Turbiinien siipien kehityshistoria ja suuntaukset
Turbiinien siivet jaetaan kahteen luokkaan: turbiinin ohjaussiivet ja turbiinin työsiivet.
Turbiinin ohjaussiipien päätehtävä on säätää polttokammiosta tulevan pakokaasun virtaussuuntaa. Materiaalin käyttölämpötila voi nousta yli 1100 asteeseen, ja turbiinin ohjaussiipien kantama rasitus on yleensä alle 70 MPa. Tämä komponentti romutetaan usein suurten lämpörasituksen aiheuttamien vääristymien, äkillisten lämpötilamuutosten aiheuttamien lämpöväsymishalkeamien ja paikallisten ylilämpötilojen aiheuttamien palovammojen vuoksi.
Turbiinin siivet sijaitsevat turbiinimoottorissa, jossa on korkein lämpötila, monimutkaisin jännitys ja huonoin ympäristö. Tämän komponentin on kestettävä korkeita lämpötiloja ja suurta keskipakojännitystä ja lämpörasitusta. Sen kestämä lämpötila on 50-100 astetta alhaisempi kuin vastaavien turbiinin ohjaussiipien, mutta suurella nopeudella pyörittäessä aerodynaamisen voiman ja keskipakovoiman vaikutuksesta terän runkoon kohdistuva jännitys saavuttaa 140 MPa ja juuri { {2}}MPa. Turbiinien siipien rakenteen ja materiaalien jatkuvasta parantamisesta on tullut yksi lentokoneiden moottoreiden suorituskyvyn parantamisen avaintekijöistä.
Turbiinin siivet, turbiinin akseli, turbiinilevy ja muut komponentit yhdessä muodostavat lentokoneen moottorin turbiinin. Turbiini on teholähde, joka käyttää kompressoria ja muita lisävarusteita. Turbiini voidaan jakaa kahteen osaan: roottoriin ja staattoriin:
Turbiinin roottori: Se on kokonaisuus, joka koostuu turbiinin lapoista, pyöristä, akseleista ja muista pyörivistä osista, jotka on asennettu akselille. Se vastaa korkean lämpötilan ja korkeapaineisen ilmavirran imemisestä polttimeen moottorin toiminnan ylläpitämiseksi. Turbiinin roottori toimii korkeassa lämpötilassa ja suurella nopeudella ja siirtää suurta tehoa, joten sen työolosuhteet ovat erittäin ankarat. Korkeassa lämpötilassa työskennellessä turbiinin roottorin on kestettävä erittäin suurta keskipakovoimaa, ja se on myös alttiina aerodynaamisen vääntömomentin vaikutukselle jne. Korkean lämpötilan ympäristö heikentää turbiinin siiven materiaalin lopullista lujuutta ja aiheuttaa myös virumista ja turbiinin lapojen materiaalin eroosio.
Turbiinin staattori: Se koostuu turbiinin ohjaimista, ulkorenkaasta ja sisärenkaasta. Se on kiinnitetty koteloon ja sen päätehtävänä on hajauttaa ja oikaista ilmavirtaa seuraavan vaiheen turbiinin roottoria varten turbiinin työsiipien nopeuskolmioon nähden.
Suorituskykyindikaattoreiden, kuten työntövoima-painosuhteen, parantamiseksi vaatimukset lentokoneen moottoreiden ja kaasuturbiinien siipien sietokyvylle korkealle lämpötilalle ja suurelle tuulen nopeudelle kasvavat jatkuvasti. Yleisissä lentokoneiden turbopuhallinmoottoreissa turbiinikäyttöisellä kompressorilla on enintään
Turbiinimoottoriin tuleva ilma pyörii suurella nopeudella tuhansia kierroksia sekunnissa. Ilma paineistetaan askel askeleelta kompressorissa. Monivaiheisen kompressorin painesuhde voi olla yli 25. Paineilma tulee moottorin palotilaan, sekoittuu polttoaineeseen ja palaa. Polttoaineliekin tulee palaa vakaasti korkeapaineisessa ilmavirrassa, joka virtaa suurella nopeudella yli 100 m/s.
Polttokammiosta tuleva korkean lämpötilan korkeapaineinen kaasuvirtaus saa turbiinin siivet pyörimään tuhansista kymmeniin tuhansiin kierroksiin minuutissa. Yleensä lämpötila ennen turbiinia ylittää turbiinin lapojen materiaalin sulamispisteen. Nykyaikaisten moottoreiden turbiinien siivet joutuvat käytön aikana yleensä kestämään 1600-1800 asteen lämpötiloja, noin 300m/s tuulen nopeuden ja niiden aiheuttaman valtavan ilmanpaineen.
Turbiinin siipien on toimittava luotettavasti tuhansia tai kymmeniä tuhansia tunteja näin erittäin ankarissa työympäristöissä. Turbiinien siivillä on monimutkainen profiili, ja niissä käytetään monia kehittyneitä valmistustekniikoita, kuten suunnattua jähmettymistä, jauhemetallurgiaa, monimutkaista onttojen siipien sijoitusvalua, monimutkaista keraamisen ytimen valmistusta ja mikroreikien käsittelyä.
Turbiinien siivet ovat yksi "kahden koneen" osista, joilla on eniten valmistusprosesseja, pisin sykli ja alhaisin päästönopeus. Monimutkaisten onttojen turbiinien siipien valmistuksesta on tullut ydinteknologia nykyisessä "kahden koneen" kehittämisessä.
Markkinatilanne ja kehitystrendit
Lentokoneiden moottoreiden ja kaasuturbiinien siivet sisältävät pääasiassa tuulettimen siivet, turbiinin siivet ja kompressorin siivet, joista turbiinien siipien arvo on noin 60 % siipien kokonaiskustannuksista. Tuulettimiin verrattuna turbiinien siipien raaka-aineet ovat arvokkaampia ja vaikeammin prosessoitavia.
Tärkeänä moottorin kuumapään komponenttina turbiinin siivet vaativat korkean lämpötilan seosmateriaalien käyttöä. Niiden sulatustekniikka vaatii korkeita vaatimuksia, ja osa metallimineraalivarannoista on niukkaa. Valmistusprosessin kannalta turbiinien siivet käyttävät yleensä sijoitusvalua ohuiden seinien ja monimutkaisten jäähdytysrakenteiden saavuttamiseksi. Valmistusvaikeus on huomattavasti korkeampi kuin muiden terien.
Esimerkiksi Boeing 737- ja Airbus 320 -sarjoissa yleisesti käytetyissä CFM56-lentokoneiden moottoreissa on yli tuhat turbiinin siipiä, joista kukin maksaa yli 10,000 yuania. Turbiinin siipien yksikköhinta joissakin osissa ylittää jopa 100,000 yuania.
