Povijest razvoja i trendovi turbinskih lopatica
Turbinske lopatice dijele se u dvije kategorije: vodeće lopatice turbine i radne lopatice turbine.
Glavna funkcija vodećih lopatica turbine je podešavanje smjera protoka ispušnog plina iz komore za izgaranje. Radna temperatura materijala može doseći i do preko 1100 stupnjeva, a naprezanje koje nose lopatice turbine općenito je manje od 70 MPa. Ova se komponenta često rashoduje zbog izobličenja uzrokovanog velikim toplinskim naprezanjem, pukotina uslijed toplinskog zamora uzrokovanih naglim promjenama temperature i opeklina uzrokovanih lokalnim previsokim temperaturama.
Lopatice turbine nalaze se u turbinskom motoru s najvišom temperaturom, najsloženijim naprezanjem i najlošijim okruženjem. Ova komponenta mora izdržati visoke temperature i veliko centrifugalno naprezanje i toplinsko naprezanje. Temperatura koju podnosi je 50-100 stupnjeva niža od odgovarajućih vodećih lopatica turbine, ali pri rotaciji velikom brzinom, zbog učinaka aerodinamičke sile i centrifugalne sile, naprezanje na tijelu lopatice doseže 140 MPa, a korijen doseže { {2}} MPa. Kontinuirano poboljšanje strukture i materijala lopatica turbine postalo je jedan od ključnih čimbenika u poboljšanju performansi zrakoplovnih motora.
Lopatice turbine, osovina turbine, disk turbine i ostale komponente zajedno čine turbinu motora zrakoplova. Turbina je izvor energije koji pokreće kompresor i ostale dodatke. Turbina se može podijeliti u dvije komponente: rotor i stator:
Rotor turbine: To je cjelina sastavljena od lopatica turbine, kotača, osovine i drugih rotirajućih dijelova postavljenih na osovinu. Odgovoran je za usisavanje protoka zraka visoke temperature i visokog tlaka u plamenik kako bi se održao rad motora. Rotor turbine radi na visokoj temperaturi i velikoj brzini te prenosi veliku snagu, pa su njegovi radni uvjeti izuzetno teški. Kada radi na visokoj temperaturi, rotor turbine mora izdržati izuzetno visoku centrifugalnu silu, a također je podložan učinku aerodinamičkog momenta, itd. Okruženje visoke temperature smanjit će krajnju čvrstoću materijala lopatice turbine, a također će uzrokovati puzanje i erozija materijala lopatica turbine.
Stator turbine: Sastoji se od vodećih lopatica turbine, vanjskog i unutarnjeg prstena. Fiksiran je na kućište i njegova glavna funkcija je raspršiti i ispraviti protok zraka za rotor turbine sljedećeg stupnja kako bi zadovoljio trokut brzine radnih lopatica turbine.
Kako bi se poboljšali pokazatelji performansi kao što je omjer potiska i težine, zahtjevi za tolerancijom lopatica motora zrakoplova i plinske turbine na visoku temperaturu i veliku brzinu vjetra stalno se povećavaju. U glavnim zrakoplovnim turboventilatorskim motorima, kompresor pokretan turbinom ima najviše
Zrak koji ulazi u turbinski motor vrti se velikom brzinom od tisuća okretaja u sekundi. Zrak se u kompresoru tlači korak po korak. Omjer tlaka višestupanjskog kompresora može doseći više od 25. Zrak pod tlakom ulazi u komoru za izgaranje motora, miješa se s gorivom i izgara. Plamen goriva treba stabilno gorjeti u visokotlačnom protoku zraka koji struji velikom brzinom većom od 100 m/s.
Protok plina visoke temperature i visokog tlaka iz komore za izgaranje pokreće lopatice turbine da se okreću brzinom od tisuća do desetaka tisuća okretaja u minuti. Obično temperatura ispred turbine premašuje točku taljenja materijala lopatice turbine. Tijekom rada, turbinske lopatice modernih motora obično moraju izdržati temperature od 1600~1800 stupnjeva, brzine vjetra od oko 300 m/s i veliki tlak zraka koji one uzrokuju.
Turbinske lopatice moraju pouzdano raditi tisuće do desetke tisuća sati u tako ekstremno teškom radnom okruženju. Turbinske lopatice imaju složene profile i koriste veliki broj naprednih proizvodnih tehnologija kao što su usmjereno skrućivanje, metalurgija praha, složeno livenje šupljih lopatica, složena proizvodnja keramičkih jezgri i obrada mikrorupa.
Turbinske lopatice jedna su od komponenti "dva stroja" koji imaju najviše proizvodnih procesa, najduži ciklus i najnižu stopu prolaza. Proizvodnja složenih šupljih turbinskih lopatica postala je temeljna tehnologija u trenutnom razvoju "dva stroja".
Stanje tržišta i trendovi razvoja
Lopatice u zrakoplovnim motorima i plinskim turbinama uglavnom uključuju lopatice ventilatora, lopatice turbina i lopatice kompresora, od čega vrijednost lopatica turbine čini oko 60% ukupne cijene lopatica. U usporedbi s lopaticama ventilatora, sirovine lopatica turbine su vrjednije i teže ih je obraditi.
Kao važna vruća komponenta motora, lopatice turbine zahtijevaju upotrebu visokotemperaturnih legura. Njihova tehnologija taljenja zahtijeva visoke zahtjeve, a neki metalni mineralni resursi su rijetki. Što se tiče proizvodnog procesa, turbinske lopatice općenito koriste livenje u obliku investicije za postizanje tankih stijenki i složenih rashladnih struktura. Poteškoće u proizvodnji znatno su veće nego kod drugih oštrica.
Na primjer, zrakoplovni motori CFM56 koji se naširoko koriste u seriji Boeing 737 i seriji Airbus 320 imaju više od tisuću turbinskih lopatica, a svaka košta više od 10 000 juana. Jedinična cijena turbinskih lopatica u nekim dijelovima čak premašuje 100 000 juana.
