Њен састав карактерише додавање нових елемената ретких земљишта као што су Ру и Пт, што значајно побољшава перформансе ШКС- Радна температура пете генерације високотемпературне легуре достигла је 1150°C, што је близу теоријске граничне радне температуре од 1226°C.
3.1 Карактеристике састава и фазни састав једнокристални суперлегури на бази никла
Према типу матричних елемената, легуре са високом температуром могу се поделити на железно-базиране, никел-базиране и кобалт-базиране, а даље се поделити на макроструктуре ливења, ковања и металлургије праха. Легуре на бази никла имају боље перформансе на високим температурама од других две врсте легура на високим температурама и могу дуго радити у суровим високим температурама.
Никелске високотемпературне легуре садрже најмање 50% Ни. Њихова ФЦЦ структура чини их веома компатибилним са неким елементима легуре. Број елемената легуре који се додају током процеса пројектовања често прелази 10. Заједничност додатих легураних елемената класификована је на следећи начин: (1) Ни, Цо, Фе, Цр, Ру, Ре, Мо и В су елементи прве класе, који служе као аустенитни стабилизаторни елементи; (2) Ал, Ти, Та и Нб имају веће атомске радије, који Њихова атомска величина је много мања од атома Ни, и лако се одвоје до грана границе γ фазе, играјући улогу у јачању границе зрна [14].
Фазе никелних једнокристалних високотемпературних легова су углавном: γ фаза, γ 'фаза, карбидна фаза и тополошка фаза (TCP фаза).
γ фаза: γ фаза је аустенитна фаза са кристалном структуром ФЦЦ-а, који је чврст раствор формиран од елемената као што су Цр, Мо, Цо, В и Ре растворени у никелу.
γ' фаза: γ' фаза је интерметално једињење ФЦЦ-а, које се формира као фаза опадња и одржава одређену кохеренцију и несогласност са матрице фазе, и богата је Ал, Ти, Та и другим елементима.
Карбидна фаза: Почињући од друге генерације СХ на бази никла, додаје се мала количина Ц, што резултира појавом карбида. Мало количине карбида је распрштено у матрици, што у одређеној мери побољшава перформансе легуре на високим температурама. Генерално је подељен на три типа: МЦ, М23Ц6, и М6Ц.
TCP фаза: У случају старења у служби, прекомерни оштри елементи као што су Cr, Mo, W и Re промовишу ослијеђивање TCP фазе. TCP је обично формиран у облику плоче. Структура плоча има негативан утицај на дугактилност, плесљивост и својства уморности. TCP фаза је један од извора пукотина за пуцање.
Механизам за јачање
Тврдост суперлегова на бази никла долази од спајања вишеструких механизама за тврдоће, укључујући јачање чврстог раствора, јачање опадња и топлотну обраду како би се повећала густина дислокације и развила дислокацијска подструктура за ојачање.
Оштрење чврстог раствора је побољшање основне чврстоће додавањем различитих растворљивих елемената, укључујући Cr, W, Co, Mo, Re и Ru.
Различити атомски радијуси доводе до одређеног степена изопачења атомске мреже, што инхибира покрет дислокације. Ојачање чврстог раствора повећава се са повећањем разлике атомске величине.
Зајачање чврстог раствора такође има ефекат смањења енергије грешке спајања (СФЕ), углавном инхибирајући дислокациони крстоскоп, који је главни начин деформације неидеалних кристала на високим температурама.
Атомска скупљања или микроструктуре кратког домета су још један механизам који помаже да се добије јачање кроз чврсто раствор. Ре атоми у СХ се сегрегирају у региону напетног стреса дислокационог језгра на γ/γ интерфејсу, формирајући "Котреллову атмосферу", која ефикасно спречава покрет дислокације и ширење пукотина. (Рушени атоми су концентрисани у подручју напетог стреса ребраних дислокација, смањујући деформацију мреже, формирајући кориолисову гасну структуру и стварајући снажан чврсти ефект јачања раствора. Ефекат се повећава са повећањем концентрације растворених атома и повећањем разлике у величини)
Ре, В, Мо, Ру, Цр и Цо ефикасно јачају γ фазу. Ојачање чврстог раствора γ матрице игра изузетно важну улогу у чврстоћи плесњања високотемпературних легура на бази никла.
На ефекта оштрења падањем утиче обимни део и величина γ' фазе. Сврха оптимизације састава високотемпературних легура је углавном повећање волуменског дела γ' фазе и побољшање механичких својстава. ШКС високотемпературне легуре могу садржати 65% -75% γ' фазе, што резултира добром чврстоћом плесња. Ово представља максималну корисну вредност појачавања γ/γ' интерфејса, а даље повећање ће довести до значајног смањења чврстоће. На чврстоћу плесњавања високотемпературних легура са високим γ фазом у обемном делу утиче величина γ фаза честица. Када је величина γ фазе мала, дислокације имају тенденцију да се попере око ње, што резултира смањењем снаге плесња. Када се дислокације приморају да пресеку γ фазу, снага плесњавања достиже свој максимум. Како честице γ фазе повећавају величину, дислокације имају тенденцију да се савијају између њих, што резултира смањењем чврстоће плесња [14].
Постоје три главна механизма јачања падавина:
Ојачање неисправности решетке: γ фаза се распршива и уноси у γ фазно матрицу кохерентним начином. Обе су структуре ФЦЦ-а. Неисправност мреже одражава стабилност и стање стреса кохерентног интерфејса између две фазе. Најбољи случај је да матрица и фаза са упадком имају исту кристалну структуру и параметре решетке исте геометрије, тако да се у γ фази могу попунити више фаза са упадком. Диапазон неисправности високотемпературних легура на бази никла је 0 ~ ± 1%. Ре и Ру су очигледно одвојене са γ фазом. Повећање Ре и Ру повећава неисправност мреже.
Ојачање реда: Дислокација сечење ће изазвати поремећај између матрице и упадне фазе, захтевајући више енергије
Механизам за прелазак дислокације: назван Орован механизам (Орован склонило), то је механизам за јачање у којем је фаза у металној матрици спречава дислокацију у покрету да настави да се креће. Основни принцип: Када се покретни дислокација наиђе на честицу, не може проћи кроз, што резултира понашањем заобилажења, раст дислокације, и потребног покретачке снаге повећава, што резултира појачањем ефекта.
3.3 Развој метода легурног лијечења на високе температуре
Најранија легура која се користи у високим температурама може се пратити до изумства Нихрома 1906. године. Појава турбо компресора и гасни турбински мотори подстакла је значајан развој високотемпературних легура. Оштрице прве генерације моторних гасних турбина произведене су екструзијом и ковањем, што је очигледно имало ограничења времена. Трбина са високом температуром из легуре се углавном производи инвестиционим лијевом, посебно усмерним зацвршћувањем (ДС). ДС методу је први пут измислио Верснидер тим Пратт & Витније у Сједињеним Државама 1970-их [3]. У деценијама развоја, преферирани материјал за лопате турбина променио се од равноосиних кристала на колонарне кристале, а затим оптимизован на једнокристалне материјале високотемпературне легуре.
DS технологија се користи за производњу слојних јединица из легуре SX, што значајно побољшава гножљивост и отпорност на топлотне ударе легура на високе температуре. ДС технологија осигурава да произведене колонасне кристале имају оријентацију [001], која је паралелна са главном оси за напор делова, а не случајну оријентацију кристала. У принципу, ДС мора да осигура да се зацвршћење топљеног метала у ливу врши са течним металом за вртло увек у самоцврстом стању.
Изливање колонарних кристала мора да испуни два услова: (1) једносмерни ток топлоте осигурава да се интерфејс чврстог течности у тачки раста зрна креће у једном правцу; (2) Не сме бити нуклеације испред кретања у правцу интерфејса чврстог течности.
Пошто се кршење лопате обично јавља у високотемпературној слабој структури границе зрна, како би се елиминисала граница зрна, током процеса усмерног учвршћивања користи се калупа за учвршћивање са структуром "изборавача зрна". Величина попречног пресека ове структуре је близу величине зрна, тако да само једно оптимално узгајано зрно улази у шупљину калупе ливења, а затим наставља да расте у облику једног кристала док се цео лопац не састоји од само једног зрна.
Кристални селектор се може поделити на два дела: почетни блок и спирала:
На почетку ДС процеса, зрна почињу да се јадре на дну почетног блока. У раној фази раста зрна, број је велики, величина мала, а разлика у оријентацији велика. Конкурентно понашање раста између зрна доминира, а геометријски блокирајући ефекат бочног зида је слаб. У овом тренутку, ефекат оптимизације оријентације је очигледан; када се висина зрна у почетном блоку повећава, број зрна се смањује, величина се повећава и оријентација је близу. Конкурентно понашање раста између зрна смањује се, а доминира геометријски блокирајући ефекат бочног зида, што осигурава да се усред кристала може континуирано оптимизовати, али је ефекат оптимизације оријентације ослабљен. Смањењем радијуса стартерског блока и повећањем висине стартерског блока, оријентација зрна која улазе у спирални део може се ефикасно оптимизовати. Међутим, повећање дужине почетног блока скраће ефикасан простор за раст ливења и дати ће вам производњи циклус и трошкове припреме. Стога је неопходно разумно дизајнирати геометријску структуру субстрата.
Главна функција спирале је да ефикасно одабере појединачне кристале, а способност оптимизације оријентације зрна је слаба. Када се процес ДС врши у спирали, закривљени канал пружа простор за раст дендрита, а секундарни дендрити зрна напредују у правцу линије ликидуса. Зрна имају јак тренд бочног развоја, а оријентација зрна је у флуктуираном стању, са слабим ефектом оптимизације. Стога, избор зрна у спирали углавном зависи од предности геометријског ограничења, конкурентне предности раста и предности просторне експанзије зрна у спиралном сегменту [7], а не предности раста пожељне оријентације зрна, која има јаку случајност [6]. Стога, главни разлог за неуспех селекције кристала је да спирала не игра улогу селекције једног кристала. У великој мери се повећава спољни дијаметар спирале, смањује се наклона, дијаметар спиралне површине и смањује почетни угао, што значи да се ефекат селекције кристала може значајно побољшати.
Припрема шупљих једнокристалних турбинских лопасти захтева више од десетак корака (плављење главне легуре, припрема љушке једнокристалне мембране, припрема керамичког језгра сложене конфигурације, ливање, усмерно учвршћивање, топлотна обра Комплексни процес је склон различитим дефектима, као што су лутања зрна, пепеле, границе зрна малог угла, кристали трака, одступање оријентације, рекристализација, границе зрна великог угла и неуспех селекције кристала.
Топла вест2025-12-31
2024-12-31
2024-12-04
2024-12-03
2024-12-05
2024-11-27
Наш професионални тим за продају чека вашу консултацију.
EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
NO
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
LV
LT
SR
SK
SL
UK
VI
ET
HU
TH
TR
AF
MS
GA
IS
