Entwicklungsgeschichte und Trends von Turbinenschaufeln
Turbinenschaufeln werden in zwei Kategorien unterteilt: Turbinenleitschaufeln und Turbinenarbeitsschaufeln.
Die Hauptfunktion von Turbinenleitschaufeln besteht darin, die Strömungsrichtung des Abgases aus der Brennkammer anzupassen. Die Betriebstemperatur des Materials kann bis zu über 1.100 Grad betragen, und die Belastung, der Turbinenleitschaufeln ausgesetzt sind, beträgt im Allgemeinen weniger als 70 MPa. Dieses Bauteil wird häufig aufgrund von Verformungen aufgrund großer thermischer Spannungen, thermischen Ermüdungsrissen aufgrund plötzlicher Temperaturänderungen und Verbrennungen aufgrund lokaler Übertemperaturen verschrottet.
Die Turbinenschaufeln befinden sich im Turbinentriebwerk mit der höchsten Temperatur, der komplexesten Beanspruchung und der schlechtesten Umgebung. Dieses Bauteil muss hohen Temperaturen sowie großer Zentrifugal- und thermischer Belastung standhalten. Die Temperatur, der es standhält, ist 50-100 Grad niedriger als die der entsprechenden Turbinenleitschaufeln, aber wenn es mit hoher Geschwindigkeit rotiert, erreicht die Belastung auf den Schaufelkörper aufgrund der Auswirkungen von aerodynamischer Kraft und Zentrifugalkraft 140 MPa und die Wurzel erreicht 50-100 Grad. {2}}MPa. Die kontinuierliche Verbesserung der Struktur und Materialien von Turbinenschaufeln ist zu einem der Schlüsselfaktoren für die Verbesserung der Leistung von Flugzeugtriebwerken geworden.
Turbinenschaufeln, Turbinenwelle, Turbinenscheibe und weitere Komponenten bilden zusammen die Turbine eines Flugzeugtriebwerks. Die Turbine ist die Energiequelle, die den Kompressor und andere Zubehörteile antreibt. Die Turbine kann in zwei Komponenten unterteilt werden: den Rotor und den Stator:
Turbinenrotor: Es handelt sich um ein Ganzes, das aus Turbinenschaufeln, Rädern, Wellen und anderen rotierenden Teilen besteht, die auf der Welle montiert sind. Es ist dafür verantwortlich, einen Luftstrom mit hoher Temperatur und hohem Druck in den Brenner zu saugen, um den Betrieb des Motors aufrechtzuerhalten. Der Turbinenrotor arbeitet bei hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit und überträgt eine hohe Leistung, sodass seine Arbeitsbedingungen extrem hart sind. Beim Arbeiten bei hohen Temperaturen muss der Turbinenrotor einer extrem hohen Zentrifugalkraft standhalten und ist außerdem der Wirkung aerodynamischer Drehmomente usw. ausgesetzt. Die Umgebung mit hohen Temperaturen verringert die Endfestigkeit des Turbinenschaufelmaterials und verursacht außerdem Kriechen und Kriechen Erosion des Turbinenschaufelmaterials.
Turbinenstator: Er besteht aus Turbinenleitschaufeln, Außenring und Innenring. Es ist am Gehäuse befestigt und seine Hauptfunktion besteht darin, den Luftstrom für den Turbinenrotor der nächsten Stufe zu zerstreuen und gleichzurichten, um das Geschwindigkeitsdreieck der Turbinenschaufeln zu treffen.
Um Leistungsindikatoren wie das Schub-Gewichts-Verhältnis zu verbessern, steigen die Anforderungen an die Toleranz von Flugzeugtriebwerks- und Gasturbinenblättern gegenüber hohen Temperaturen und hohen Windgeschwindigkeiten ständig. In gängigen Turbofan-Triebwerken für Flugzeuge hat der von der Turbine angetriebene Kompressor eine maximale Leistung von
Die in das Turbinentriebwerk eintretende Luft rotiert mit einer hohen Geschwindigkeit von Tausenden Umdrehungen pro Sekunde. Im Kompressor wird die Luft stufenweise verdichtet. Das Druckverhältnis des mehrstufigen Kompressors kann mehr als 25 erreichen. Die unter Druck stehende Luft gelangt in den Brennraum des Motors, vermischt sich mit dem Kraftstoff und verbrennt. Die Brennstoffflamme muss im Hochdruckluftstrom, der mit einer hohen Geschwindigkeit von mehr als 100 m/s strömt, stabil brennen.
Der Gasstrom mit hoher Temperatur und hohem Druck aus der Brennkammer treibt die Turbinenschaufeln an, sich mit einer Geschwindigkeit von Tausenden bis Zehntausenden Umdrehungen pro Minute zu drehen. Normalerweise übersteigt die Temperatur vor der Turbine den Schmelzpunkt des Turbinenschaufelmaterials. Im Betrieb müssen die Turbinenschaufeln moderner Triebwerke in der Regel Temperaturen von 1600–1800 Grad, Windgeschwindigkeiten von etwa 300 m/s und dem dadurch verursachten enormen Luftdruck standhalten.
Turbinenschaufeln müssen in einer solch extrem rauen Arbeitsumgebung Tausende bis Zehntausende Stunden lang zuverlässig funktionieren. Turbinenschaufeln haben komplexe Profile und nutzen eine Vielzahl fortschrittlicher Fertigungstechnologien wie gerichtete Erstarrung, Pulvermetallurgie, komplexen Hohlschaufel-Feinguss, komplexe Keramikkernherstellung und Mikrolochbearbeitung.
Turbinenschaufeln gehören zu den Komponenten der „zwei Maschinen“, die die meisten Herstellungsprozesse, den längsten Zyklus und die niedrigste Erfolgsquote aufweisen. Die Herstellung komplexer hohler Turbinenschaufeln ist zur Kerntechnologie in der aktuellen Entwicklung der „zwei Maschinen“ geworden.
Marktstatus und Entwicklungstrends
Die Schaufeln in Flugzeugtriebwerken und Gasturbinen umfassen hauptsächlich Fanschaufeln, Turbinenschaufeln und Kompressorschaufeln, wobei der Wert der Turbinenschaufeln etwa 60 % der gesamten Schaufelkosten ausmacht. Im Vergleich zu Fanschaufeln sind die Rohstoffe von Turbinenschaufeln wertvoller und schwieriger zu verarbeiten.
Als wichtige Hot-End-Komponente des Triebwerks erfordern Turbinenschaufeln die Verwendung von Hochtemperaturlegierungsmaterialien. Ihre Schmelztechnologie stellt hohe Anforderungen und einige Metallvorkommen sind knapp. Im Hinblick auf den Herstellungsprozess wird bei Turbinenschaufeln im Allgemeinen Feinguss verwendet, um dünne Wände und komplexe Kühlstrukturen zu erreichen. Der Herstellungsaufwand ist deutlich höher als bei anderen Klingen.
Beispielsweise verfügen die in der Boeing 737-Serie und der Airbus 320-Serie weit verbreiteten CFM56-Flugzeugtriebwerke über mehr als tausend Turbinenschaufeln, von denen jede mehr als 10.{4}} Yuan kostet. Der Stückpreis für Turbinenschaufeln übersteigt in bestimmten Teilen sogar 100.000 Yuan.
