Probablemente todo el mundo sepa que, por mucho que se esfuercen los chinos, no pueden copiar los motores a reacción modernos. Todo. Copiaron lo que pudieron y consiguieron su propio SUSHKA, pero aún hay que comprar el motor en la Federación Rusa. Acabo de leer un artículo en ViMe: http://www.warandpeace.ru/ru/news/view/74298/ “China todavía no puede copiar un motor a reacción moderno”. Además, entiendo que existen tecnologías, desarrollos, matemáticas, etc., etc., etc. ultramodernos. Pero para comprender con más detalle lo que realmente está pasando aquí, recomiendo leer el siguiente artículo.

MOTORES Y MATERIALES

La potencia de cualquier motor térmico está determinada por la temperatura del fluido de trabajo; en el caso de un motor a reacción, esta es la temperatura del gas que fluye desde las cámaras de combustión. Cuanto mayor sea la temperatura del gas, más potente será el motor, mayor será su empuje, mayor será la eficiencia y mejores serán las características de peso. Un motor de turbina de gas contiene un compresor de aire. Es impulsado a girar por una turbina de gas situada en el mismo eje. El compresor comprime el aire atmosférico a 6-7 atmósferas y lo dirige a las cámaras de combustión, donde se inyecta el combustible (queroseno). El flujo de gas caliente que sale de las cámaras (producto de la combustión del queroseno) hace girar la turbina y, al salir a través de la boquilla, crea un empuje de chorro e impulsa el avión. Las altas temperaturas que surgen en las cámaras de combustión requirieron la creación de nuevas tecnologías y el uso de nuevos materiales para la construcción de uno de los elementos más críticos del motor: el estator y las palas del rotor de la turbina de gas. Deben soportar temperaturas enormes durante muchas horas, sin perder la resistencia mecánica, a la que ya se funden muchos aceros y aleaciones. En primer lugar, esto se aplica a los álabes de las turbinas: perciben un flujo de gases calientes calentados a temperaturas superiores a 1600 K. Teóricamente, la temperatura del gas delante de la turbina puede alcanzar los 2200 K (1927 o C). En el momento del nacimiento de la aviación a reacción, inmediatamente después de la guerra, no existían en nuestro país materiales con los que fuera posible fabricar palas capaces de soportar elevadas cargas mecánicas durante mucho tiempo.
Poco después del fin del Gran guerra patriótica Un laboratorio especial de VIAM comenzó a trabajar en la creación de aleaciones para la fabricación de álabes de turbinas. Estaba encabezado por Sergei Timofeevich Kishkin.

A INGLATERRA POR METAL

El primer diseño nacional de un motor turborreactor fue creado en Leningrado por el diseñador de motores de avión Arkhip Mikhailovich Lyulka incluso antes de la guerra. A finales de los años 30 fue reprimido, pero, probablemente anticipando su arresto, logró enterrar los dibujos del motor en el patio del instituto. Durante la guerra, los dirigentes del país se enteraron de que los alemanes ya habían creado aviones a reacción (el primer avión con motor turborreactor fue el alemán Heinkel He-178, diseñado en 1939 como laboratorio de vuelo; el primer avión de combate producido en serie fue el bimotor Messerschmitt Me-262 Entonces Stalin convocó a L.P. Beria, que supervisaba los nuevos desarrollos militares, y exigió encontrar a quienes trabajan en los motores a reacción en nuestro país. A.M. Lyulka fue rápidamente liberado y le dieron un local en Moscú, en la calle Galushkina, para la primera oficina de diseño. motores a reacción. Arkhip Mikhailovich encontró y desenterró sus dibujos, pero el motor según su diseño no funcionó de inmediato. Luego simplemente tomaron un motor turborreactor comprado a los británicos y lo repitieron uno por uno. Pero todo se redujo a los materiales que no estaban disponibles en la Unión Soviética, pero sí en Inglaterra, y su composición, por supuesto, estaba clasificada, pero aun así lograron descifrarla.
Habiendo llegado a Inglaterra para familiarizarse con la producción de motores, S. T. Kishkin apareció en todas partes con botas con suelas gruesas y microporosas. Y después de haber visitado la planta donde se procesaban los álabes de las turbinas, él, cerca de la máquina, como por accidente, pisó las virutas que se habían caído de la pieza. Un trozo de metal chocó contra una goma blanda, se atascó en ella y luego fue sacado y sometido a un análisis exhaustivo en Moscú. Los resultados del análisis del metal inglés y una extensa investigación interna realizada en VIAM permitieron crear las primeras aleaciones de níquel resistentes al calor para álabes de turbinas y, lo más importante, desarrollar los fundamentos de la teoría de su estructura y producción. .

Se encontró que el principal portador de la resistencia al calor de tales aleaciones son las partículas submicroscópicas de la fase intermetálica a base del compuesto Ni3Al. Los álabes fabricados con las primeras aleaciones de níquel resistentes al calor podían funcionar durante mucho tiempo si la temperatura del gas delante de la turbina no superaba los 900-1000 K.

FUNDICIÓN EN LUGAR DE ESTAMPACIÓN

Las palas de los primeros motores se estampaban a partir de una aleación fundida en una varilla con una forma que recordaba vagamente al producto terminado, y luego se mecanizaban cuidadosa y minuciosamente. Pero aquí surgió una dificultad inesperada: para aumentar la temperatura de funcionamiento del material, se le agregaron elementos de aleación: tungsteno, molibdeno, niobio. Pero hicieron la aleación tan dura que resultó imposible estamparla: no se podía moldear mediante métodos de deformación en caliente.
Entonces Kishkin sugirió lanzar las espadas. Los diseñadores del motor estaban indignados: en primer lugar, después de la fundición, la pala todavía tendría que procesarse en máquinas y, lo más importante, ¿cómo se puede instalar una pala fundida en el motor? El metal de las hojas estampadas es muy denso, su resistencia es alta, pero el metal fundido permanece más suelto y obviamente menos duradero que el metal estampado. Pero Kishkin logró convencer a los escépticos y VIAM creó aleaciones especiales resistentes al calor y tecnología de fundición de cuchillas. Se llevaron a cabo pruebas, después de lo cual casi todos los turborreactores de aviación comenzaron a producirse con álabes de turbina de fundición.
Las primeras palas eran sólidas y no podían soportar altas temperaturas por mucho tiempo. Para ellos era necesario crear un sistema de refrigeración. Para ello, decidieron realizar canales longitudinales en las palas para suministrar aire de refrigeración desde el compresor. Esta idea no era tan buena: cuanto más aire del compresor se usa para enfriar, menos irá a las cámaras de combustión. Pero no había ningún lugar adonde ir: era necesario aumentar el recurso de las turbinas a toda costa.

Comenzaron a diseñar palas con varios canales de refrigeración ubicados a lo largo del eje de la pala. Sin embargo, pronto quedó claro que este diseño era ineficaz: el aire fluye a través del canal demasiado rápido, el área de la superficie enfriada es pequeña y el calor no se elimina lo suficiente. Intentaron cambiar la configuración de la cavidad interna de la pala insertando allí un deflector que desvía y retrasa el flujo de aire, o hacer que los canales tengan una forma más compleja. En algún momento, a los especialistas en motores de aviones se les ocurrió una idea tentadora: crear una pala íntegramente de cerámica: la cerámica puede soportar temperaturas muy altas y no es necesario enfriarla. Han pasado casi cincuenta años desde entonces, pero hasta el momento nadie en el mundo ha fabricado un motor con palas cerámicas, aunque los intentos continúan.

CÓMO HACER UNA HOJA FUNDIDA

La tecnología para fabricar álabes de turbinas se llama fundición a cera perdida. En primer lugar, se elabora un modelo de cera de la futura pala, fundiéndola en un molde, en el que primero se colocan cilindros de cuarzo en lugar de los futuros canales de refrigeración (posteriormente se empezaron a utilizar otros materiales). El modelo está cubierto con masa cerámica líquida. Después de que se seca, la cera se derrite con agua caliente y se cuece la masa cerámica. El resultado es un molde que puede soportar la temperatura del metal fundido de 1450 a 1500 o C, dependiendo del grado de la aleación. Se vierte metal en el molde, que se endurece en forma de cuchilla terminada, pero con varillas de cuarzo en lugar de canales en el interior. Las varillas se eliminan disolviéndolas en ácido fluorhídrico. Esta operación la lleva a cabo en una habitación herméticamente cerrada un trabajador en traje espacial con una manguera de suministro de aire. La tecnología es inconveniente, peligrosa y dañina.
Para eliminar esta operación, VIAM empezó a fabricar varillas de óxido de aluminio con la adición de un 10-15% de óxido de silicio, que se disuelve en álcali. El material de las palas no reacciona con los álcalis y el óxido de aluminio restante se elimina con un fuerte chorro de agua.
EN La vida cotidiana Estamos acostumbrados a considerar los productos fundidos como muy toscos y toscos. Pero logramos seleccionar composiciones cerámicas que tengan una forma completamente lisa y la fundición casi no requiera procesamiento mecánico. Esto simplifica enormemente el trabajo: las cuchillas tienen una forma muy compleja y no son fáciles de procesar.
Los nuevos materiales requerían nuevas tecnologías. Por muy conveniente que fuera la adición de óxido de silicio al material de la varilla, hubo que abandonarla. El punto de fusión del óxido de aluminio Al 2 O 3 es de 2050 o C, y del óxido de silicio SiO 2 es de sólo unos 1700 o C, y las nuevas aleaciones resistentes al calor destruyeron las varillas ya durante el proceso de vertido.
Para garantizar que el molde de óxido de aluminio conserve su resistencia, se cuece a una temperatura superior a la temperatura del metal líquido que se vierte en él. Además, la geometría interna del molde no debe cambiar durante el vertido: las paredes de las palas son muy delgadas y las dimensiones deben corresponder exactamente a las calculadas. Es por eso valor permitido la contracción del molde no debe exceder el 1%.

POR QUÉ RECHAZAMOS LAS CUCHILLAS ESTAMPADAS

Como ya se mencionó, después del estampado la hoja tuvo que ser mecanizada. En este caso, el 90% del metal se convirtió en astillas. La tarea estaba fijada: crear una tecnología de fundición de precisión que permitiera producir inmediatamente un perfil de hoja determinado, y el producto terminado solo necesitaría pulirse y aplicarse una capa protectora contra el calor. No menos importante es la estructura que se forma en el cuerpo de la pala y cumple la tarea de enfriarla.
Por lo tanto, es muy importante fabricar una pala que se enfríe eficientemente sin reducir la temperatura del gas de trabajo y que tenga una alta resistencia a largo plazo. Este problema se resolvió disponiendo los canales en el cuerpo de la pala y los orificios de salida del mismo de modo que apareciera una fina película de aire alrededor de la pala. En este caso, matan dos pájaros de un tiro: los gases calientes no entran en contacto con el material de la pala, por lo que no lo calientan ni lo enfrían.
Aquí existe cierta analogía con la protección térmica de un cohete espacial. Cuando un cohete entra a gran velocidad en las densas capas de la atmósfera, la llamada capa de sacrificio que cubre la ojiva comienza a evaporarse y arder. Asume el principal flujo de calor y los productos de su combustión forman una especie de cojín protector. El diseño de un álabe de turbina se basa en el mismo principio, sólo que se utiliza aire en lugar de un revestimiento de sacrificio. Es cierto que las palas también deben protegerse de la erosión y la corrosión.

El procedimiento para hacer una cuchilla es el siguiente. Primero, se crea una aleación de níquel con parámetros específicos de resistencia mecánica y resistencia al calor, para lo cual se introducen aditivos de aleación en el níquel: 6% de aluminio, 6-10% de tungsteno, tantalio, renio y un poco de rutenio. Le permiten lograr el máximo rendimiento a alta temperatura para aleaciones fundidas a base de níquel (es tentador aumentarlo aún más usando más renio, pero es increíblemente caro). El uso de siliciuro de niobio se considera una dirección prometedora, pero es una cuestión de un futuro lejano.
Pero la aleación se vierte en el molde a una temperatura de 1450 o C y se enfría con ella. El metal que se enfría cristaliza formando granos individuales equiaxiales, es decir, aproximadamente del mismo tamaño en todas las direcciones. Los propios granos pueden ser grandes o pequeños. No se adhieren de forma fiable y las cuchillas de trabajo quedaron destruidas a lo largo de los límites de las vetas y se hicieron añicos. Ninguna hoja podía durar más de 50 horas. Luego propusimos introducir un modificador en el material del molde de fundición: cristales de aluminato de cobalto. Sirven como centros, núcleos de cristalización, acelerando el proceso de formación de granos. Los granos son uniformes y pequeños. Las nuevas palas empezaron a funcionar durante 500 horas. Esta tecnología, desarrollada por E. N. Kablov, todavía funciona y funciona bien. Y en VIAM producimos toneladas de aluminato de cobalto y lo suministramos a las fábricas.
La potencia de los motores a reacción aumentó, la temperatura y la presión del chorro de gas aumentaron. Y quedó claro que la estructura multigrano del metal de la hoja no podría funcionar en las nuevas condiciones. Se necesitaban otras ideas. Fueron encontrados y llevados al escenario. desarrollo tecnológico y se conoció como cristalización direccional. Esto significa que el metal, al solidificarse, no forma granos equiaxiales, sino largos cristales columnares alargados estrictamente a lo largo del eje de la cuchilla. Una hoja con dicha estructura resistirá muy bien la fractura. Inmediatamente recuerdo la vieja parábola de una escoba que no se puede romper, aunque todas sus ramitas se rompen sin dificultad.

CÓMO SE PRODUCE LA CRISTALIZACIÓN DIRIGIDA

Para garantizar que los cristales que forman la paleta crezcan correctamente, el molde que contiene el metal fundido se retira lentamente de la zona de calentamiento. En este caso, el molde con metal líquido se apoya sobre un enorme disco de cobre enfriado por agua. El crecimiento de los cristales comienza desde abajo y sube a una velocidad casi igual a la velocidad a la que el molde sale del calentador. Al crear la tecnología de cristalización direccional, fue necesario medir y calcular muchos parámetros: la velocidad de cristalización, la temperatura del calentador, el gradiente de temperatura entre el calentador y el refrigerador, etc. movimiento del molde que los cristales columnares crecerían a lo largo de toda la longitud de la pala. Si se cumplen todas estas condiciones, por cada centímetro cuadrado de la sección transversal de la hoja crecen de 5 a 7 cristales columnares largos. Esta tecnología ha permitido la creación de una nueva generación de motores de avión. Pero fuimos aún más lejos.
Habiendo estudiado los cristales columnares crecidos utilizando métodos de rayos X, nos dimos cuenta de que se puede hacer toda la hoja a partir de un cristal, que no tendrá límites entre granos: los elementos más débiles de la estructura a lo largo de los cuales comienza la destrucción. Para hacer esto, hicieron una semilla que permitió que solo un cristal creciera en una dirección determinada (la fórmula cristalográfica de dicha semilla es 0-0-1; esto significa que en la dirección del eje Z el cristal crece, y en la dirección del eje Z el cristal crece, y en dirección XY- No). Se colocó la semilla en la parte inferior del molde y se vertió el metal, enfriándolo intensamente desde abajo. El monocristal en crecimiento tomó la forma de una espada.
Los ingenieros estadounidenses utilizaron un cristalizador de cobre enfriado por agua para enfriar. Y después de varios experimentos, lo reemplazamos con un baño de estaño fundido a una temperatura de 600-700 K. Esto permitió seleccionar con mayor precisión el gradiente de temperatura requerido y obtener productos de alta calidad. VIAM construyó instalaciones con baños para el cultivo de hojas monocristalinas, máquinas muy avanzadas controladas por ordenador.
En la década de 1990, cuando la URSS colapsó, los aviones soviéticos, principalmente cazas MiG, permanecieron en Alemania Oriental. Sus motores tenían palas de nuestra producción. El metal de las hojas fue examinado por los estadounidenses, después de lo cual muy pronto sus especialistas acudieron a VIAM y pidieron mostrar quién lo creó y cómo. Resultó que les dieron la tarea de fabricar hojas monocristalinas de un metro de largo, tarea que no pudieron resolver. Diseñamos una planta para la fundición de alto gradiente de grandes palas para turbinas eléctricas y tratamos de ofrecer nuestra tecnología a Gazprom y RAO UES de Rusia, pero no mostraron interés. Sin embargo, ya disponemos de una instalación industrial casi lista para fundir palas de un metro de longitud, e intentaremos convencer a la dirección de estas empresas de la necesidad de implementarla.

Por cierto, las turbinas para el sector energético son otro problema interesante que VIAM estaba resolviendo. Los motores de avión que han llegado al final de su vida útil comenzaron a utilizarse en estaciones compresoras de gasoductos y en centrales eléctricas que alimentan bombas de oleoductos. Ahora se ha vuelto urgente crear motores especiales para estas necesidades que funcionen a temperaturas y presiones de gas de trabajo mucho más bajas, pero durante mucho más tiempo. Si la vida útil de un motor de avión es de aproximadamente 500 horas, entonces las turbinas del oleoducto y gasoducto deberían funcionar entre 20 y 50 mil horas. Uno de los primeros en empezar a trabajar en ellos fue la oficina de diseño de Samara, dirigida por Nikolai Dmitrievich Kuznetsov.

ALEACIONES RESISTENTES AL CALOR

La pala monocristalina no se solidifica: en su interior tiene una cavidad de forma compleja para enfriar. Junto con CIAM, hemos desarrollado una configuración de cavidad que proporciona un coeficiente de eficiencia de enfriamiento (la relación entre las temperaturas del metal de la cuchilla y el gas de trabajo) de 0,8, casi una vez y media mayor que el de los productos en serie.

Estas son las palas que ofrecemos para motores de nueva generación. Ahora la temperatura del gas delante de la turbina apenas alcanza los 1950 K, y en los motores nuevos alcanzará los 2000-2200 K. Para ellos, ya hemos desarrollado aleaciones muy resistentes al calor que contienen hasta quince elementos de la tabla periódica, incluidos renio y rutenio, y revestimientos protectores contra el calor, entre los que se encuentran el níquel, el cromo, el aluminio y el itrio, y en el futuro, cerámicas de óxido de circonio estabilizadas con óxido de itrio.

Las aleaciones de primera generación contenían pequeñas cantidades de carbono en forma de carburos de titanio o tantalio. Los carburos se encuentran a lo largo de los límites del cristal y reducen la resistencia de la aleación. Nos deshicimos del carburo y lo reemplazamos por renio, aumentando su concentración del 3% en las primeras muestras al 12% en la última. Tenemos pocas reservas de renio en nuestro país; hay depósitos en Kazajstán, pero después del colapso de la Unión Soviética fueron comprados por completo por los estadounidenses; Queda la isla de Iturup, reclamada por los japoneses. Pero tenemos mucho rutenio y en nuevas aleaciones lo hemos reemplazado con éxito.
La singularidad de VIAM radica en el hecho de que somos capaces de desarrollar aleaciones, la tecnología para su producción y el método de fundición del producto terminado. En todas las palas se ha puesto una gran cantidad de trabajo y conocimiento de todos los empleados de VIAM.

Candidato de Ciencias Técnicas I. DEMONIS, Diputado director general VIAM

La producción de palas para motores de turbina de gas ocupa un lugar especial en la fabricación de motores de aviación, que está determinada por una serie de factores, los principales de los cuales son:

forma geométrica compleja de la pluma y el mango de las palas;

alta precisión de fabricación;

el uso de materiales caros y escasos para la fabricación de palas;

producción en masa de palas;

equipo proceso tecnológico producción de palas utilizando costosos equipos especializados;

Complejidad total de fabricación.

Las palas del compresor y de la turbina son las partes más comunes de los motores de turbina de gas. Su número en un kit de motor llega a 3000, y la intensidad de mano de obra de fabricación es del 25...35% de la intensidad de mano de obra total del motor.

La pluma de la hoja tiene una forma espacial compleja extendida.

La longitud de la parte de trabajo del bolígrafo oscila entre 30 y 500 mm con un perfil variable en secciones transversales a lo largo del eje. Estas secciones están estrictamente orientadas con respecto al plano de diseño de la base y al perfil de la pieza de bloqueo. EN secciones cruzadas Se especifican los valores calculados de los puntos que definen el perfil del dorso y el valle de la pala en el sistema de coordenadas. Los valores de estas coordenadas se especifican en forma de tabla. Las secciones transversales se giran entre sí y crean una torsión de la pluma de la hoja.

La precisión del perfil del perfil aerodinámico de la pala en el sistema de coordenadas está determinada por la desviación permitida de los valores nominales especificados de cada punto del perfil del perfil aerodinámico. En el ejemplo, esto es 0,5 mm; el error angular al girar la pluma no debe exceder los 20 '.

El espesor de la pluma tiene valores pequeños, en la entrada y salida del flujo de aire al compresor varía de 1,45 mm a 2,5 mm para diferentes secciones. En este caso, la tolerancia de espesor oscila entre 0,2 y 0,1 mm. También se imponen grandes exigencias a la configuración del radio de transición en la entrada y salida del perfil aerodinámico de la pala. El radio varía de 0,5 mm a 0,8 mm.

La rugosidad del perfil de la pala no debe ser inferior a 0,32 µm.

En la parte media de la pluma de la hoja hay estantes de soporte para vendajes de un diseño de perfil complejo. Estas bridas desempeñan el papel de superficies de diseño auxiliares de las palas, y en sus superficies de soporte se aplican recubrimientos de carburo de tungsteno y carburo de titanio. Los estantes de vendaje intermedios, conectados entre sí, crean un único anillo de soporte en la primera rueda del rotor del compresor.

En la parte inferior de la hoja hay una brida de bloqueo, que tiene una forma espacial compleja con parámetros de sección variables. Las bridas inferiores de las palas crean un circuito cerrado en la rueda del compresor y garantizan un suministro de aire suave al compresor. El espacio entre estos estantes cambia entre 0,1...0,2 mm. La parte superior de la pluma de la hoja tiene una superficie perfilada, cuya generatriz está ubicada exactamente con respecto al perfil de la cerradura y al borde de entrada de la hoja de la hoja. El espacio entre la parte superior de las palas y la carcasa de la rueda del estator del compresor depende de la precisión de este perfil.

El perfil de trabajo de la hoja de la hoja de las bridas de la cubierta y la cerradura se somete a métodos de procesamiento de endurecimiento para crear tensiones de compresión en las superficies de formación. También se imponen altas exigencias al estado de las superficies de las palas, en las que no se permiten grietas, quemaduras y otros defectos de fabricación.

El material de las cuchillas pertenece al segundo grupo de control, que prevé un control de calidad exhaustivo de cada cuchilla. También se prepara una muestra especial para un lote de palas, que se somete a análisis de laboratorio. Los requisitos de calidad de las palas de los compresores son muy altos.

Los métodos para obtener espacios en blanco iniciales para dichas piezas y el uso de métodos tradicionales y especiales para su posterior procesamiento determinan la calidad del resultado y los indicadores económicos de producción. Los espacios en blanco iniciales de las palas del compresor se obtienen mediante estampación. En este caso, se pueden obtener piezas de trabajo de mayor precisión, con pequeñas tolerancias para el mecanizado. A continuación consideramos el proceso tecnológico de fabricación de palas de compresor, cuya pieza inicial se obtiene mediante estampación en caliente con precisión estándar. Al crear una pieza de este tipo, se identificaron métodos que reducen la intensidad de la mano de obra en la fabricación y logran los indicadores de calidad enumerados de las palas del compresor.

Al desarrollar el proceso tecnológico se plantearon las siguientes tareas:

Creación de la pieza de trabajo inicial mediante estampado en caliente con un margen mínimo a lo largo de la hoja de la hoja.

Creación de ganancias tecnológicas para la orientación y fijación confiable de la pieza de trabajo en el sistema tecnológico.

Desarrollo de equipos tecnológicos y aplicación del método de orientación de la pieza inicial en el sistema tecnológico con respecto al perfil del perfil aerodinámico de la pala para distribuir (optimizar) el margen en las distintas etapas del mecanizado.

Uso de una máquina CNC para procesar contornos complejos en operaciones de fresado.

Utilizar métodos de acabado como esmerilado y pulido para garantizar la calidad de las superficies.

Creación de un sistema de control de calidad para la ejecución de operaciones en las principales etapas de producción.

Tecnología de ruta para la fabricación de palas. El estampado y todas las operaciones relacionadas se realizan utilizando tecnología de estampado en caliente de precisión normal. El procesamiento se realiza en prensas de manivela de acuerdo con los requisitos técnicos. Las pendientes de estampado son de 7...10°. Los radios de transición de las superficies de estampado se realizan dentro de los límites de R=4 mm. Tolerancias para dimensiones horizontales y verticales según IT-15. El desplazamiento permitido a lo largo de la línea de separación de las matrices no es más de 2 mm. La pluma de la pieza en bruto original se somete a laminación del perfil. Las marcas de rebabas a lo largo de todo el contorno de la pieza de trabajo no deben exceder 1 mm.

Las palas de los compresores son uno de los productos de motor más críticos y producidos en masa y, al tener una vida útil de varias horas a varias decenas de miles de horas, experimentan una amplia gama de impactos desde tensiones dinámicas y estáticas, flujo de gas a alta temperatura que contiene abrasivo partículas, así como productos oxidativos del medio ambiente y combustible de combustión. Cabe señalar que, dependiendo de la ubicación geográfica de funcionamiento y del modo de funcionamiento del motor, la temperatura a lo largo de su recorrido oscila entre -50...-40 C° a

700…800 C° en el compresor. Las aleaciones de titanio (VT22, VT3-1, VT6, VT8, VT33) y los aceros resistentes al calor (EN961 Ш, EP517Ш) se utilizan como materiales estructurales para las palas de los compresores de los motores de turbina de gas modernos y para las palas de las turbinas que funden aleaciones a base de níquel ( ZhS6U, ZhS32) .

La experiencia en la operación y reparación de motores para aviones militares muestra que garantizar el recurso asignado de 500 a 1500 horas depende en gran medida del nivel de daño al compresor y a las palas del rotor de la turbina. Además, en la mayoría de los casos se asocia con la aparición de mellas, grietas por fatiga y fatiga térmica, corrosión por picaduras y gases y desgaste erosivo.

La caída en el límite de resistencia para las palas de la etapa 4 basada en 20*10 6 ciclos es del 30% (de 480 MPa para las palas sin defectos a 340 MPa para las palas reparadas), la tensión máxima en las palas de la etapa 4 reparadas, aunque disminuye, aún supera significativamente la tensión en los bordes de las cuchillas sin mellas. Las mellas en las palas del rotor del compresor provocan una pérdida significativa de resistencia a la fatiga de las palas nuevas. Un número importante de hojas son rechazadas y perdidas irremediablemente, ya que presentan melladuras que superan el límite de tolerancia de reparación. Las estructuras de titanio con un peso relativamente bajo tienen una alta resistencia a la corrosión, buenas propiedades mecánicas y una apariencia hermosa.

El tema de las “turbinas” es tan complejo como vasto. Por tanto, por supuesto, no es necesario hablar de su divulgación completa. Tratemos, como siempre, del “conocimiento general” y de los “puntos de interés individuales”...

Además, la historia de la turbina de aviación es muy corta en comparación con la historia de la turbina en general. Esto significa que no podemos prescindir de algún tipo de excursión teórica e histórica, cuyo contenido en su mayor parte no se relaciona con la aviación, pero es la base de una historia sobre el uso de una turbina de gas en los motores de los aviones.

Sobre el zumbido y rugido...

Comencemos de manera poco convencional y recordemos "". Esta es una frase bastante común, generalmente utilizada por autores inexpertos en los medios cuando describen el funcionamiento de aviones potentes. Aquí puede agregar "rugido, silbido" y otras definiciones ruidosas para las mismas "turbinas de avión".

Palabras bastante familiares para muchos. Sin embargo, las personas que entienden saben muy bien que, de hecho, todos estos epítetos "sonoros" caracterizan con mayor frecuencia el funcionamiento de los motores a reacción en su conjunto o sus partes, que tienen muy poco que ver con las turbinas como tales (excepto, por supuesto, las influencia mutua durante su operación conjunta en el ciclo general del motor turborreactor).

Además, en un motor turborreactor (que son objeto de excelentes críticas), como motor de reacción directa que crea empuje mediante la reacción de un chorro de gas, la turbina es solo una parte y está relacionada de manera bastante indirecta con el "rugido retumbante". ”.

Y en aquellos motores donde él, como unidad, juega, de alguna manera, un papel dominante (son motores de reacción indirecta, y no en vano se les llama turbina de gas), el sonido ya no es tan impresionante o lo crean partes completamente diferentes del sistema propulsor del avión, por ejemplo, una hélice.

Es decir, ni tararear ni retumbar, como tal, para turbina de avión Realmente no se aplica. Sin embargo, a pesar de su ineficacia, se trata de una unidad compleja y muy importante de un motor turborreactor (GTE) moderno, que a menudo determina su función principal. características de presentación. Por definición, ningún motor de turbina de gas puede funcionar sin turbina.

Por lo tanto, la conversación, por supuesto, no trata sobre sonidos impresionantes y el uso incorrecto de las definiciones del idioma ruso, sino sobre una unidad interesante y su relación con la aviación, aunque esta está lejos de ser la única área de su aplicación. Cómo dispositivo técnico La turbina apareció mucho antes del concepto mismo de "avión" (o avión) y más aún del motor de turbina de gas.

Historia + un poco de teoría...

E incluso durante mucho tiempo. Desde la invención de mecanismos que convierten la energía de las fuerzas naturales en acciones útiles. Los más sencillos en este sentido y por tanto uno de los primeros en aparecer fueron los llamados motores rotativos.

Esta definición en sí, por supuesto, apareció sólo en nuestros días. Sin embargo, su significado determina precisamente la sencillez del motor. La energía natural se convierte directamente, sin ningún dispositivo intermedio, en potencia mecánica del movimiento de rotación del principal elemento de potencia de dicho motor: el eje.

Turbina– un representante típico de un motor rotativo. De cara al futuro, podemos decir que, por ejemplo, en un motor de pistón Combustión interna(ICE) el elemento principal es el pistón. Realiza un movimiento alternativo y, para obtener la rotación del eje de salida, es necesario tener un mecanismo de manivela adicional, lo que naturalmente complica y hace que el diseño sea más pesado. La turbina es mucho más rentable en este sentido.

Para un motor de combustión interna rotativo, como un motor térmico, que, por cierto, es un motor turborreactor, se suele utilizar el nombre "rotativo".

Rueda de turbina de molino de agua

Una de las aplicaciones más conocidas y antiguas de las turbinas son los grandes molinos mecánicos, utilizados por el hombre desde tiempos inmemoriales para diversas necesidades económicas (no sólo para moler cereales). Son tratados como agua, entonces viento mecanismos.

Durante un largo período de la historia antigua (las primeras menciones datan aproximadamente del siglo II a. C.) y la historia de la Edad Media, estos fueron prácticamente los únicos mecanismos utilizados por el hombre con fines prácticos. La posibilidad de su uso, a pesar de todo lo primitivo de las circunstancias técnicas, radicaba en la simplicidad de transformación de la energía del fluido de trabajo utilizado (agua, aire).

Un molino de viento es un ejemplo de rueda de turbina.

En estos motores esencialmente rotativos, la energía del flujo de agua o aire se convierte en potencia del eje y, en última instancia, en trabajo útil. Esto sucede cuando el flujo interactúa con las superficies de trabajo, que son palas de rueda de agua o alas molino . Ambos, de hecho, son prototipos de palas modernas. máquinas de cuchillas, que son las turbinas que se utilizan hoy en día (y los compresores, por cierto, también).

Se conoce otro tipo de turbina, documentada por primera vez (aparentemente inventada) por el científico, mecánico, matemático y naturalista griego antiguo Garza de Alejandría ( Garza ho Alejandro,1 Siglo I d.C.) en su tratado “Neumática”. El invento que describió se llamó eolipila , que traducido del griego significa “bola de Eolo” (dios del viento, Αἴολος – Aeolus (griego), pila- bola (lat.)).

Eólipile de Herón.

En él, la bola estaba equipada con dos tubos de boquilla dirigidos en direcciones opuestas. El vapor salió de las boquillas, entró en la bola a través de tuberías desde la caldera ubicada debajo y provocó que la bola girara. La acción se desprende claramente de la siguiente figura. Se trataba de la llamada turbina inversa, que giraba en dirección opuesta a la salida del vapor. turbinas Este tipo tiene un nombre especial: reactivo (más detalles a continuación).

Curiosamente, el propio Heron apenas imaginaba cuál era el fluido de trabajo de su máquina. En esa época, el vapor se identificaba con el aire, incluso el nombre lo atestigua, porque Eolo comanda el viento, es decir, el aire.

Aeolipile era, en general, un motor térmico completo que convertía la energía del combustible quemado en energía de rotación mecánica en el eje. Quizás fue uno de los primeros motores térmicos de la historia. Es cierto que su utilidad aún era “incompleta”, ya que el invento no realizó ningún trabajo útil.

La eolipila, entre otros mecanismos conocidos en aquella época, formaba parte del llamado “teatro de autómatas”, que fue muy popular en los siglos siguientes y que en realidad no era más que un juguete interesante con un futuro incierto.

Desde el momento de su creación y, en general, desde la época en que las personas en sus primeros mecanismos utilizaban sólo fuerzas de la naturaleza "que se manifestaban claramente" (la fuerza del viento o la fuerza de gravedad del agua que caía) hasta el comienzo de la confiada Han pasado más de cien años desde que se utilizó la energía térmica del combustible en motores térmicos de nueva creación.

Las primeras unidades de este tipo fueron las máquinas de vapor. Los verdaderos ejemplares funcionales no se inventaron y construyeron en Inglaterra hasta finales del siglo XVII y se utilizaron para bombear agua de las minas de carbón. Posteriormente aparecieron las máquinas de vapor con mecanismo de pistón.

Posteriormente, a medida que se desarrollaron los conocimientos técnicos, “entraron en escena” motores de combustión interna de pistón de diversos diseños, mecanismos más avanzados y con mayor eficiencia. Ya utilizaban gas (productos de la combustión) como fluido de trabajo y no requerían voluminosas calderas de vapor para calentarlo.

turbinas como componentes principales de los motores térmicos, también siguieron un camino similar en su desarrollo. Y aunque hay menciones separadas de algunos ejemplares en la historia, unidades dignas de mención y, además, documentadas, incluidas las patentadas, aparecieron recién en la segunda mitad del siglo XIX.

Todo empezó con una pareja...

Fue con el uso de este fluido de trabajo que se desarrollaron casi todos los principios básicos del diseño de una turbina (más tarde también una turbina de gas) como parte importante de un motor térmico.

Turbina a reacción patentada por Laval.

Los desarrollos del talentoso ingeniero e inventor sueco son bastante característicos a este respecto. Gustavo de Laval(Karl Gustavo Patricio de Laval). Su investigación en ese momento estaba relacionada con la idea de desarrollar un nuevo separador de leche con mayor velocidad de accionamiento, que podría aumentar significativamente la productividad.

Obtenga una mayor frecuencia de rotación (rpm) utilizando el entonces tradicional pistón (de hecho, el único existente) máquina de vapor Esto no fue posible debido a la alta inercia del elemento más importante: el pistón. Al darse cuenta de esto, Laval decidió intentar dejar de utilizar el pistón.

Dicen que la idea misma se le ocurrió mientras observaba la obra. máquinas de chorro de arena. En 1883 recibió su primera patente (patente inglesa nº 1622) en este campo. El dispositivo patentado se llamó " Turbina impulsada por vapor y agua.».

Era un tubo en forma de S, en cuyos extremos se hacían boquillas cónicas. El tubo estaba montado sobre un eje hueco a través del cual se suministraba vapor a las boquillas. Básicamente, todo esto no se diferenciaba del eolípila de Garza de Alejandría.

El dispositivo fabricado funcionó de manera bastante confiable a altas velocidades para la tecnología de esa época: 42.000 rpm. La velocidad de rotación alcanzó los 200 m/s. Pero con tal buenos parametros turbina tenía una eficiencia extremadamente baja. Y los intentos de aumentarlo con el nivel de tecnología existente no dieron resultado. ¿Por qué pasó esto?

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Un poco de teoría... Un poco más de detalle sobre las características....

La eficiencia mencionada (para las turbinas de aviones modernas, esta es la llamada eficiencia energética o efectiva) caracteriza la eficiencia de utilizar la energía gastada (disponible) para impulsar el eje de la turbina. Es decir, qué parte de esta energía se gastó útilmente en hacer girar el eje y qué parte " se fue por el desagüe».

Simplemente salió volando. Para el tipo de turbina descrita, denominada jet, esta expresión es la adecuada. Dicho dispositivo recibe un movimiento de rotación en el eje bajo la acción de la fuerza de reacción de la corriente de gas saliente (o en este caso par).

Una turbina, como máquina de expansión dinámica, a diferencia de las máquinas volumétricas (máquinas de pistones), requiere para su funcionamiento no solo la compresión y calentamiento del fluido de trabajo (gas, vapor), sino también su aceleración. En este caso se produce una expansión (aumento del volumen específico) y una caída de presión debido a la aceleración, especialmente en la boquilla. En un motor de pistón esto ocurre debido a un aumento en el volumen de la cámara del cilindro.

Como resultado, la gran energía potencial del fluido de trabajo, que se formó como resultado del suministro de energía térmica del combustible quemado, se convierte en energía cinética (menos varias pérdidas, por supuesto). Y cinético (en una turbina a reacción) a través de fuerzas de reacción - en Trabajo mecánico en el eje.

Y la eficiencia nos dice en qué medida la energía cinética se transforma en energía mecánica en una situación determinada. Cuanto más alto es, menos energía cinética tendrá el flujo que sale de la boquilla. ambiente. Esta energía restante se llama " pérdidas con la velocidad de salida", y es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo saliente (probablemente todos recuerden mС 2/2).

Principio de funcionamiento de una turbina a reacción.

Aquí estamos hablando acerca de sobre la llamada velocidad absoluta C. Después de todo, el flujo saliente, o más precisamente, cada una de sus partículas, participa en un movimiento complejo: rectilíneo más rotacional. Por tanto, la velocidad absoluta C (con respecto al sistema de coordenadas fijo) es igual a la suma de la velocidad de rotación de la turbina U y la velocidad relativa del flujo W (velocidad con respecto a la boquilla). La suma es, por supuesto, vectorial, como se muestra en la figura.

Rueda de seguridad.

Las pérdidas mínimas (y la máxima eficiencia) corresponden a velocidad mínima C, idealmente debería ser igual a cero. Y esto sólo es posible si W y U son iguales (como se puede ver en la figura). La velocidad periférica (U) en este caso se llama óptimo.

Esta igualdad sería fácil de lograr en turbinas hidráulicas (como ruedas segnier), ya que la velocidad de salida del líquido de las boquillas (similar a la velocidad W) es relativamente pequeña.

Pero esta misma velocidad W para gas o vapor es mucho mayor debido a la gran diferencia en las densidades del líquido y del gas. Entonces, a una presión relativamente baja de solo 5 atm. una turbina hidráulica puede producir una velocidad de escape de sólo 31 m/s, y una turbina de vapor, 455 m/s. Es decir, resulta que incluso a presiones bastante bajas (sólo 5 atm), la turbina de chorro de Laval debería, para garantizar una alta eficiencia, tener una velocidad periférica superior a 450 m/s.

Para el nivel de desarrollo tecnológico de entonces, esto era simplemente imposible. Era imposible hacer un diseño fiable con tales parámetros. Tampoco tenía sentido reducir la velocidad periférica óptima reduciendo la velocidad relativa (W), ya que esto sólo se puede hacer reduciendo la temperatura y la presión y, por tanto, la eficiencia general.

Turbina Laval activa...

La turbina a reacción de Laval no se prestaba a mayores mejoras. A pesar de los intentos realizados, las cosas han llegado a un callejón sin salida. Entonces el ingeniero tomó un camino diferente. En 1889 patentó otro tipo de turbina, que más tarde se denominó activa. En el extranjero (en inglés) ahora se llama turbina de impulso, es decir, pulsado.

El dispositivo reivindicado en la patente consistía en una o más boquillas fijas que suministraban vapor a palas en forma de cubo montadas en el borde de una rueda (o disco) de turbina móvil.

Turbina de vapor activa de una etapa patentada por Laval.

El proceso de trabajo en una turbina de este tipo es el siguiente. El vapor se acelera en las toberas con un aumento de energía cinética y una caída de presión y cae sobre las palas de trabajo, por su parte cóncava. Como resultado del impacto sobre las palas del impulsor, este comienza a girar. O también podemos decir que la rotación se produce por la acción impulsiva del chorro. De ahí el nombre en inglés. impulsoturbina.

Al mismo tiempo, en los canales interescapulares, que tienen una sección transversal casi constante, el flujo no cambia su velocidad (W) y presión, sino que cambia de dirección, es decir, gira en grandes ángulos (hasta 180°). . Es decir, a la salida de la boquilla y a la entrada del canal entre palas: velocidad absoluta C 1, relativa W 1, velocidad periférica U.

En la salida, respectivamente, C 2, W 2 y la misma U. En este caso, W 1 = W 2, C 2< С 1 – из-за того, что часть кинетической энергии входящего потока превращается в механическую на валу турбины (импульсное воздействие) и абсолютная скорость падает.

Este proceso se muestra en principio en una figura simplificada. Además, para simplificar la explicación del proceso, se supone aquí que los vectores de velocidades absolutas y periféricas son casi paralelos y que el flujo cambia de dirección en el impulsor 180°.

Flujo de vapor (gas) en la etapa de turbina activa.

Si consideramos las velocidades en valores absolutos, vemos que W 1 = C 1 – U, y C 2 = W 2 – U. Así, con base en lo anterior, para el modo óptimo, cuando la eficiencia toma valores máximos y las pérdidas de la velocidad de salida tiende al mínimo (es decir, C 2 = 0), tenemos C 1 = 2U o U = C 1 /2.

Encontramos que para una turbina activa velocidad periférica óptima la mitad de la velocidad de escape de la tobera, es decir, dicha turbina está cargada la mitad que una turbina de chorro y la tarea de obtener una mayor eficiencia es más fácil.

Por ello, en el futuro, Laval siguió desarrollando este tipo de turbinas. Sin embargo, a pesar de la reducción de la velocidad periférica requerida, ésta seguía siendo bastante grande, lo que implicaba cargas centrífugas y de vibración igualmente grandes.

Principio de funcionamiento de una turbina activa.

La consecuencia de esto fueron problemas estructurales y de resistencia, así como problemas de eliminación de desequilibrios, que a menudo se resolvían con gran dificultad. Además, hubo otros factores no resueltos e irresolubles en las condiciones de esa época, que finalmente redujeron la eficiencia de esta turbina.

Entre ellos figuraban, por ejemplo, la imperfección de la aerodinámica de las palas, lo que provocaba un aumento pérdidas hidráulicas, así como el efecto pulsante de los chorros de vapor individuales. De hecho, sólo unas pocas o incluso una pala podrían ser palas activas que perciban la acción de estos chorros (o chorros) a la vez. El resto se movía ociosamente, creando una resistencia adicional (en una atmósfera de vapor).

Este tiene turbinas No había forma de aumentar la potencia aumentando la temperatura y la presión del vapor, ya que esto conduciría a un aumento de la velocidad periférica, lo cual era absolutamente inaceptable debido a los mismos problemas de diseño.

Además, un aumento de potencia (con un aumento de la velocidad periférica) tampoco era apropiado por otra razón. Los consumidores de energía de las turbinas eran dispositivos de baja velocidad en comparación con ella (para esto se planearon generadores eléctricos). Por ello, Laval tuvo que desarrollar engranajes especiales para la conexión cinemática del eje de la turbina con el eje del consumidor.

La relación de las masas y dimensiones de la turbina Laval activa y su caja de cambios.

Debido a la gran diferencia en la velocidad de estos ejes, las cajas de engranajes eran extremadamente voluminosas y, a menudo, eran significativamente más grandes en tamaño y peso que la propia turbina. Un aumento de su potencia supondría un aumento aún mayor del tamaño de dichos dispositivos.

Eventualmente Turbina activa Laval Era una unidad de potencia relativamente baja (unidades de trabajo de hasta 350 CV), además, cara (debido a un gran conjunto de mejoras), y completa con una caja de cambios, también era bastante voluminosa. Todo esto lo hacía poco competitivo y excluía su aplicación masiva.

Un hecho interesante es que el principio de diseño de la turbina activa de Laval en realidad no fue inventado por él. Incluso 250 años antes de la aparición de su investigación, en 1629 se publicó en Roma un libro del ingeniero y arquitecto italiano Giovanni Branca titulado “Le Machine” (“Máquinas”).

Entre otros mecanismos, contenía una descripción de la "rueda de vapor", que contenía todos los componentes principales construidos por Laval: una caldera de vapor, un tubo de suministro de vapor (boquilla), un impulsor de turbina activo e incluso una caja de cambios. Por lo tanto, mucho antes que Laval, todos estos elementos ya se conocían, y su mérito fue que los hizo trabajar realmente juntos y se ocupó de cuestiones extremadamente complejas para mejorar el mecanismo en su conjunto.

Turbina activa de vapor de Giovanni Branca.

Curiosamente, una de las características más famosas de su turbina fue el diseño de la boquilla (se menciona por separado en la misma patente) que suministra vapor a las palas del rotor. Aquí la boquilla, de una cónica ordinaria, como en una turbina de chorro, se convirtió contracción-expansión. Posteriormente, este tipo de boquilla pasó a denominarse boquillas Laval. Permiten acelerar el flujo de gas (vapor) a una velocidad supersónica con pérdidas bastante bajas. A cerca de ellos .

Así, el principal problema al que se enfrentó Laval al desarrollar sus turbinas, y que nunca pudo superar, fue la alta velocidad periférica. Sin embargo, ya se ha propuesto una solución bastante eficaz a este problema e incluso, curiosamente, el propio Laval.

De varias etapas….

En el mismo año (1889), cuando se patentó la turbina activa descrita anteriormente, el ingeniero desarrolló una turbina activa con dos filas paralelas de palas de rotor montadas en un impulsor (disco). Fue el llamado turbina de dos etapas.

Se suministró vapor a las palas de trabajo, al igual que en las de una sola etapa, a través de una boquilla. Entre las dos filas de palas de trabajo se instaló una fila de palas fijas, que redirigían el flujo que salía de las palas de la primera etapa hacia las palas de trabajo de la segunda.

Si utilizamos el principio simplificado propuesto anteriormente para determinar la velocidad periférica de una turbina a reacción de una sola etapa (Laval), resulta que para una turbina de dos etapas la velocidad de rotación ya no es dos, sino cuatro veces menor que la velocidad de escape. desde la boquilla.

El principio de la rueda Curtis y sus parámetros cambiantes.

Esta es la solución más eficaz al problema de la baja velocidad periférica óptima, propuesta pero no utilizada por Laval y que se utiliza activamente en las turbinas modernas, tanto de vapor como de gas. De varias etapas…

Esto significa que la gran energía disponible de toda la turbina se puede dividir de alguna manera en partes según el número de etapas, y cada una de esas partes se activa en una etapa separada. Cuanto menor sea esta energía, menor será la velocidad del fluido de trabajo (vapor, gas) que ingresa a las palas de trabajo y, por lo tanto, menor será la velocidad periférica óptima.

Es decir, al cambiar el número de etapas de la turbina, es posible cambiar la velocidad de rotación de su eje y, en consecuencia, cambiar la carga sobre ella. Además, el funcionamiento multietapa permite operar la turbina con grandes diferencias de energía, es decir, aumentar su potencia manteniendo altos indicadores de eficiencia.

Laval no patentó su turbina de dos etapas, aunque se hizo un prototipo, por lo que lleva el nombre del ingeniero estadounidense Charles Curtis (rueda (o disco) de Curtis), quien en 1896 recibió una patente para un dispositivo similar.

Sin embargo, mucho antes, en 1884, el ingeniero inglés Charles Algernon Parsons desarrolló y patentó el primer modelo real. turbina de vapor multietapa. Antes que él, hubo muchas declaraciones de varios científicos e ingenieros sobre la utilidad de dividir la energía disponible en etapas, pero él fue el primero en traducir la idea al hardware.

Turbina Parsons de reacción activa multietapa (desmontada).

Al mismo tiempo, su turbina Tenía una característica que lo acercaba a los dispositivos modernos. En él, el vapor se expandía y aceleraba no sólo en toberas formadas por álabes fijos, sino también parcialmente en canales formados por álabes de trabajo especialmente perfilados.

Este tipo de turbina se suele denominar turbina de chorro, aunque el nombre es bastante arbitrario. De hecho, ocupa una posición intermedia entre la turbina Heron-Laval puramente reactiva y la turbina Laval-Branca puramente activa. Debido a su diseño, las cuchillas de trabajo combinan activos y principio reactivo pecado proceso general. Por lo tanto, sería más correcto llamar a dicha turbina activo-reactivo, lo cual se hace a menudo.

Diagrama de una turbina Parsons de múltiples etapas.

Parsons trabajó en varios tipos turbinas multietapa. Entre sus diseños se encontraban no solo los axiales descritos anteriormente (el fluido de trabajo se mueve a lo largo del eje de rotación), sino también los radiales (el vapor se mueve en dirección radial). Es bastante conocida su turbina puramente activa de tres etapas "Heron", en la que se utilizan las llamadas ruedas Heron (la esencia es la misma que la del eólipilo).

Turbina a reacción "Heron".

Posteriormente, desde principios del siglo XX, la construcción de turbinas de vapor rápidamente cobró impulso y Parsons estuvo a la vanguardia. Sus turbinas de múltiples etapas fueron equipadas con buques de guerra, primero experimentales (barco "Turbinia", 1896, desplazamiento 44 toneladas, velocidad 60 km/h - sin precedentes para esa época), luego militares (por ejemplo, el acorazado "Dreadnought", 18000 toneladas, velocidad 40 km/h, potencia de turbina 24.700 CV) y pasajeros (por ejemplo, el mismo tipo "Mauritania" y "Lusitania", 40.000 toneladas, velocidad 48 km/h, potencia turbo 70.000 CV). Al mismo tiempo se inició la construcción de turbinas estacionarias, por ejemplo, instalándolas como propulsores en centrales eléctricas (Edison Company en Chicago).

Sobre las turbinas de gas...

Sin embargo, volvamos a nuestro tema principal: la aviación y observemos una cosa bastante obvia: un éxito tan visible en el funcionamiento de las turbinas de vapor sólo podía tener un significado estructural y fundamental para la aviación, cuyo desarrollo avanzaba rápidamente exactamente al mismo tiempo.

El uso de una turbina de vapor como central eléctrica en aviones era, por razones obvias, extremadamente cuestionable. turbina de aviación Sólo podría ser una turbina de gas fundamentalmente similar, pero mucho más rentable. Sin embargo, no todo fue tan sencillo...

Según Lev Gumilyovsky, autor del popular libro "Engine Creators" en los años 60, un día de 1902, durante el comienzo del rápido desarrollo de la construcción de turbinas de vapor, Charles Parsons, de hecho uno de los principales ideólogos de este negocio en ese momento, le hacían, por lo general, una pregunta jocosa: “ ¿Es posible “parsonizar” un motor de gasolina?"(lo que implica una turbina).

La respuesta fue expresada de forma absolutamente decisiva: “ Creo que nunca se creará una turbina de gas. No hay dos maneras de hacerlo". El ingeniero no logró convertirse en profeta, pero sin duda tenía motivos para decirlo.

El uso de una turbina de gas, sobre todo si tenemos en cuenta su uso en la aviación en lugar de una turbina de vapor, era, por supuesto, tentador porque lados positivos los de ella son obvios. Con todas sus capacidades energéticas, no requiere dispositivos enormes y voluminosos para generar vapor (calderas) ni dispositivos y sistemas igualmente grandes para su enfriamiento (condensadores, torres de enfriamiento, estanques de enfriamiento, etc.).

El calentador de un motor de turbina de gas es pequeño y compacto, está ubicado dentro del motor y quema combustible directamente en el flujo de aire. Y simplemente no tiene refrigerador. O mejor dicho, existe, pero existe como si fuera virtual, porque los gases de escape se vierten a la atmósfera, que es el frigorífico. Es decir, todo lo necesario para un motor térmico está disponible, pero al mismo tiempo todo es compacto y sencillo.

Es cierto que una planta de turbina de vapor también puede prescindir de un "refrigerador real" (sin condensador) y liberar vapor directamente a la atmósfera, pero luego puede olvidarse de la eficiencia. Un ejemplo de esto es una locomotora de vapor: la eficiencia real es de aproximadamente el 6%, el 90% de su energía sale por la chimenea.

Pero junto con ventajas tan tangibles, también hay desventajas significativas que, en general, se convirtieron en la base de la respuesta categórica de Parsons.

Compresión del fluido de trabajo para la posterior ejecución del ciclo de trabajo, incl. y en la turbina...

En el ciclo de funcionamiento de una planta de turbina de vapor (ciclo Rankine), el trabajo de compresión del agua es pequeño y, por tanto, los requisitos para que la bomba realice esta función y su eficiencia también son pequeños. En el ciclo de un motor de turbina de gas, donde se comprime el aire, este trabajo, por el contrario, es muy impresionante y la mayor parte de la energía disponible de la turbina se gasta en él.

Esto reduce la proporción de trabajo útil para el que se puede diseñar la turbina. Por lo tanto, los requisitos para una unidad de compresión de aire en términos de eficiencia y economía son muy altos. Los compresores en los motores de turbina de gas de la aviación moderna (principalmente axiales), así como en las unidades estacionarias, junto con las turbinas, son dispositivos complejos y costosos. A cerca de ellos .

Temperatura…

Este es el principal problema de las turbinas de gas, incluidas las de aviación. El hecho es que si en una instalación de turbina de vapor la temperatura del fluido de trabajo después del proceso de expansión es cercana a la temperatura del agua de refrigeración, en una turbina de gas alcanza varios cientos de grados.

Esto significa que se libera una gran cantidad de energía a la atmósfera (como en un refrigerador), lo que, por supuesto, afecta negativamente la eficiencia de todo el ciclo operativo, que se caracteriza por la eficiencia térmica: η t = Q 1 – Q 2 / Pregunta 1 . Aquí Q 2 es la misma energía liberada a la atmósfera. Q 1 – energía suministrada al proceso desde el calentador (en la cámara de combustión).

Para aumentar esta eficiencia es necesario aumentar Q 1, lo que equivale a aumentar la temperatura delante de la turbina (es decir, en la cámara de combustión). Pero el quid de la cuestión es que no siempre es posible elevar esta temperatura. Su valor máximo está limitado por la propia turbina y la condición principal aquí es la resistencia. La turbina funciona en condiciones muy difíciles, cuando se combinan altas temperaturas con altas cargas centrífugas.

Es este factor el que siempre ha limitado la potencia y la capacidad de empuje de los motores de turbina de gas (que dependen en gran medida de la temperatura) y, a menudo, se ha convertido en la razón de la complejidad y el aumento del coste de las turbinas. Esta situación ha continuado en nuestro tiempo.

Y en la época de Parsons, ni la industria metalúrgica ni la ciencia aerodinámica podían todavía proporcionar una solución a los problemas de crear un compresor y una turbina de alta temperatura eficientes y económicos. No existía una teoría adecuada ni los materiales resistentes al calor y resistentes al calor necesarios.

Y sin embargo hubo intentos...

Sin embargo, como suele ocurrir, hubo personas que no temieron (o tal vez no entendieron :-)) las posibles dificultades. Los intentos de crear una turbina de gas no cesaron.

Además, es interesante que el propio Parsons, en los albores de su actividad de "turbinas", en su primera patente para una turbina de múltiples etapas, señaló la posibilidad de su funcionamiento, además del vapor, también con productos de combustión de combustible. Allí también se consideró una posible versión de un motor de turbina de gas que funciona con combustible líquido con compresor, cámara de combustión y turbina.

Escupir humo.

Se conocen desde hace mucho tiempo ejemplos del uso de turbinas de gas sin ninguna teoría detrás. Al parecer, incluso Heron utilizó el principio de una turbina de chorro de aire en el "teatro de los autómatas". Son bastante conocidas las llamadas “brochetas de humo”.

Y en el libro ya mencionado del italiano (ingeniero, arquitecto, Giovanni Branca, Le Machine) Giovanni Branca hay un dibujo “ rueda de fuego" En él, gira una rueda de turbina con productos de combustión de un fuego (o hogar). Curiosamente, el propio Branca no construyó la mayoría de sus coches, sino que solo expresó ideas para su creación.

"Rueda de Fuego" de Giovanni Branca.

En todas estas “ruedas de humo y fuego” no había etapa de compresión de aire (gas), ni compresor como tal. La conversión de energía potencial, es decir, la energía térmica suministrada por la combustión del combustible, en energía cinética (aceleración) para la rotación de la turbina de gas se produjo sólo debido a la acción de la gravedad cuando las masas calientes se elevaron hacia arriba. Es decir, se utilizó el fenómeno de la convección.

Por supuesto, estas "unidades" son para máquinas reales, por ejemplo, para conducir Vehículo no se pudo utilizar. Sin embargo, en 1791, el inglés John Barber patentó una “máquina de transporte sin caballos”, uno de cuyos componentes más importantes era una turbina de gas. Esta fue la primera patente registrada oficialmente para una turbina de gas.

Motor John Barber con turbina de gas.

La máquina utilizaba gas obtenido de madera, carbón o petróleo, calentado en generadores de gas especiales (autoclaves) que, después de enfriarse, ingresaba a un compresor de pistón, donde se comprimía junto con el aire. A continuación, la mezcla se introdujo en la cámara de combustión y luego los productos de la combustión se hicieron rotar. turbina. Se utilizó agua para enfriar las cámaras de combustión y el vapor resultante también se envió a la turbina.

El nivel de desarrollo de la tecnología en ese momento no permitió que la idea se hiciera realidad. El modelo actual de máquina Barber con turbina de gas no fue construido hasta 1972 por Kraftwerk-Union AG para la Feria Industrial de Hannover.

A lo largo del siglo XIX, el desarrollo del concepto de turbina de gas avanzó extremadamente lento por las razones descritas anteriormente. Hubo pocos ejemplos dignos de atención. El compresor y la alta temperatura siguieron siendo un obstáculo insuperable. Ha habido intentos de utilizar un ventilador para comprimir aire, así como el uso de agua y aire para enfriar elementos estructurales.

Motor F. Stolze. 1 - compresor axial, 2 - turbina axial, 3 - intercambiador de calor.

Existe un ejemplo muy conocido de motor de turbina de gas del ingeniero alemán Franz Stolze, patentado en 1872 y muy similar en diseño a los motores de turbina de gas modernos. En él, se ubicaron en el mismo eje un compresor axial de múltiples etapas y una turbina axial de múltiples etapas.

El aire después de pasar por el intercambiador de calor regenerativo se dividió en dos partes. Uno entró en la cámara de combustión, el segundo se mezcló con los productos de la combustión antes de entrar en la turbina, reduciendo su temperatura. Este es el llamado aire secundario, y su uso es una técnica muy utilizada en los modernos motores de turbina de gas.

El motor Stolze fue probado en 1900-1904, pero resultó ser extremadamente ineficaz debido a la mala calidad del compresor y la baja temperatura delante de la turbina.

Durante la mayor parte de la primera mitad del siglo XX, la turbina de gas nunca pudo competir activamente con la turbina de vapor ni convertirse en parte del motor de turbina de gas, que podría reemplazar adecuadamente al motor de combustión interna de pistón. Su uso en motores era principalmente auxiliar. Por ejemplo, como unidades de carga en motores de pistón, incluidos los de aviación.

Pero desde principios de los años 40 la situación empezó a cambiar rápidamente. Finalmente, se crearon nuevas aleaciones resistentes al calor, que permitieron aumentar radicalmente la temperatura del gas frente a la turbina (hasta 800˚C y más), y aparecieron otras bastante económicas y de alta eficiencia.

Esto no sólo permitió construir motores de turbina de gas eficientes, sino también, gracias a la combinación de su potencia con relativa ligereza y compacidad, su uso en aviones. Comenzó la era de la aviación a reacción y de los motores de turbina de gas para aviones.

Turbinas en motores de turbina de gas de aviación...

Entonces... El principal campo de aplicación de las turbinas en la aviación son los motores de turbina de gas. La turbina aquí hace el trabajo duro: hace girar el compresor. Además, en un motor de turbina de gas, como en cualquier motor térmico, el trabajo de expansión es mayor que el trabajo de compresión.

Y la turbina es precisamente una máquina de expansión, y gasta sólo una parte de la energía disponible del flujo de gas en el compresor. La parte restante (a veces llamada energía gratis) se puede utilizar para fines útiles dependiendo del tipo y diseño del motor.

Esquema de TVAD Makila 1a1 con turbina libre.

Motor turboeje AMAKILA 1A1.

En el caso de los motores de reacción indirecta, como por ejemplo (motores de turbina de gas para helicópteros), se gasta en hacer girar la hélice. En este caso, la turbina suele dividirse en dos partes. El primero es turbina del compresor. El segundo, accionar el tornillo, es el llamado turbina libre. Gira de forma independiente y está conectado a la turbina del compresor únicamente de forma dinámica de gas.

En los motores de reacción directa (motores a reacción o motores a reacción), la turbina se utiliza únicamente para accionar el compresor. La energía libre restante, que hace girar la turbina libre en el TVAD, se activa en la boquilla y se convierte en energía cinética para producir el empuje del chorro.

En el medio entre estos extremos se encuentran. En ellos, parte de la energía libre se gasta en impulsar la hélice y otra parte forma el empuje del chorro en el dispositivo de salida (boquilla). Es cierto que su participación en el empuje total del motor es pequeña.

Diagrama de un motor turbohélice de un solo eje DART RDa6. Turbina en un eje de motor común.

Motor monoeje turbohélice Rolls-Royce DART RDa6.

Por diseño, los motores turbohélice pueden ser de un solo eje, en los que la turbina libre no está separada estructuralmente y, al ser una sola unidad, acciona al mismo tiempo tanto el compresor como la hélice. Un ejemplo de teatro Rolls-Royce DART RDa6, así como nuestro famoso teatro AI-20.

También puede existir un motor turbohélice con una turbina libre independiente que acciona la hélice y no está conectada mecánicamente al resto de componentes del motor (acoplamiento gas-dinámico). Un ejemplo es el motor PW127 de varias modificaciones (aviones) o el motor turbohélice Pratt & Whitney Canada PT6A.

Esquema del Pratt & Whitney Canada PT6A con turbina libre.

Motor Pratt & Whitney Canadá PT6A.

Esquema de un motor turbohélice PW127 con turbina libre.

Por supuesto, en todos los tipos de motores de turbina de gas, la carga útil también incluye unidades que aseguran el funcionamiento del motor y de los sistemas de la aeronave. Suelen ser bombas, generadores hidráulicos y de combustible, generadores eléctricos, etc. Todos estos dispositivos suelen accionarse desde el eje del turbocompresor.

Sobre tipos de turbinas.

En realidad, existen bastantes tipos. Por ejemplo, algunos nombres: axial, radial, diagonal, radial-axial, de pala giratoria, etc. En aviación sólo se utilizan los dos primeros, y el radial es bastante raro. Ambas turbinas recibieron nombres de acuerdo con la naturaleza del flujo de gas en ellas.

Radial.

En radial fluye a lo largo de un radio. Además, en el radial turbina de avión Se utiliza una dirección de flujo centrípeta, que proporciona una mayor eficiencia (en la práctica no aeronáutica también existe una dirección centrífuga).

La etapa de turbina radial consta de un impulsor y álabes fijos que forman el flujo en su entrada. Las palas están perfiladas de manera que los canales entre palas tengan una configuración ahusada, es decir, son boquillas. Todas estas palas, junto con los elementos de la carrocería sobre los que van montadas, se denominan aparato de boquilla.

Diagrama de una turbina centrípeta radial (con explicaciones).

El impulsor es un impulsor con álabes de perfil especial. El impulsor gira cuando el gas pasa a través de los canales cada vez más estrechos entre las palas y actúa sobre las palas.

Impulsor de una turbina centrípeta radial.

turbinas radiales Son bastante sencillos, sus impulsores tienen un número reducido de palas. Las posibles velocidades circunferenciales de una turbina radial a las mismas tensiones en el impulsor son mayores que las de una turbina axial, por lo que puede generar mayores cantidades de energía (diferencias de calor).

Sin embargo, estas turbinas tienen un área de flujo pequeña y no proporcionan suficiente flujo de gas con las mismas dimensiones en comparación con las turbinas axiales. En otras palabras, tienen unas dimensiones diametrales relativas demasiado grandes, lo que complica su disposición en un único motor.

Además, es difícil crear turbinas radiales de múltiples etapas debido a las grandes pérdidas hidráulicas, lo que limita el grado de expansión del gas en ellas. También resulta difícil enfriar dichas turbinas, lo que reduce las posibles temperaturas máximas de los gases.

Por tanto, el uso de turbinas radiales en la aviación es limitado. Se utilizan principalmente en unidades de baja potencia con bajo consumo de gas, con mayor frecuencia en mecanismos y sistemas auxiliares o en motores de aeromodelos y pequeños aviones no tripulados.

El primer avión a reacción Heinkel He 178.

Motor turborreactor Heinkel HeS3 con turbina radial.

Uno de los pocos ejemplos del uso de una turbina radial como componente del motor a reacción de un avión de propulsión es el motor del primer avión a reacción real, el turborreactor Heinkel He 178 Heinkel HeS 3. La foto muestra claramente los elementos escénicos de dicha turbina. Los parámetros de este motor coincidían plenamente con la posibilidad de su uso.

Axial turbina de avión.

Este es el único tipo de turbina que se utiliza actualmente en los motores de turbina de gas de los aviones en pleno vuelo. La principal fuente de trabajo mecánico en el eje obtenido de dicha turbina en el motor son los impulsores, o más precisamente, las palas del impulsor (RL), instaladas en estos impulsores e interactuando con el flujo de gas cargado energéticamente (comprimido y calentado).

Las coronas de las palas estacionarias instaladas frente a los trabajadores organizan la dirección correcta del flujo y participan en la conversión de la energía potencial del gas en energía cinética, es decir, lo aceleran en el proceso de expansión con una caída de presión.

Estas palas, completas con los elementos de carcasa en los que están montadas, se denominan aparato de boquilla(SA). El aparato de boquilla completo con cuchillas de trabajo es etapa de turbina.

La esencia del proceso... Generalización de lo dicho...

En el proceso de interacción mencionada anteriormente con las palas de trabajo, la energía cinética del flujo se convierte en energía mecánica, que hace girar el eje del motor. Esta transformación en una turbina axial puede ocurrir de dos maneras:

Un ejemplo de turbina activa de una sola etapa. Se muestra el cambio de parámetros a lo largo del camino.

1. Sin cambiar la presión y, por lo tanto, la magnitud de la velocidad relativa del flujo (solo cambia notablemente su dirección: la rotación del flujo) en la etapa de la turbina; 2. Con una caída de presión, un aumento en la velocidad relativa del flujo y algún cambio en su dirección en la etapa.

Las turbinas que funcionan con el primer método se denominan activas. El flujo de gas afecta activamente (pulsos) a las palas debido a un cambio en su dirección a medida que fluye alrededor de ellas. Con el segundo método - turbinas de chorro. En este caso, además del efecto de impulso, el flujo también afecta indirectamente (en pocas palabras) a las palas del rotor, utilizando la fuerza reactiva, lo que aumenta la potencia de la turbina. Una acción reactiva adicional se logra mediante un perfilado especial de las palas del rotor.

Los conceptos de actividad y reactividad en general, para todas las turbinas (no sólo las de aviación) fueron mencionados anteriormente. Sin embargo, los motores de turbina de gas de aviación modernos utilizan únicamente turbinas de chorro axial.

Cambio de parámetros en la etapa de una turbina de gas axial.

Dado que el efecto de la fuerza sobre el radar es doble, estas turbinas axiales también se denominan activo-reactivo, lo cual quizás sea más correcto. Este tipo de turbina es más ventajosa aerodinámicamente.

Las palas fijas del aparato de boquilla incluido en la etapa de dicha turbina tienen una gran curvatura, por lo que la sección transversal del canal entre palas disminuye de la entrada a la salida, es decir, la sección transversal f 1 es menor que la sección transversal f 0 . El resultado es un perfil de tobera de chorro cónico.

Las palas de trabajo que las siguen también tienen una mayor curvatura. Además, con respecto al flujo entrante (vector W 1), están ubicados de manera que eviten su rotura y aseguren un flujo correcto alrededor de la pala. En ciertos radios, el RL también forma canales interescapulares ahusados.

Trabajo escénico turbina de aviación.

El gas se acerca al aparato de boquilla con una dirección de movimiento cercana al axial y una velocidad C 0 (subsónica). Presión en el flujo P 0, temperatura T 0. Al pasar el canal interescapular, el flujo se acelera hasta la velocidad C 1 con un giro hasta el ángulo α 1 = 20°-30°. En este caso, la presión y la temperatura descienden a los valores P 1 y T 1, respectivamente. Parte de la energía potencial del flujo se convierte en energía cinética.

Imagen del movimiento del flujo de gas en la etapa de turbina axial.

Dado que las palas de trabajo se mueven con una velocidad periférica U, el flujo ingresa al canal entre palas del RL con una velocidad relativa W 1, que está determinada por la diferencia entre C 1 y U (vectorialmente). Al pasar a través del canal, el flujo interactúa con las palas, creando sobre ellas fuerzas aerodinámicas P, cuyo componente circunferencial P u hace girar la turbina.

Debido al estrechamiento del canal entre las palas, el flujo se acelera hasta la velocidad W 2 (principio reactivo), al mismo tiempo que gira (principio activo). La velocidad absoluta del flujo C 1 disminuye a C 2: la energía cinética del flujo se convierte en energía mecánica en el eje de la turbina. La presión y la temperatura caen a los valores P 2 y T 2, respectivamente.

La velocidad absoluta del flujo a medida que pasa a través de la etapa aumenta ligeramente desde C 0 hasta la proyección axial de la velocidad C 2 . En las turbinas modernas esta proyección tiene un valor de 200 - 360 m/s por etapa.

El escalón está perfilado de modo que el ángulo α 2 sea cercano a 90°. La diferencia suele ser de 5 a 10°. Esto se hace para garantizar que el valor de C 2 sea mínimo. Esto es especialmente importante para la última etapa de la turbina (en la primera o en la etapa intermedia se permite una desviación del ángulo recto de hasta 25°). La razón de esto es pérdida con la velocidad de salida, que sólo dependen de la magnitud de la velocidad C 2.

Se trata de las mismas pérdidas que en un momento dado no permitieron a Laval aumentar la eficiencia de su primera turbina. Si el motor es a reacción, la energía restante se puede utilizar en la boquilla. Pero, por ejemplo, para un motor de helicóptero que no utiliza propulsión a reacción, es importante que la velocidad del flujo detrás de la última etapa de la turbina sea lo más baja posible.

Así, en la etapa de turbina activo-reactivo, la expansión del gas (disminución de presión y temperatura), la conversión y activación de energía (diferencia de calor) ocurre no solo en el SA, sino también en el impulsor. La distribución de estas funciones entre el RC y el SA se caracteriza por un parámetro de la teoría del motor llamado grado de reactividad ρ.

Es igual a la relación entre la caída de calor en el impulsor y la caída de calor en toda la etapa. Si ρ = ​​0, entonces la etapa (o toda la turbina) está activa. Si ρ > 0, entonces la etapa es reactiva o, más precisamente, para nuestro caso, activa-reactiva. Dado que el perfilado de las palas de trabajo varía a lo largo del radio, este parámetro (así como algunos otros) se calcula en función del radio promedio ( sección B-B en la figura de cambio de parámetros en una etapa).

Configuración del álabe de trabajo de una turbina de reacción activa.

Cambio de presión a lo largo de la pala del radar de una turbina activo-reactivo.

Para los motores de turbina de gas modernos, el grado de reactividad de las turbinas está en el rango de 0,3 a 0,4. Esto significa que sólo el 30-40% de la caída total de calor de la etapa (o turbina) se acciona en el impulsor. El 60-70% se activa en el aparato de boquilla.

Algo sobre pérdidas.

Como ya se mencionó, cualquier turbina (o su etapa) convierte la energía del flujo que se le suministra en trabajo mecánico. Sin embargo, en una unidad real este proceso puede tener diferentes eficiencias. Parte de la energía disponible se desperdicia necesariamente, es decir, se convierte en pérdidas, que hay que tener en cuenta y tomar medidas para minimizarlas para aumentar la eficiencia de la turbina, es decir, aumentar su eficiencia.

Las pérdidas consisten en hidráulicas y pérdida con la velocidad de salida. Las pérdidas hidráulicas incluyen pérdidas de perfil y de extremo. El perfil es, de hecho, pérdidas por fricción, ya que el gas, al tener cierta viscosidad, interactúa con las superficies de la turbina.

Normalmente, estas pérdidas en el impulsor son de aproximadamente el 2-3% y en el aparato de boquilla, del 3-4%. Las medidas para reducir las pérdidas consisten en “mejorar” la parte del flujo mediante cálculos y experimentos, así como en el cálculo correcto de los triángulos de velocidad del flujo en la etapa de la turbina, o más precisamente, en elegir la velocidad periférica U más ventajosa para una velocidad dada C 1 . Estas acciones suelen caracterizarse por el parámetro U/C 1. La velocidad periférica en el radio medio de un turborreactor es de 270 – 370 m/s.

La perfección hidráulica de la trayectoria del flujo de una etapa de turbina tiene en cuenta un parámetro como eficiencia adiabática. A veces también se le llama pala, porque tiene en cuenta las pérdidas por fricción en las palas del escenario (SA y RL). Existe otro factor de eficiencia para una turbina, que la caracteriza específicamente como unidad de generación de energía, es decir, el grado en que la energía disponible se utiliza para crear trabajo en el eje.

Este es el llamado eficiencia energética (o efectiva). Es igual a la relación entre el trabajo sobre el eje y la caída de calor disponible. Esta eficiencia tiene en cuenta las pérdidas con la velocidad de salida. En el caso de los turborreactores, normalmente ascienden a aproximadamente el 10-12% (en los turborreactores modernos C 0 = 100-180 m/s, C 1 = 500-600 m/s, C 2 = 200-360 m/s).

Para los motores de turbina de gas modernos, el valor de eficiencia adiabática es de aproximadamente 0,9 - 0,92 para turbinas no refrigeradas. Si la turbina se enfría, esta eficiencia puede reducirse entre un 3 y un 4%. La eficiencia energética suele ser de 0,78 a 0,83. Es menos que adiabático por la cantidad de pérdidas con la velocidad de salida.

En cuanto a las pérdidas finales, se trata de las denominadas “ pérdidas de flujo" La parte de flujo no se puede aislar completamente del resto del motor debido a la presencia de componentes giratorios en combinación con los estacionarios (carcasas + rotor). Por lo tanto, el gas de áreas de alta presión tiende a fluir hacia áreas de baja presión. En particular, por ejemplo desde la zona delante de la pala de trabajo hasta la zona detrás de ella a través del intersticio radial entre el perfil aerodinámico de la pala y la carcasa de la turbina.

Dicho gas no participa en el proceso de conversión de la energía del flujo en energía mecánica, porque no interactúa con las palas en este sentido, es decir, se producen pérdidas finales (o pérdidas de juego radial). Representan alrededor del 2-3% y afectan negativamente tanto a la eficiencia adiabática como a la energética, reducen la eficiencia de los motores de turbina de gas y de manera bastante notable.

Se sabe, por ejemplo, que un aumento del juego radial de 1 mm a 5 mm en una turbina con un diámetro de 1 m puede provocar un aumento consumo específico combustible en el motor en más del 10%.

Está claro que es imposible deshacerse por completo del juego radial, pero están intentando minimizarlo. Es bastante difícil porque turbina de avión– el aparato está muy cargado. Es bastante difícil contabilizar con precisión todos los factores que influyen en el tamaño de la brecha.

Los modos de funcionamiento del motor cambian a menudo, lo que significa que la cantidad de deformación de las palas de trabajo, los discos en los que están montados y las carcasas de la turbina cambia como resultado de cambios en la temperatura, la presión y las fuerzas centrífugas.

Sello laberíntico.

Aquí es necesario tener en cuenta la cantidad de deformación residual durante el funcionamiento prolongado del motor. Además, las evoluciones que realiza el avión afectan a la deformación del rotor, lo que también cambia el tamaño de los huecos.

Por lo general, la separación se evalúa después de detener el motor caliente. En este caso, la delgada carcasa exterior se enfría más rápido que los enormes discos y el eje y, al disminuir de diámetro, toca las palas. A veces, el valor del juego radial simplemente se selecciona entre el 1,5 y el 3% de la longitud de la hoja de la hoja.

El principio de compactación alveolar.

Para evitar daños a las palas si tocan el cuerpo de la turbina, a menudo se colocan en él inserciones especiales hechas de un material más blando que el material de las palas (por ejemplo, cerámica metálica). Además, se utilizan sellos sin contacto. Generalmente son laberínticos o Sellos laberínticos alveolares.

En este caso, las hojas de trabajo se atan en los extremos de la pluma y ya se colocan sellos o cuñas (para panales) en los estantes del vendaje. En las juntas alveolares, debido a las delgadas paredes del panal, el área de contacto es muy pequeña (10 veces más pequeña que un laberinto convencional), por lo que la unidad se ensambla sin espacios. Después del rodaje, la distancia es de aproximadamente 0,2 mm.

Aplicación de sellado alveolar. Comparación de pérdidas al utilizar panal (1) y anillo liso (2).

Se utilizan métodos similares para sellar espacios para reducir las fugas de gas desde la parte de flujo (por ejemplo, hacia el espacio entre discos).

FUENTE…

Estos son los llamados métodos pasivos control del juego radial. Además, muchos motores de turbina de gas desarrollados (y en desarrollo) desde finales de los años 80 están equipados con los llamados " sistemas activos de control del juego radial"(SAURZ - método activo). Se trata de sistemas automáticos y la esencia de su trabajo es controlar la inercia térmica de la carcasa (estator) de una turbina de avión.

El rotor y el estator (carcasa exterior) de la turbina se diferencian entre sí en material y "masividad". Por lo tanto, durante condiciones transitorias se expanden de manera diferente. Por ejemplo, cuando un motor cambia de un modo de funcionamiento reducido a uno aumentado, una carcasa de paredes delgadas y alta temperatura se calienta más rápido (que un rotor masivo con discos) y se expande, aumentando el espacio radial entre ella y las palas. Además de esto los cambios de presión en el conducto y la evolución de la aeronave.

Para evitar esto, sistema automático(generalmente el regulador principal del tipo FADEC) organiza el suministro de aire de refrigeración a la carcasa de la turbina en las cantidades requeridas. De este modo se estabiliza el calentamiento de la carcasa dentro de los límites requeridos, lo que significa que cambia la magnitud de su expansión lineal y, en consecuencia, la magnitud de los juegos radiales.

Todo esto le permite ahorrar combustible, lo cual es muy importante para la aviación civil moderna. Los sistemas SAURZ se utilizan con mayor eficacia en turbinas de baja presión en motores turborreactores del tipo GE90, Trent 900 y algunos otros.

Con mucha menos frecuencia, pero con bastante eficacia, para sincronizar las velocidades de calentamiento del rotor y el estator, se utiliza el flujo de aire forzado de los discos de la turbina (no de la carcasa). Estos sistemas se utilizan en motores CF6-80 y PW4000.

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También se regulan los juegos axiales en la turbina. Por ejemplo, entre los bordes de salida del SA y los RL de entrada, generalmente hay un espacio entre 0,1 y 0,4 desde la cuerda del RL en el radio promedio de las palas. Cuanto menor sea esta brecha, mayor menos perdida fluye energía detrás del SA (para fricción y alineación del campo de velocidad detrás del SA). Pero al mismo tiempo, la vibración del radar aumenta debido al impacto alternativo del SA desde las zonas detrás de los cuerpos de las palas hasta las zonas interescapulares.

Un poco general sobre el diseño...

Axial turbinas de aviación Los motores de turbina de gas modernos pueden tener un diseño diferente. forma de la parte de flujo.

Dav = (Din + Dn) /2

1. Forma con diámetro de cuerpo constante (Dн). Aquí los diámetros interno y medio a lo largo del tracto disminuyen.

Diámetro exterior constante.

Este diseño se adapta bien a las dimensiones del motor (y al fuselaje del avión). Tiene una buena distribución del trabajo entre etapas, especialmente para motores turborreactores de doble eje.

Sin embargo, en este esquema el llamado ángulo de campana es grande, lo que conlleva la separación del flujo de las paredes internas de la carcasa y, en consecuencia, pérdidas hidráulicas.

Diámetro interior constante.

Al diseñar, trate de no permitir que el ángulo del casquillo exceda los 20°.

2. Molde con diámetro interior constante (Dв).

El diámetro medio y el diámetro corporal aumentan a lo largo del tracto. Este esquema no encaja bien con las dimensiones del motor. En un motor turborreactor, debido a la “divergencia” del flujo desde la carcasa interna, es necesario girarlo más hacia el SA, lo que conlleva pérdidas hidráulicas.

Diámetro medio constante.

El esquema es más adecuado para su uso en motores turbofan.

3. Forma con diámetro medio constante (Davg). El diámetro del cuerpo aumenta, el diámetro interno disminuye.

El esquema tiene las desventajas de los dos anteriores. Pero al mismo tiempo, el cálculo de una turbina de este tipo es bastante sencillo.

Las turbinas de los aviones modernos suelen ser de varias etapas. La razón principal de esto (como se mencionó anteriormente) es la gran energía disponible de la turbina en su conjunto. Para garantizar una combinación óptima de velocidad periférica U y velocidad C 1 (U/C 1 - óptima) y, por lo tanto, una alta eficiencia general y una buena economía, es necesario distribuir toda la energía disponible entre las etapas.

Un ejemplo de turbina turborreactor de tres etapas.

Al mismo tiempo, sin embargo, ella misma turbina estructuralmente se vuelve más complicado y pesado. Debido a la pequeña diferencia de temperatura en cada etapa (se distribuye en todas las etapas), un mayor número de las primeras etapas están expuestas a altas temperaturas y a menudo requieren enfriamiento adicional.

Turbina de turbina axial de cuatro etapas.

Dependiendo del tipo de motor, el número de etapas puede variar. Para motores turborreactores, normalmente hasta tres, para motores de doble circuito de hasta 5-8 etapas. Normalmente, si el motor es de varios ejes, entonces la turbina tiene varias cascadas (según el número de ejes), cada una de las cuales impulsa su propia unidad y puede ser de varias etapas (dependiendo de la relación de derivación).

Turbina de avión axial de doble eje.

Por ejemplo, en un motor Rolls-Royce Trent 900 de tres ejes, la turbina tiene tres etapas: una sola etapa para accionar el compresor alta presión, de una etapa para accionar el compresor intermedio y de cinco etapas para accionar el ventilador. El funcionamiento conjunto de las cascadas y la determinación del número requerido de etapas en cascada se describen por separado en la "teoría del motor".

Sí misma turbina de avión En pocas palabras, es una estructura que consta de un rotor, un estator y varios elementos estructurales auxiliares. El estator consta de una carcasa exterior, carcasas dispositivos de boquilla y carcasas de cojinetes del rotor. El rotor suele ser una estructura de disco en la que los discos están conectados al rotor y entre sí mediante varios elementos adicionales y métodos de fijación.

Un ejemplo de turbina turborreactor de una sola etapa. 1 - eje, 2 - palas SA, 3 - disco impulsor, 4 - palas de trabajo.

En cada disco, como base del impulsor, hay palas de trabajo. A la hora de diseñar las palas se intenta fabricarlas con una cuerda más pequeña debido al menor ancho del borde del disco sobre el que se instalan, lo que reduce su masa. Pero al mismo tiempo, para mantener los parámetros de la turbina, es necesario aumentar la longitud del perfil aerodinámico, lo que puede implicar vendar las palas para aumentar su resistencia.

Posibles tipos de cerraduras para fijar las palas de trabajo en el disco de la turbina.

La hoja se fija al disco usando conexión de bloqueo. Esta conexión es uno de los elementos estructurales más cargados en un motor de turbina de gas. Todas las cargas percibidas por la cuchilla se transfieren al disco a través de la cerradura y alcanzan valores muy grandes, especialmente porque, debido a la diferencia de materiales, el disco y las cuchillas tienen diferentes coeficientes de expansión lineal, y además, debido a la desigualdad de temperatura. campo, se calientan de manera diferente.

Para evaluar la posibilidad de reducir la carga en la conexión de bloqueo y así aumentar la confiabilidad y vida útil de la turbina, se están llevando a cabo trabajos de investigación, entre los que se encuentran experimentos sobre cuchillas bimetálicas o el uso de impulsores blisk en turbinas.

Cuando se utilizan hojas bimetálicas, las cargas en las cerraduras de su fijación al disco se reducen debido a la fabricación de la parte de bloqueo de la hoja de un material similar al material del disco (o similar en parámetros). Las hojas de las hojas están hechas de otro metal, después de lo cual se unen mediante tecnologías especiales (se obtiene un bimetal).

Los blisks, es decir, impulsores en los que las palas están integradas con el disco, generalmente eliminan la presencia de una conexión de bloqueo y, por lo tanto, tensiones innecesarias en el material del impulsor. Componentes de este tipo ya se utilizan en compresores de motores turbofan modernos. Sin embargo, para ellos la cuestión de la reparación es mucho más complicada y las posibilidades de uso a alta temperatura y refrigeración en turbina de avión.

Un ejemplo de fijación de palas de rotor a un disco mediante cerraduras en espiga.

El método más común para fijar álabes a discos de turbina muy cargados es el llamado "espina de pescado". Si las cargas son moderadas, se pueden utilizar otros tipos de cerraduras de diseño más sencillo, por ejemplo, cilíndricas o en forma de T.

Control…

Desde las condiciones de trabajo turbina de aviación extremadamente pesado, y la cuestión de la confiabilidad, como componente más importante de una aeronave, es de suma prioridad, entonces el problema de monitorear el estado de los elementos estructurales es lo primero en la operación en tierra. Esto es especialmente cierto para el seguimiento de las cavidades internas de la turbina, donde se encuentran los elementos más cargados.

Por supuesto, la inspección de estas cavidades es imposible sin el uso de equipos modernos. inspección visual remota. Para los motores de turbina de gas de aviones, varios tipos de endoscopios (boroscopios) sirven con esta capacidad. Dispositivos modernos Este tipo es bastante avanzado y tiene grandes capacidades.

Inspección del tracto gas-aire de un motor turborreactor mediante un endoscopio Vucam XO.

Un ejemplo sorprendente es el videoendoscopio de medición portátil Vucam XO de la empresa alemana ViZaar AG. Con un tamaño y peso pequeños (menos de 1,5 kg), este dispositivo es muy funcional y tiene capacidades impresionantes tanto para la inspección como para el procesamiento de la información recibida.

Vucam XO es completamente móvil. Todo su conjunto se encuentra en una pequeña caja de plástico. Sonda de vídeo con gran cantidad Los adaptadores ópticos fácilmente reemplazables tienen una articulación completa de 360°, con un diámetro de 6,0 mm y pueden tener diferentes longitudes (2,2 m; 3,3 m; 6,6 m).

Inspección boroscópica del motor de un helicóptero mediante un endoscopio Vucam XO.

Las inspecciones boroscópicas con este tipo de endoscopios están previstas en las normas para todos los motores de aviones modernos. En las turbinas se suele inspeccionar la parte de flujo. La sonda del endoscopio penetra en las cavidades internas. turbina de aviación a través de especial puertos de control.

Puertos de inspección boroscopios en la carcasa de la turbina turborreactor CFM56.

Son orificios en la carcasa de la turbina, cerrados con tapones sellados (generalmente roscados, a veces con resorte). Dependiendo de las capacidades del endoscopio (longitud de la sonda), puede ser necesario girar el eje del motor. Los álabes de la primera etapa de la turbina (SA y RL) se pueden inspeccionar a través de las ventanillas situadas en la carcasa de la cámara de combustión, y los de la última etapa, a través de la tobera del motor.

Lo que elevará la temperatura...

Una de las direcciones generales para el desarrollo de motores de turbina de gas de todos los esquemas es aumentar la temperatura del gas delante de la turbina. Esto permite aumentar significativamente el empuje sin aumentar el consumo de aire, lo que puede provocar una disminución de la zona frontal del motor y un aumento del empuje frontal específico.

En los motores modernos, la temperatura del gas (después de la llama) a la salida de la cámara de combustión puede alcanzar los 1650°C (con tendencia a aumentar), por lo que para el funcionamiento normal de la turbina con cargas térmicas tan elevadas es necesario Tome medidas especiales, a menudo de seguridad.

Primero (y el mayor tiempo de inactividad de esta situación)- uso materiales resistentes al calor y resistentes al calor, tanto aleaciones metálicas como (en el futuro) materiales compuestos y cerámicos especiales, que se utilizan para la fabricación de las partes más cargadas de la turbina: boquillas y álabes de trabajo, así como discos. Las más cargadas son, quizás, las palas de trabajo.

Las aleaciones metálicas son principalmente aleaciones a base de níquel (punto de fusión - 1455 ° C) con diversos aditivos de aleación. Se añaden hasta 16 elementos de aleación diferentes a las aleaciones modernas resistentes al calor y resistentes al calor para obtener las máximas características de alta temperatura.

Químico exótico...

A ellos pertenecen, por ejemplo, el cromo, el manganeso, el cobalto, el tungsteno, el aluminio, el titanio, el tantalio, el bismuto e incluso el renio o, en su lugar, el rutenio y otros. Particularmente prometedor a este respecto es el renio (Re – renio, utilizado en Rusia), que ahora se utiliza en lugar de carburos, pero es extremadamente caro y sus reservas son pequeñas. También se considera prometedor el uso de siliciuro de niobio.

Además, la superficie de la cuchilla suele estar recubierta con un recubrimiento especial aplicado mediante una tecnología especial. capa protectora del calor(recubrimiento antitérmico - Revestimiento de barrera térmica o conjunto combustible.) , reduciendo significativamente la cantidad de flujo de calor hacia el cuerpo de la hoja (funciones de barrera térmica) y protegiéndola de la corrosión del gas (funciones resistentes al calor).

Un ejemplo de revestimiento protector térmico. Se muestra la naturaleza del cambio de temperatura a lo largo de la sección transversal de la pala.

La figura (microfotografía) muestra la capa protectora contra el calor en el álabe de la turbina de alta presión de un motor turbofan moderno. Aquí TGO (óxido de crecimiento térmico) es un óxido de crecimiento térmico; Sustrato – el material principal de la hoja; Bond coat es una capa de transición. La composición de los elementos combustibles incluye ahora níquel, cromo, aluminio, itrio, etc. También se están realizando trabajos experimentales sobre el uso de revestimientos cerámicos a base de óxido de circonio estabilizado con óxido de circonio (desarrollado por VIAM).

Por ejemplo…

Las aleaciones de níquel resistentes al calor de Special Metals Corporation - EE. UU., que contienen al menos un 50% de níquel y un 20% de cromo, así como titanio, aluminio y muchos otros componentes añadidos en pequeñas cantidades, son bastante conocidas en la industria del motor, empezando por la periodo de posguerra y actualmente. .

Dependiendo de la finalidad de su perfil (RL, SA, discos de turbina, piezas de flujo, boquillas, compresores, etc., así como aplicaciones no aeronáuticas), su composición y propiedades, se combinan en grupos, cada uno de los cuales incluye varias opciones de aleaciones. .

Palas de turbina del motor Rolls-Royce Nene fabricadas en aleación Nimonic 80A.

Algunos de estos grupos son: Nimonic, Inconel, Incoloy, Udimet/Udimar, Monel y otros. Por ejemplo, la aleación Nimonic 90, desarrollada en 1945 y utilizada para la fabricación de elementos. turbinas de aviones(principalmente palas), toberas y piezas de aviones, tiene la composición: níquel - 54% como mínimo, cromo - 18-21%, cobalto - 15-21%, titanio - 2-3%, aluminio - 1-2%, manganeso – 1%, circonio -0,15% y otros elementos de aleación (en pequeñas cantidades). Esta aleación todavía se produce hoy.

En Rusia (URSS), el desarrollo de este tipo de aleaciones y otros materiales importantes para motores de turbina de gas fue y está siendo llevado a cabo con éxito por VIAM (Instituto Panruso de Investigación de Materiales de Aviación). En la posguerra, el instituto desarrolló aleaciones deformables (tipo EI437B) y desde principios de los años 60 creó toda una serie de aleaciones fundidas de alta calidad (más información más adelante).

Sin embargo, casi todos los materiales metálicos resistentes al calor pueden soportar temperaturas de hasta aproximadamente ≈ 1050°C sin enfriarse.

Es por eso:

La segunda medida, ampliamente utilizada, esta es una aplicación varios sistemas de enfriamiento cuchillas y otros elementos estructurales turbinas de aviones. Todavía es imposible prescindir de la refrigeración en los motores de turbina de gas modernos, a pesar del uso de nuevas aleaciones resistentes al calor a altas temperaturas y métodos especiales de fabricación de elementos.

Entre los sistemas de refrigeración, existen dos áreas: sistemas abierto Y cerrado. Los sistemas cerrados pueden utilizar la circulación forzada del líquido refrigerante en el sistema de paletas-radiador o utilizar el principio del "efecto termosifón".

En el último método, el movimiento del refrigerante se produce bajo la influencia de fuerzas gravitacionales, cuando las capas más cálidas desplazan a las más frías. El refrigerante puede ser aquí, por ejemplo, sodio o una aleación de sodio y potasio.

Sin embargo, los sistemas cerrados, debido a la gran cantidad de problemas difíciles de resolver, no se utilizan en la práctica de la aviación y se encuentran en la etapa de investigación experimental.

Diagrama de enfriamiento aproximado de una turbina turborreactor multietapa. Se muestran los sellos entre el CA y el rotor. A - una rejilla de perfiles para hacer girar el aire con el fin de preenfriarlo.

Pero tienen un amplio uso práctico. sistemas de enfriamiento abiertos. El refrigerante aquí es aire, normalmente suministrado a diferentes presiones debido a las diferentes etapas del compresor en las palas de la turbina. Dependiendo de la temperatura máxima del gas a la que se aconseja utilizar estos sistemas, se pueden dividir en tres tipos: convectivos, película convectiva(o barrera) y poroso.

Durante el enfriamiento por convección, el aire se suministra al interior de la pala a través de canales especiales y, lavando las zonas más calientes del interior, sale al flujo en las zonas con menor presión. En este caso, se pueden utilizar varios esquemas para organizar el flujo de aire en las palas, dependiendo de la forma de los canales: longitudinal, transversal o en forma de bucle (mixto o complicado).

Tipos de enfriamiento: 1 - convectivo con deflector, 2 - película convectiva, 3 - poroso. Hoja 4: revestimiento protector contra el calor.

El esquema más simple es con canales longitudinales a lo largo de la pluma. En este caso, la salida de aire suele estar organizada en la parte superior de la escápula a través del estante para vendajes. En tal esquema, hay una desigualdad de temperatura bastante grande a lo largo de la pluma de la hoja, hasta 150-250˚, lo que afecta negativamente las propiedades de resistencia de la hoja. El circuito se utiliza en motores con temperaturas de gas de hasta ≈ 1130ºС.

De otra manera enfriamiento convectivo(1) implica la presencia de un deflector especial dentro de la pluma (se inserta una capa de paredes delgadas dentro de la pluma), que facilita el suministro de aire refrescante primero a las áreas más calientes. El deflector forma una especie de boquilla que sopla aire hacia la parte delantera de la pala. Esto da como resultado un enfriamiento por chorro de la parte más caliente. Además, el aire, que lava el resto de las superficies, sale a través de estrechos orificios longitudinales en la pluma.

Álabe de turbina del motor CFM56.

En tal esquema, la desigualdad de temperatura es mucho menor, además, el propio deflector, que se inserta en la pala bajo tensión a lo largo de varias correas transversales de centrado, gracias a su elasticidad, sirve como amortiguador y amortigua las vibraciones de las palas. Este esquema se utiliza a una temperatura máxima del gas de ≈ 1230°C.

El llamado diseño de medio bucle permite conseguir un campo de temperatura relativamente uniforme en la pala. Esto se logra seleccionando experimentalmente la ubicación de varias nervaduras y pasadores que dirigen los flujos de aire dentro del cuerpo de la pala. Este esquema permite una temperatura máxima del gas de hasta 1330°C.

Las palas de las toberas se enfrían por convección del mismo modo que las palas de trabajo. Por lo general, tienen doble cavidad con nervaduras y pasadores adicionales para intensificar el proceso de enfriamiento. Se suministra aire a una presión más alta a la cavidad delantera en el borde de ataque que a la trasera (debido a las diferentes etapas del compresor) y se libera en diferentes zonas trayectoria para mantener la diferencia de presión mínima requerida para garantizar la velocidad del aire requerida en los canales de enfriamiento.

Ejemplos formas posibles enfriamiento de las palas de trabajo. 1 - convectivo, 2 - película convectiva, 3 película convectiva con complicados canales de bucle en la pala.

El enfriamiento por película convectiva (2) se utiliza a temperaturas de gas aún más altas: hasta 1380°C. Con este método, parte del aire de refrigeración se libera a través de orificios especiales en la pala hacia su superficie exterior, creando así una especie de película de barrera, que protege la pala del contacto con el flujo de gas caliente. Este método se utiliza tanto para las palas de trabajo como para las de boquilla.

El tercer método es el enfriamiento poroso (3). En este caso, la varilla de potencia de la pala con canales longitudinales está recubierta con un material poroso especial, que permite una liberación uniforme y dosificada del refrigerante sobre toda la superficie de la pala lavada por el flujo de gas.

Este sigue siendo un método prometedor que no se utiliza en la práctica masiva de motores de turbina de gas debido a las dificultades con la selección del material poroso y la alta probabilidad de obstrucción bastante rápida de los poros. Sin embargo, si se solucionan estos problemas, la temperatura del gas presuntamente posible con este tipo de refrigeración puede alcanzar los 1650°C.

Los discos de la turbina y las carcasas de CA también se enfrían con aire debido a las distintas etapas del compresor a medida que pasa por las cavidades internas del motor, lavando las piezas enfriadas y luego liberándolas en la parte de flujo.

Debido al aumento bastante alto de presión en los compresores de los motores modernos, el propio aire de refrigeración puede tener una temperatura bastante alta. Por lo tanto, para aumentar la eficiencia de enfriamiento, se toman medidas para reducir primero esta temperatura.

Para ello, antes de alimentar la turbina a las palas y discos, se puede hacer pasar aire a través de rejillas de perfil especial, similar a la turbina SA, donde el aire se gira en el sentido de rotación del impulsor, expandiéndose y enfriándose al mismo tiempo. . La cantidad de enfriamiento puede ser de 90 a 160°.

Para la misma refrigeración se pueden utilizar radiadores aire-aire enfriados por aire del circuito secundario. En el motor AL-31F, dicho radiador reduce la temperatura a 220° en vuelo y a 150° en tierra.

Para necesidades de refrigeración turbina de aviación Se extrae una cantidad bastante grande de aire del compresor. En varios motores: hasta un 15-20%. Esto aumenta significativamente las pérdidas, que se tienen en cuenta en el cálculo termogasdinámico del motor. Algunos motores están equipados con sistemas que reducen el suministro de aire para refrigeración (o incluso lo cortan) en condiciones de funcionamiento reducidas del motor, lo que tiene un efecto positivo en la eficiencia.

Diagrama de enfriamiento de la 1ª etapa de la turbina turbofan NK-56. También se muestran sellos de panal y una cinta de cierre de enfriamiento en condiciones reducidas de operación del motor.

Al evaluar la eficiencia de un sistema de refrigeración, normalmente se tienen en cuenta las pérdidas hidráulicas adicionales en las palas debido a cambios en su forma cuando se libera aire de refrigeración. La eficiencia de una turbina refrigerada real es aproximadamente un 3-4% menor que la de una no refrigerada.

Algo sobre hacer cuchillas...

En los motores a reacción de primera generación, las palas de las turbinas se fabricaban principalmente método de estampado seguido de un procesamiento a largo plazo. Sin embargo, en los años 50, los especialistas de VIAM demostraron de manera convincente que era la fundición y no las aleaciones forjadas las que ofrecían la posibilidad de aumentar el nivel de resistencia al calor de las palas. Poco a poco se hizo una transición hacia esta nueva dirección (incluso en Occidente).

Actualmente, en la producción se utiliza tecnología de fundición de precisión sin residuos, lo que permite producir palas con cavidades internas especialmente perfiladas que se utilizan para operar el sistema de refrigeración (la llamada tecnología fundición a la cera perdida).

De hecho, esta es la única forma actual de obtener palas refrigeradas. También mejoró con el tiempo. En las primeras etapas de la tecnología de fundición se produjeron palas de diferentes tamaños. granos de cristalización, que no se adhirieron de forma segura entre sí, lo que redujo significativamente la resistencia y la vida útil del producto.

Posteriormente, utilizando modificadores especiales, comenzaron a producir palas fundidas enfriadas con granos estructurales finos, homogéneos y equiaxiales. Para ello, en los años 60, VIAM desarrolló las primeras aleaciones domésticas resistentes al calor en serie para fundir ZhS6, ZhS6K, ZhS6U, VZHL12U.

Su temperatura de funcionamiento era 200° más alta que la de la entonces común aleación deformable (estampación) EI437A/B (KhN77TYu/YUR). Las hojas fabricadas con estos materiales funcionaron durante al menos 500 horas sin signos visibles de destrucción. Este tipo de tecnología de fabricación todavía se utiliza en la actualidad. Sin embargo, los límites de las fibras siguen siendo el punto débil de la estructura de la pala y es a lo largo de ellos donde comienza su destrucción.

Por lo tanto, con el aumento de las características de carga de los modernos. turbinas de aviones(presión, temperatura, cargas centrífugas) era necesario desarrollar nuevas tecnologías para la fabricación de palas, porque la estructura multigrano en muchos aspectos ya no satisfacía las duras condiciones de funcionamiento.

Ejemplos de la estructura de material resistente al calor de palas de trabajo. 1 - tamaño de grano equiaxial, 2 - cristalización direccional, 3 - monocristal.

Así es como " método de cristalización direccional" Con este método, al solidificar una cuchilla, no se forman granos de metal equiaxiales individuales, sino largos cristales columnares alargados estrictamente a lo largo del eje de la cuchilla. Este tipo de estructura aumenta significativamente la resistencia a la fractura de la pala. Es similar a una escoba, que es muy difícil de romper, aunque cada una de las ramitas que la componen se rompe sin problemas.

Posteriormente, esta tecnología se perfeccionó hasta alcanzar un nivel aún más avanzado. método de fundición monocristal", cuando una hoja es prácticamente un cristal entero. Este tipo de cuchilla se instala ahora también en las modernas turbinas de aviones. Para su fabricación se utilizan aleaciones especiales, entre ellas las llamadas aleaciones que contienen renio.

En los años 70 y 80, VIAM desarrolló aleaciones para la fundición de álabes de turbinas con solidificación direccional: ZhS26, ZhS30, ZhS32, ZhS36, ZhS40, VKLS-20, VKLS-20R; y en los años 90, aleaciones resistentes a la corrosión de larga duración: ZhSKS1 y ZhSKS2.

Además, trabajando en esta dirección, desde principios del año 2000 hasta la actualidad, VIAM ha creado aleaciones resistentes al calor con alto contenido de renio de tercera generación: VZhM1 (9,3% Re), VZhM2 (12% Re), ZhS55 (9% Re ) y VZhM5 (4% ​​​​Re). Para mejorar aún más las características, durante los últimos 10 años se han llevado a cabo estudios experimentales, que dieron como resultado aleaciones que contienen renio-rutenio de cuarta generación, VZhM4 y quinta generación, VZhM6.

Como asistentes...

Como se mencionó anteriormente, en los motores de turbina de gas solo se utilizan turbinas reactivas (o activo-reactivas). Sin embargo, en conclusión vale la pena recordar que entre los utilizados turbinas de aviones También los hay activos. Realizan principalmente tareas secundarias y no participan en el funcionamiento de los motores de propulsión.

Y, sin embargo, su papel suele ser muy importante. En este caso estamos hablando de arrancadores de aire solía lanzar. Existir diferentes tipos Dispositivos de arranque utilizados para hacer girar los rotores de los motores de turbina de gas. El arrancador neumático ocupa quizás el lugar más destacado entre ellos.

Arrancador neumático de un motor turbofan.

De hecho, esta unidad, a pesar de la importancia de sus funciones, es fundamentalmente bastante sencilla. La unidad principal aquí es una turbina activa de una o dos etapas, que hace girar el rotor del motor (en un motor turbofan, generalmente un rotor de baja presión) a través de una caja de cambios y una caja de transmisión.

Ubicación del arrancador de aire y su línea de trabajo en el motor turbofan.

La turbina en sí hace girar un flujo de aire proveniente de una fuente terrestre, ya sea una APU a bordo o de otro motor de avión que ya está en funcionamiento. En cierto punto del ciclo de arranque, el motor de arranque se apaga automáticamente.

En unidades de este tipo, dependiendo de los parámetros de salida requeridos, también se pueden utilizar. turbinas radiales. También se pueden utilizar en sistemas de aire acondicionado en cabinas de aviones como elemento de un turborefrigerador, en el que se aprovecha el efecto de expansión y reducción de la temperatura del aire sobre la turbina para enfriar el aire que ingresa a las cabinas.

Además, en los sistemas de turbocompresor de los motores de avión de pistón se utilizan turbinas axiales y radiales activas. Esta práctica comenzó incluso antes de que la turbina fuera convertida en el nodo más importante GTD continúa hasta el día de hoy.

Un ejemplo del uso de turbinas radiales y axiales en dispositivos auxiliares.

Sistemas similares que utilizan turbocompresores se utilizan en automóviles y en general. varios sistemas suministro de aire comprimido.

Por lo tanto, la turbina de avión también sirve a las personas como auxiliar.

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Bueno, probablemente eso sea todo por hoy. De hecho, todavía hay mucho sobre lo que se puede escribir aquí en términos de información adicional, y en términos de más descripción completa lo que ya se ha dicho. El tema es muy amplio. Sin embargo, no se puede abrazar la inmensidad :-). Para información general, quizás sea suficiente. Gracias por leer hasta el final.

Hasta la proxima vez...

Finalmente, hay imágenes que “no encajan” en el texto.

Un ejemplo de turbina turborreactor de una sola etapa.

Modelo del eólipilo de Heron en el Museo de Cosmonáutica de Kaluga.

Articulación de la videosonda del endoscopio Vucam XO.

Pantalla del endoscopio multifuncional Vucam XO.

Endoscopio Vucam XO.

Un ejemplo de revestimiento protector térmico en las palas CA de un motor GP7200.

Placas alveolares utilizadas para sellos.

Posibles opciones para elementos de sellado laberíntico.

Sello laberíntico en forma de panal.

Introducción

La producción de álabes para motores de turbinas de gas ocupa un lugar especial en la ingeniería mecánica moderna. Esto se debe a las siguientes características de la fabricación de palas.
1. La finalidad responsable de las palas del motor. Las palas determinan decisivamente la fiabilidad y el funcionamiento sin problemas de los motores de turbina de gas. La vida útil de un motor está determinada, por regla general, por el rendimiento de las palas. En este sentido, la tecnología de fabricación y seguimiento de palas debe garantizar la estabilidad de la calidad de su producción y excluir la posibilidad de instalar palas con desviaciones en las dimensiones geométricas, la calidad de la superficie, defectos metalúrgicos y de otro tipo en el motor.
2. La complejidad de las formas geométricas y sus requisitos. alta precisión fabricación de palas. La pluma de la hoja es una hoja de sección transversal variable, limitada por superficies de forma compleja y orientada con precisión en el espacio con respecto a la cerradura. La precisión de fabricación del bolígrafo está entre 0,05 y 0,15 mm. La pieza de bloqueo con la que se fijan las cuchillas a los discos se fabrica con una precisión de 0,01-0,02 mm.
3. Producción en masa de palas. Un motor moderno con compresor axial tiene hasta 2000 palas. En este sentido, incluso en el caso de la producción de motores prototipo, la producción de palas se realiza en serie.
4. El uso de materiales caros y escasos para la fabricación de palas. En este sentido, el proceso tecnológico de producción de palas debe garantizar un porcentaje mínimo de defectos.
5. Mala maquinabilidad de los materiales utilizados para la fabricación de palas. Las palas de las turbinas están hechas de aleaciones a base de níquel, que tienen una dureza relativamente alta y una alta viscosidad.
La combinación de estos factores determinó la especificidad de la producción de palas.
Actualmente se está mejorando la producción de palas, principalmente en la dirección de la mecanización y automatización. La eliminación del trabajo manual no sólo reduce la intensidad del trabajo, sino que también mejora la calidad de la fabricación de las palas.
Recientemente se han logrado avances significativos en el campo de la intensificación de los modos de procesamiento de aceros y aleaciones resistentes al calor y de titanio, así como en el campo de la fabricación de láminas cerámicas.

1. Finalidad y diseño de las palas de las boquillas.

Las guías y palas de trabajo, según su finalidad prevista, son las partes principales de los motores de vapor y de palas. Juntos forman la parte de flujo de la turbina, en la que se convierte la energía térmica. ambiente de trabajo(vapor, gas) en el trabajo mecánico de un rotor giratorio. El conjunto de álabes guía y de trabajo se denomina aparato de álabes de turbina.
El aparato de palas es la parte más cara y crítica de la turbina. La eficiencia de una turbina, su eficiencia, depende en primer lugar de la calidad del aparato de palas. La intensidad de mano de obra de la fabricación de álabes de una potente turbina de vapor moderna alcanza el 42-45% de la intensidad de mano de obra total de la fabricación de todas sus piezas.
Las palas de las turbinas funcionan en condiciones muy difíciles. Están sometidos a fuertes fuerzas centrífugas, flexión y efectos pulsantes del entorno de trabajo, lo que provoca vibraciones en las palas, en las que se pueden excitar fácilmente vibraciones resonantes. Todo esto sucede en las primeras etapas de la turbina en altas temperaturas entorno de trabajo que afecta a las palas tanto química como mecánicamente; en las últimas etapas, la corrosión (erosión) de los bordes de entrada de las palas se produce por partículas de agua contenidas en el vapor húmedo.
Estas condiciones requieren un enfoque especialmente cuidadoso en el diseño de las palas, la selección de materiales para ellas y la organización de su producción. Se deberá tener especial cuidado en realizar todas las dimensiones de las palas que conforman la forma y cumplir con los requisitos técnicos establecidos para su fabricación. Las desviaciones de los dibujos pueden causar tensiones adicionales en las palas que no se incluyeron en los cálculos, lo que, a su vez, puede provocar una falla grave de la turbina.
El aparato de tobera de la primera etapa se lava con gas, cuya temperatura, teniendo en cuenta el desnivel detrás de la cámara de combustión, puede ser 100-120 ° C más alta que la masa promedio delante de la turbina. Por lo tanto, en las turbinas de gas de alta temperatura se enfría de forma muy intensa. La temperatura promedio de masa frente a la turbina debe considerarse la temperatura promedio ponderada de estancamiento directamente frente a las palas del rotor. Esto permite un uso más libre del aire para enfriar las palas de tobera de la primera etapa, sin embargo, se consiguen pequeñas pérdidas aerodinámicas en el propio aparato de tobera y un flujo lo más uniforme en temperatura, presión y dirección directamente delante de las palas de trabajo de esta Se debe asegurar el escenario.
Las palas de las toberas suelen estar ligeramente torcidas a lo largo del radio y, por lo tanto, los sistemas de refrigeración utilizados pueden implementarse bajo casi todas las leyes de torsión escalonada.
El aparato de toberas de la primera etapa de la turbina suele hacerse plegable con toberas de doble soporte, ya que percibe la mayor caída de presión, pero con la necesaria libertad de expansión térmica (Fig. 1, a). Todos los nuevos tienen aspas de boquilla enfriadas y el aire sale principalmente hacia el borde de salida. Este aire, mezclado con el flujo de gas principal, trabaja en los aros posteriores de la turbina, por lo que su consumo no causa mucho daño al rendimiento de la turbina. Las aspas de las boquillas huecas y enfriadas se fabrican mediante fundición de precisión (cera perdida). La primera etapa de la turbina de la unidad GTK-16 TMZ tiene álabes soldados.
Para los dispositivos de boquilla de etapas posteriores, en la práctica estacionaria se utilizan palas montadas en voladizo (Fig. 1, b). En la planta de motores turbo se combinan en paquetes (segmentos) de tres o cuatro piezas, y entre los paquetes se dejan

Diseños de hojas de sal.

A)

b)

V)

a - paleta de boquilla de dos soportes enfriada por aire; b - montado en voladizo
pala guía de turbina; c - aparato de boquilla ajustable con superficies limitadoras esféricas.

Arroz. 1

Secciones del perfil de las palas de tobera enfriadas.

a - enfriamiento por convección con deflector; b - enfriamiento por película convectiva; c - enfriamiento penetrante; g - enfriamiento intrapared;
1 - deflector; 2 - hoja fundida; 3 - revestimiento poroso; 4 - revestimiento protector contra el calor.
Arroz. 2

Los dispositivos de boquilla no separables se utilizan en forma de diafragmas soldados. Requieren medidas especiales de diseño para asegurar la termoelasticidad y evitar correas. Se prefieren membranas huecas y de paredes delgadas sin conector horizontal.
También es deseable hacer huecas las palas de las boquillas no refrigeradas para reducir las tensiones térmicas en los bordes de salida durante paradas repentinas. En todos los casos, es necesario minimizar la disipación de calor desde las palas de la tobera hacia las partes del estator que las sujetan.
Los dispositivos de boquilla de dos y tres ejes requieren una tolerancia estricta en el área de la sección transversal de salida de la primera etapa de cada turbina para garantizar la distribución calculada de las gotas de calor entre ellas. En condiciones de funcionamiento, el área de las turbinas de alta y baja presión aumenta en diferentes cantidades.
Atención especial el diseño requiere dispositivos de boquilla ajustable. Para reducir los espacios radiales en los extremos de las palas, las superficies meridionales adyacentes a las palas guía giratorias deben realizarse a lo largo de esferas descritas por radios desde el centro ubicado en la intersección del eje de los ejes de las palas con el eje de la turbina (Fig. 1,c). La simplificación del diseño se logra con un número relativamente pequeño de palas anchas; sin embargo, el juego axial entre la boquilla y las palas de trabajo cambia más fuertemente cuando se giran. El rango operativo requerido para cambiar el área del aparato de boquilla es ±10%.
Entre los diversos diseños de palas de boquilla enfriadas, las palas deflectoras son las más comunes (Fig. 2, a). La carcasa exterior de energía suele estar hecha mediante fundición de precisión. Un deflector insertable de paredes delgadas permite un buen enfriamiento por convección de las paredes y un enfriamiento por chorro desde el interior del borde de ataque de la pala. El refrigerante sale de la hoja con mayor frecuencia a través o cerca del borde de salida hueco. En tales palas, el refrigerante se mueve a lo largo del eje de la pala. En los primeros diseños de dispositivos de boquillas de primera etapa refrigeradas, se utilizaba un flujo longitudinal del refrigerante sin liberar aire hacia el borde. Hoy en día, debido al pequeño efecto de enfriamiento, estos diseños rara vez se utilizan y solo para la segunda o tercera etapa.
Ventajas de una pala con deflector insertado para la sección transversal del enfriador:
acercar los coeficientes de transferencia de calor del aire y del gas, lo que da una temperatura uniforme en toda la sección transversal de la pala;
la posibilidad de implementar una refrigeración diferenciada de las secciones de pala en altura y sección transversal debido a la ubicación y número de orificios en el deflector;
la capacidad de regular la profundidad de enfriamiento de la pala durante el proceso de ajuste o aumento del recurso;
Simplicidad comparativa de intensificar el intercambio de calor en el lado del aire debido a varios turbuladores.
El deflector es una carcasa estampada de paredes delgadas de dos partes, unidas mediante soldadura por puntos o con rodillos, a veces mediante soldadura. Es posible fabricar un deflector deformando y perforando un tubo de pared delgada. La perforación del deflector en determinados lugares permite intensificar la transferencia de calor por convección debido al enfriamiento por chorro. La concentración de enfriamiento por chorro en un lugar se llama enfriamiento por ducha.
Para temperaturas de gas más elevadas (Tg > 1200 - 1250 °C) se utilizan boquillas con refrigeración por película convectiva que con refrigeración puramente convectiva. Esto consume más aire de refrigeración que sin soplar la película de refrigeración. Sin embargo, para las palas de tobera de la primera etapa esto no es crítico. La ventaja del enfriamiento con película convectiva de las palas (Fig. 2, b) es la posibilidad de reducir adicionalmente la temperatura del metal en 100 °C o más. Otra ventaja es la capacidad de eliminar el sobrecalentamiento local de la cuchilla creando una ranura de soplado adicional frente al área con temperatura elevada. Sin embargo, la película se erosiona rápidamente y es necesario repetir el soplado de ranuras. Además, el impacto de la película soplada sobre la capa límite provoca un aumento de las pérdidas aerodinámicas. Durante el enfriamiento de la película, generalmente hay una temperatura desigual en toda la sección transversal de la cuchilla.
En los álabes de las toberas de accionamiento doméstico con refrigeración por película convectiva a finales de los años 80 aún no estaban muy extendidos, pero aparecieron en los nuevos años 90.
Entre los sistemas de refrigeración para palas de toberas que se están desarrollando pero que no se ponen en práctica, mencionamos las palas con refrigeración penetrante y las palas con refrigeración intrapared.
El enfriamiento por penetración, en el que el aire pasa a través de pequeños orificios (poros) en la pared de la pala, está diseñado para temperaturas muy altas, por ejemplo Tg = 1600 °C. Es en estas condiciones que es posible lograr una reducción significativa en el consumo de aire de refrigeración en comparación con el enfriamiento por película convectiva. El enfriamiento penetrante está más estrechamente relacionado con la tecnología de fabricación de las paredes de las palas que otros métodos de enfriamiento. Las palas de tobera con refrigeración por penetración suelen ser del tipo manguito, es decir, una capa delgada cubre el núcleo duro de la hoja (Fig. 2, c). Desventajas importantes son la necesidad de una limpieza profunda del aire de refrigeración y el peligro de que los poros se obstruyan con partículas dispersas contenidas en los productos de combustión.
Otro tipo prometedor de palas con revestimiento (carcasa) son las palas con refrigeración intrapared. Aquí se utiliza un flujo de refrigerante longitudinal (Fig. 2, d).

2. Materiales utilizados para la fabricación de palas

La temperatura del metal de las palas de la boquilla está determinada por la temperatura del fluido de trabajo que lava las palas de una etapa determinada y el sistema de refrigeración. Las tensiones de flexión que surgen bajo la acción del flujo de gas son de 50 a 80 MPa, y en las potentes y prometedoras de alta temperatura alcanzan los 130 MPa.
Las palas están expuestas a los efectos estáticos y dinámicos del flujo de gas. En este caso, los cambios de temperatura, como los choques térmicos, son posibles hasta 400 0 C, y en los prometedores hasta 600-700 0 C. Para las turbinas de propulsión, el número de arranques por recurso llega a 200, para las de pico, 5.000. Las palas también están expuestas a los efectos erosivos y corrosivos del flujo de productos de combustión a una velocidad de hasta 700 m/s. El contenido de polvo del flujo con partículas sólidas de hasta 100 micras de tamaño puede alcanzar una concentración de 0,3 mg/m3. En condiciones atmosféricas desfavorables, estos valores pueden aumentar brevemente hasta 250 micras y 2,5 mg/m3, respectivamente. Si existen dispositivos de limpieza de aire, el contenido de polvo del flujo de aire no debe exceder los estándares establecidos.
El análisis de las condiciones de funcionamiento de las palas y el estudio de los accidentes típicos de los aparatos de palas determinaron los siguientes requisitos para el material de las palas de las toberas de las turbinas:
A) alta resistencia al calor, es decir mantener altos valores de resistencia a altas temperaturas de funcionamiento;
B) alta plasticidad, necesaria para la distribución uniforme de tensiones en toda el área de la sección transversal de la pala; buena resistencia a las tensiones locales;
B) alta resistencia a la fatiga (resistencia);
D) alta disminución de la atenuación;
D) estabilidad de la estructura, asegurando la constancia de las propiedades mecánicas durante el funcionamiento de las turbinas;
E) alta resistencia a la oxidación y a la incrustación a altas temperaturas;
G) propiedades tecnológicas favorables, que permiten el uso de métodos más racionales de procesamiento de hojas (principalmente corte) y garantizan una ejecución precisa del tamaño del perfil y una alta limpieza de procesamiento. El metal de las hojas debe estar bien forjado, estampado, remachado sin grietas, bien doblado y laminado en frío. En el caso de estructuras soldadas, el metal de las palas requiere una buena soldabilidad.
H) Alta resistencia a la erosión.
Como material para las palas de las boquillas de las primeras etapas se utilizan aleaciones fundidas o forjadas a base de níquel. A temperaturas del gas de hasta 700 °C se utilizaban hasta ahora aceros austeníticos. Para los álabes de las últimas etapas a temperaturas del gas inferiores a 580 °C, también es posible utilizar aceros aleados al cromo. Para las palas que funcionan a temperaturas superiores a 650 hasta 8000 C, se utilizan aleaciones metálicas resistentes al calor a base de níquel. Entre ellos se encuentran ZhS6K, EI929VD, EI893, N70VMYUT, KhN80TBYu, etc.
A temperaturas del gas de 800°C y superiores, y si hay azufre en el gas combustible y a 720°C, es necesario aplicar recubrimientos protectores en boquillas y paletas de trabajo que tienen un contenido de cromo en la aleación inferior al 20%, mediante cromoalización, cromosiliconización o cromoaluminosiliconación, etc. El espesor de la capa protectora es de 30 a 60 micrones. También se utilizan recubrimientos esmaltados y recubrimientos protectores contra el calor. Se utilizan para cuchillas enfriadas.

3. Tipo de pieza

Para la fabricación de palas se utilizan los siguientes tipos de piezas de trabajo: flejes de acero, chapas de acero, piezas forjadas, estampadas, tiras perfiladas laminadas en caliente (el llamado perfil laminado ligero) y piezas de fundición a la cera perdida de precisión. Los espacios en blanco para hojas más comunes son los perfiles laminados ligeros y los estampados.
El tipo de pieza de trabajo tiene una gran influencia en el proceso de procesamiento tecnológico posterior, por lo que a la hora de elegir piezas de trabajo racionales se deben tener en cuenta todas las condiciones específicas de producción y, en particular, la forma de las palas, su cantidad y el momento de los pedidos. .
El principal método de fabricación de las palas de los aparatos de tobera es la fundición de precisión a la cera perdida, principalmente a partir de aleaciones de fundición LK4, ZhS6, ZhS6-K, etc.
El uso de fundición de precisión a la cera perdida permite obtener piezas de trabajo con un margen mínimo para la pluma. Restauración mecánica La preparación de tales hojas consiste principalmente en procesar los mechones de la hoja.
La fundición a la cera perdida tiene las siguientes ventajas en comparación con otros métodos para producir piezas en bruto para hojas de aparatos de boquillas;
1) la capacidad de obtener piezas de trabajo de formas complejas, con un acabado superficial de 5-6 y una precisión de 4ª clase;
2) la posibilidad de obtener lamas huecas con un espesor de pared de hasta 0,5 mm.
Las desventajas de este método incluyen:
1) la necesidad de utilizar aleaciones costosas y materiales auxiliares para la fundición;
2) duración del ciclo de producción.
En algunos motores, las palas del aparato de boquilla comenzaron a fabricarse a partir de material laminado resistente al calor mediante el método de estampado en frío, seguido de soldadura eléctrica del borde de salida.

4.Requisitos básicos para el procesamiento mecánico de palas.

Las palas de buena calidad, como todas las demás piezas de la turbina, dependen de ejecución correcta establecido en los dibujos dimensiones de diseño y limpieza del tratamiento superficial. Cada parte de la hoja (cola, parte de trabajo y cabeza) tiene un propósito diferente. La cola sirve para fijar de forma segura la pala en la carcasa de la turbina. La parte de trabajo está diseñada para absorber la presión del vapor y la cabeza, para sujetar el vendaje. Si para la cola de una pala, de acuerdo con su finalidad de servicio, el grado de precisión con el que se realizan todas las dimensiones de aterrizaje de la cola es de gran importancia, entonces para la parte de trabajo, cuyas dimensiones no son de aterrizaje, el grado La limpieza del procesamiento es de gran importancia. Una superficie bien pulida de la parte de trabajo ayuda a reducir la pérdida de vapor debido a la fricción contra la superficie de la cuchilla, al mismo tiempo que aumenta la resistencia anticorrosión de la cuchilla.
Todos los tamaños de cuchillas, según los requisitos de precisión, se pueden dividir en tres grupos.
Primero: las dimensiones de las que depende la naturaleza de la conexión de las palas con otras partes de la turbina, es decir, piezas de aterrizaje. Estos incluyen, en primer lugar, los tamaños de las colas y las púas para sujetar las cintas de vendaje. El diámetro de la espiga (con espiga redonda) y el ancho y espesor de la espiga (con espiga rectangular) se realizan según ajustes de carrera de clase 4.
Segundo: dimensiones que no aterrizan, pero que requieren mayor precisión. Estos incluyen las dimensiones de la sección transversal de las piezas de trabajo; dimensiones que determinan la instalación de las palas y la ubicación de los orificios para el cable de sujeción, etc. Estas dimensiones se realizan según la tercera y cuarta clase de precisión, o según tolerancias libres no estándar que oscilan entre 0,1 mm y 0,5 mm, según el tamaño de la hoja.
Tercero: dimensiones libres, que suelen incluir las dimensiones de filetes, chaflanes y otros elementos menos críticos de las palas. La precisión de las dimensiones libres no está estandarizada en absoluto o está limitada a tolerancias de la séptima clase de precisión. Sin embargo, incluso en el caso de que no se establezcan tolerancias para las dimensiones libres, se suelen realizar según las tolerancias establecidas para las dimensiones libres mediante acuerdos especiales. instrucciones tecnológicas, producido en esta empresa.
La limpieza del procesamiento de las superficies de los asientos se mantiene dentro de la clase 6, los perfiles de trabajo y los filetes de las piezas de trabajo están dentro de la clase 8-9.
Las más importantes son las dimensiones de aterrizaje de las conexiones de cola. Estas dimensiones, así como la limpieza del procesamiento, deben estar garantizadas por la precisión adecuada del procesamiento de la máquina y la calidad de la herramienta de corte. En la figura 2 se muestra un dibujo de una hoja típica de un aparato de boquilla. 3.

Dibujo de una hoja de boquilla típica.

A)

b)

a - diseño sin cerradura, b-con cerradura.

Arroz. 3

La precisión de fabricación de las superficies principales de las palas se caracteriza por los siguientes datos:
tolerancia en el espesor del perfil pluma ………………… +0,5 - 0,2;
tolerancia del espesor del borde…………………………. ±0,2;
falta de rectitud del perfil..……………………. 0,8 milímetros;
falta de rectitud del borde de salida………………. 0,8 milímetros;
tolerancia para el espesor de pared de hojas huecas... ±0,3 mm;
limpieza de la superficie de la cerradura…………………………... 4— 5.

5. Proceso de mecanizado típico

El proceso tecnológico para procesar cualquier hoja nueva puede ser desarrollado fácil y rápidamente por un tecnólogo con un clasificador y operaciones tecnológicas estándar.
Las aleaciones con las que están hechas las hojas no se procesan bien durante el corte (especialmente con herramientas metálicas). En este sentido, las operaciones de procesamiento de estas palas se realizan habitualmente mediante rectificado.
Para los espacios en blanco de las hojas de los aparatos de boquilla fabricados mediante fundición de precisión con un margen a lo largo de la hoja para el pulido, el tipo principal de procesamiento mecánico es el pulido de las cerraduras.
Las plumas de las hojas suelen acabarse a mano utilizando muelas de pulido. Se realiza la limpieza inicial de la pluma. ruedas abrasivas tamaño de grano 46-60.El proceso tecnológico de ruta de procesamiento mecánico de las palas de los aparatos de boquilla (con cerraduras) consta de las siguientes operaciones:

№ operaciones	el nombre de la operación	Equipo
	Control de pieza de trabajo
	Rectificar los planos base	Rectificadora de superficies MSZ
	Limpieza maquinista del borde de salida a ras de la superficie principal.
	Rectificado en los planos laterales de la cerradura desde el lado de la artesa	maquina lapeadora
	Pulir las superficies de la cerradura	Rectificadora de superficies MSZ
	Lijar el bebedero	Rectificadora de superficies MSZ
	Pulir dos planos de la cerradura desde la parte posterior.	Rectificadora de superficies
	Mecanizado por descarga eléctrica de agujeros en la cerradura.	Instalación especial
	rubor	Lavadora
	Fresar una ranura en la suela de la cerradura.	fresadora vertical
	Trabajo de metales (despuntado de bordes afilados después del mecanizado)
	Lavar y soplar	Lavadora
	controles finales
	Detección de defectos de color	Instalación especial
	Limpieza de áreas defectuosas después de la detección de defectos de color.	cabeza de pulido
	Grabando
	Inspección después de limpiar áreas defectuosas.
	Control luminiscente
	Limpieza de defectos después de pruebas luminiscentes.	cabeza de pulido
	Lavar y limpiar	Lavadora

El proceso tecnológico de ruta de procesamiento mecánico de las palas de un aparato de boquilla de diseño sin cerradura consta de las siguientes operaciones:

Operación No.	el nombre de la operación	Equipo
	En blanco: fundición de precisión sin tolerancia para procesamiento mecánico en la pluma
	Lijar el extremo del bolígrafo	Rectificadora de superficies MSZ
	Fresado radial desde el lado de entrada­ sin borde	fresadora horizontal
	Fresado radial desde el lado de entrada sin borde	fresadora horizontal
	Desbarbado mecánico después fresado y desbaste de bordes afilados	cabeza de pulido
	Lavar y soplar	Lavadora
	controles finales
	Detección de defectos de color	Instalación especial
	Limpieza de defectos después de la detección de defectos de color	cabeza de pulido
	Grabando
	Control después del decapado
	Control luminiscente	Instalación especial
	Desbarbado después de la prueba fluorescente	cabeza de pulido
	Lavar y limpiar	Lavadora

A continuación, se pule la pluma con círculos de fieltro con abrasivo pegado. El pulido se realiza en tres transiciones. El tamaño de grano del abrasivo utilizado en este tratamiento es 60, 180 y 220, respectivamente.

6. Tipo de máquinas

Debido a la alta intensidad de mano de obra de las operaciones de ajuste manual de perfiles en las fábricas individuales, se intentó mecanizar estas operaciones.
En la Fig. La Figura 4 muestra una máquina PSL modernizada para pulir la parte posterior de las palas del aparato de boquilla. Esta máquina puede procesar varias piezas al mismo tiempo.
Las máquinas MSh-81 y MSh-82 de la Planta de Rectificadoras de Moscú (Fig. 5) están diseñadas para procesar hojas de boquilla sin bloqueo, cuyo dorso y cubeta tienen un perfil constante en todas las secciones. La pluma se procesa con una rueda perfiladora, que se endereza con un cortador de perfiles especial. En la Fig. La Figura 6 muestra un dispositivo especial utilizado en máquinas rectificadoras cilíndricas para rectificar la parte posterior de las cuchillas del aparato de boquilla.
El dispositivo consta de un mecanismo para la rotación sincrónica del husillo de la muela y el husillo de la viga frontal, un mecanismo para rectificar la muela y un mecanismo para accionar la fotocopiadora.
El husillo del cabezal 3 recibe rotación del husillo del cabezal rectificador a través de un sistema de ruedas dentadas para asegurar la rotación sincrónica de la rueda y la pieza de trabajo.
Desde el husillo, la rotación del producto con una relación de transmisión de 2:1 se transmite a la copiadora volumétrica 2, que se utiliza para rectificar la muela. El círculo 9 se ajusta mediante un mecanismo especial. En el eje 10 del mecanismo de rectificado de ruedas está montada rígidamente una palanca que lleva una herramienta de perfilado 8. En el otro extremo del eje 10 está montado un rodillo 11, conectado a un rodillo 6 que descansa sobre la fotocopiadora volumétrica 12. El mecanismo de rectificado se mueve a lo largo del eje de rotación de la muela. Para el rectificado preliminar de la fotocopiadora volumétrica se utiliza una cuchilla de referencia 6, contra la cual descansa el disco 7, en sustitución de la muela abrasiva.
Cuando la cuchilla de referencia 6 gira, el disco 7 recibe un movimiento horizontal, que se transmite a través de la palanca del eje 10 del mecanismo de rectificado al mecanismo de muela, que pule el perfil de la fotocopiadora volumétrica.
Después de pulir la fotocopiadora volumétrica, en lugar de la muela, se instala un rodillo 11, cuyo diámetro es igual al diámetro de la muela. En lugar de un disco sectorial, se instala un diamante 8, que está perfilado por una muela abrasiva. Después de rectificar la muela, se procesa la parte posterior de la hoja instalada en lugar de la hoja de referencia.
Las palas del aparato de tobera de varios motores de turbina de gas se fabrican mediante fundición de precisión utilizando modelos de cera perdida con un margen a lo largo de la pala para esmerilar.
En este caso, el proceso tecnológico de procesamiento de palas incluye (además de las operaciones indicadas) también operaciones de rectificado del perfil aerodinámico, realizadas en las máquinas KhSh-185V, KhSh-186 y en las rectificadoras universales modernizadas.
Las palas de tobera de diseño hueco se han generalizado en los motores de turbina de gas de alta temperatura. Estas hojas también se fabrican mediante fundición de precisión, con varillas de cerámica u otro tipo de varillas que forman una cavidad interna.
Las cerraduras de las cuchillas del aparato de tobera se procesan en máquinas rectificadoras de superficies. La cuchilla a procesar se instala en un casete especial. Las bases en este caso son la superficie del comedero y el borde de la pluma. La abrazadera se realiza a lo largo de la superficie de la espalda. La disposición requerida de los planos de bloqueo se logra girando el casete e instalándolo con las superficies correspondientes (Fig. 7.
El procesamiento de las bases de las palas del aparato de boquilla se puede realizar utilizando una pulidora de superficies semiautomática modelo BS-200. La máquina funciona en un ciclo semiautomático y garantiza una distribución uniforme del subsidio entre la espalda y el comedero. La máquina tiene dispositivo electronico para una distribución uniforme del margen a lo largo del perfil de la pluma, así como un dispositivo para rectificar la rueda sin diamantes. Las piezas se fijan en un dispositivo especial con una abrazadera de liberación rápida.

7. Asegurar piezas de trabajo

Durante el procesamiento, la pieza de trabajo (pieza) está orientada correspondientemente y debe estar inmóvil. Esto se consigue fijándolo en un soporte o en una máquina.
A diferencia de la base de una pieza de trabajo, cuando se le aplica un número diferente de enlaces y se le priva de tres, cuatro, cinco y seis grados de libertad, en todos los casos de fijación la pieza de trabajo debe carecer de seis grados de libertad.
Para ello, diversos dispositivos de sujeción(mecánicos, hidráulicos, neumáticos, magnéticos, de vacío, etc.), basados ​​en el aprovechamiento de fuerzas de fricción.
Los dispositivos de sujeción en los dispositivos deben crear un contacto constante de las bases con los puntos de referencia (garantizar una base correcta) y la inmovilidad de la pieza de trabajo durante su procesamiento (fijar la pieza de trabajo).
Cabe señalar que cuanto menor sea el número de bases y puntos de soporte utilizados al basar las piezas de trabajo, más sencillo, productivo y económico será el diseño de los dispositivos. Por lo tanto, al basar las piezas de trabajo a procesar, es necesario esforzarse por utilizar la menor cantidad de bases con el menor número de puntos de referencia, lo que puede garantizar el cumplimiento de las dimensiones y la forma de la pieza especificada en el dibujo.

Pulir la parte posterior de las palas del aparato de boquilla.
en una máquina PSL modernizada

Vista general y zona de trabajo de la rectificadora plana.
modelos MSh-81 y MSh-82

Arroz. 5

Rectificado de la parte posterior de la cuchilla del aparato de boquilla.
en una rectificadora de copias modernizada

1—topes, 2—copiadora, 3—eje, 4—marco para fijar la cuchilla estándar, 5—cuchilla, 6—cuchilla estándar, 7—disco, 8—diamante, 9—muela abrasiva, 10—ejes del mecanismo de rectificado, 11 — rodillo, 12—disco de fotocopiadora.
Arroz. 6

Rectificado de los planos de las cerraduras de las palas de las boquillas.

Arroz. 7

8. Control técnico de palas.

Las palas se controlan tanto durante el mecanizado como después de su finalización. El control de la escápula incluye:
identificación de defectos materiales externos e internos; comprobar la rugosidad de las superficies procesadas de acuerdo con los requisitos del dibujo; comprobar las dimensiones, la forma de los perfiles de plumas (dorso, artesa) y las cerraduras y su posición relativa; determinación de la masa y frecuencia de las vibraciones naturales de las palas; Pruebas aleatorias de fatiga de álabes de turbinas y compresores. En las palas de trabajo LPT huecas y refrigeradas se comprueba el flujo de agua a través de la cavidad interna (prueba de derrame de las palas).
El seguimiento de los defectos externos e internos del material de las palas permite identificar grietas y pelos en la superficie, cavidades, porosidad, delaminación, inclusiones extrañas y escamas en el material. Para ello se utilizan métodos de prueba de grabado, detección de defectos de color, luminiscentes, magnéticos y ultrasónicos.
El método de las partículas magnéticas se basa en la atracción de partículas de polvo de hierro hacia los polos magnéticos formados en la parte magnetizada en los lugares donde existe una discontinuidad. El método de partículas magnéticas detecta grietas con un ancho de apertura de 0,001 mm o más y una profundidad de 0,01 mm o más. La relativa simplicidad y confiabilidad bastante alta de este método contribuyeron a su adopción generalizada.
Métodos de control de color y luminiscencia ( métodos capilares detección de defectos) se utilizan para identificar defectos que se extienden a la superficie de una pieza. El método de detección de defectos de color se basa en la capacidad de la pintura roja especial para penetrar profundamente en los defectos de la superficie y la pintura blanca para absorber la pintura roja del defecto. grietas con un ancho de 0,01 mm, una profundidad de 0,05 mm y una longitud de 0,3 mm.
El método luminiscente (LUM-A) se basa en la capacidad de algunos líquidos de brillar cuando se irradian con luz ultravioleta. El método luminiscente LUM-A detecta de forma fiable grietas superficiales, poros, puntos sueltos, películas de óxido, obstrucciones, etc. Detecta grietas con un ancho de 0,01 mm, una profundidad de 0,05 mm y una longitud de 0,2 mm. La sensibilidad del método LUM-A es ligeramente mayor que la del método de detección de defectos de color. Los defectos internos en el material de las palas se controlan mediante métodos de rayos X y ultrasonidos.
El método de rayos X para detectar defectos se basa en la atenuación de la radiación de rayos X por el material de la pieza, en el que la imagen de sombra de la pieza transiluminada se registra en una película de rayos X. La ventaja del método es su alta sensibilidad para detectar poros internos, cavidades, inclusiones extrañas, etc. en el material de la pieza.
Para radiografiar las palas de las turbinas fundidas con rayos X se utilizan máquinas de rayos X de cable móvil como RUP-100-10, RUP-150-10-1, etc.
Las pruebas ultrasónicas utilizando ondas superficiales le permiten identificar grietas superficiales y defectos metalúrgicos en el material. Este método se utiliza habitualmente para identificar grietas en los bordes de ataque y salida, y con menor frecuencia en la superficie del dorso y la artesa, que surgen durante la fabricación y operación de la pala. El método se basa en sondear el material controlado con cortes cortos. término pulsos de vibraciones ultrasónicas que se propagan a lo largo de la superficie de la pala y capturan sus reflejos ( ecos) de los defectos.
Control de dimensiones geométricas, forma de perfiles de bolígrafo y cerradura y su posición relativa. Las operaciones de este tipo de control técnico de palas son las que requieren más mano de obra. Los dispositivos utilizados en estas operaciones se pueden dividir en dos grupos principales: sin contacto - proyección óptica y de contacto - mecánicos, óptico-mecánicos, neumáticos y neumohidráulicos.
La pluma de la hoja se verifica en secciones transversales calculadas utilizando métodos de contacto y sin contacto. Uno de los métodos de control sin contacto es la comprobación del perfil de los proyectores, que se utiliza en producción única. No les hemos encontrado ningún uso.
En la producción a pequeña escala, el perfil aerodinámico de la pala a veces se comprueba mediante plantillas. La desviación del perfil del fondo y del canal con respecto a la plantilla se determina visualmente a contraluz o mediante una galga de espesores. El control del bolígrafo con plantillas es poco productivo, subjetivo y requiere instalaciones de medición de plantillas engorrosas.
En la producción en masa se utilizaron instrumentos mecánicos con indicadores de cuadrante, ajustados según una hoja estándar. Son simples y fáciles de usar, pero no muy productivos.
Los instrumentos multidimensionales y las máquinas de medición son productivos. Se pueden reconfigurar rápidamente para controlar otras palas utilizando una pala de referencia. La base para fijar la hoja es una cerradura o huecos centrales, dos de los cuales están en las superficies laterales de la cerradura y uno en el extremo de la pluma. Dichos dispositivos incluyen dispositivos óptico-mecánicos multidimensionales universales del tipo POMKL para el control simultáneo del perfil aerodinámico, el desplazamiento del perfil aerodinámico desde el eje de bloqueo, el ángulo de torsión y el espesor del perfil aerodinámico en las secciones transversales de la paleta del compresor.
Los principales parámetros geométricos de los bloqueos de las palas de las turbinas y compresores suelen comprobarse mediante instrumentos mecánicos con relojes indicadores ajustados según una norma.
El flujo de agua a través de la cavidad interna del perfil aerodinámico de las palas LPT enfriadas se controla mediante una instalación especial. La espátula se instala en el dispositivo y se derrama con agua cuando exceso de presión a 4±0,05 kgf/cm2 (0,3±0,005 MPa) y una temperatura de 20±5 "C durante 20 s. Verificar la capacidad del canal interno de todo el primer juego de aspas de una etapa determinada. Comparar el caudal promedio con el resultado del derrame de cada pala del conjunto. La diferencia en el consumo de agua de las palas de trabajo del conjunto (variación de caudales) no debe ser superior al 13...15% del consumo medio de agua del conjunto. de cuchillas
Las frecuencias propias de las palas de turbinas y compresores se controlan en soportes vibratorios electrodinámicos.
Las palas de trabajo de la turbina y el compresor se pesan en una báscula VTK-500 con una precisión de 0,1 g.

9. Implementación real del proceso tecnológico en la UTMZ

Consideremos un proceso tecnológico real usando el ejemplo de la paleta guía de la primera etapa del GTN-6U. Tipo de pieza de trabajo: fundición a la cera perdida de precisión, material de la pieza de trabajo: aleación KHN648MKYUT - USZMI - ZU.
Ejecución del proceso real en una fábrica de paletas guía.
En la tabla se presentan las 6-11 etapas de la turbina GT-6-750. 3.
Tabla 3

Operación No.	Nombre y contenido de la operación.	Equipo
	control entrante
	Fresado y centrado. Recorta los extremos y centra en ambos lados.	centro. molienda MR-71
	Fresado horizontal. Frese los planos de cola de los lados interior y exterior del perfil en los centros.	fresado horizontal 6M82G
	Molienda. Muele el plano de la cola desde el lado del perfil exterior en los centros.	Rectificado de superficies 3B-722
	Molienda. Muele el plano de la cola desde el lado del perfil interno.	Rectificado de superficies 3B-722
	Fresado horizontal. Frese el plano de la cola en ángulo desde el lado de salida de gas en 2 pasadas.	fresado horizontal 6M83G
	Fresado vertical. Frese limpiamente el plano de la cola en ángulo desde el lado de salida de gas.	fresado vertical 6M13P
	Fresado horizontal. Frese primero el plano de la cola desde el lado de entrada en ángulo.	fresado horizontal 6M82G
	Fresado vertical. Frese el plano de la cola desde el lado de entrada en un ángulo limpio.	fresado vertical 6M13P
	Torneado. Afila el vástago del hilo.	Girando P.U. 16K20F3
	Fresado vertical. Frese los lados de entrada y salida a la longitud de la parte de trabajo.	fresado vertical FK-300
	Fresado horizontal. Muele limpiamente el filete por el lado de entrada de gas.	fresado horizontal 6M83G
	Fresado horizontal. Muele limpiamente el filete por el lado de salida del gas.	fresado horizontal 6M83G
	Fresado vertical. Frese el filete del perfil interno y externo en un ángulo de 1050’ en 11 líneas (excepto el paso 11) al ras con el perfil principal.	fresado vertical 4FSL-4A
	Fresado vertical. Fresar el filete del perfil interior y exterior en línea recta en 11 líneas, al ras del perfil principal.	fresado vertical 4FSL-4A
	Molienda. Moler el interior y perfiles externos simultáneamente en centros para 400 líneas	Molienda LSH-1A
	Prueba. Control de operación 16.
	Taller de cerrajería. Limar los radios en los hombros del lado del perfil interno y externo de la entrada y salida según las plantillas; chaflán 1x450
	Molienda. Moler el filete del perfil interno y externo al ras del perfil principal; pulir el borde de ataque.	Pulido
	Taller de cerrajería. Lima el borde de la salida.
	Control final.
	Cortar. Corta la base del final de la parte de trabajo.	corte abrasivo
	Molienda. Pulir el perfil exterior e interior, el borde de ataque y los filetes.	Pulido DSh-96
	Taller de cerrajería. Pula el borde de salida a mano.
	Taller de cerrajería. Marque la designación de la hoja.
	Prueba. Compruebe si hay grietas.
	rubor
	controles finales	Placa de control
	Test de vibración

10. Sugerencias para mejorar el proceso tecnológico.

La expansión de la producción en serie de vapor y generadores de vapor, provocada por las tareas de desarrollo de la industria energética y de gas del país, contribuyó a acelerar el progreso técnico en la construcción de turbinas.
En este sentido se han logrado avances especialmente significativos en la producción de álabes de turbina. En todas las etapas del proceso tecnológico, comenzando con la preparación de las principales superficies de la base, se utilizan máquinas especiales y máquinas CNC. La medida más importante para aumentar la productividad laboral y mejorar la calidad fue la introducción de máquinas multihusillo para el fresado circular en punto de cruz de los perfiles internos y externos de las partes de trabajo de hojas largas.
La transferencia del procesamiento de una determinada gama de hojas a máquinas controladas por computadora hizo posible combinar varias operaciones en una y así acortar el ciclo de adquisición de las hojas, liberar al trabajador del trabajo manual pesado y aumentar la precisión del procesamiento en términos de tamaño y rugosidad. eliminando reinstalaciones y trabajando en modos de diseño cortando
Entre obras prometedoras requerido justificación científica y ejecución, cabe mencionar lo siguiente:
- mejorar la producción de piezas estampadas en términos de reducción de los márgenes de mecanizado;
- mecanización de los trabajos de rectificado para afinar los perfiles de las piezas de trabajo de palas largas;
- realizar trabajos de investigación para determinar los parámetros con base científica de las desviaciones permitidas de las dimensiones de diseño de las partes del perfil, respectivamente, la longitud y el ancho de las hojas de trabajo y guía.
Se lograrán avances técnicos significativos en la construcción de turbinas organizando el diseño y la fabricación centralizados de palas en una planta especializada con una amplia tipificación de palas y, por lo tanto, transfiriendo su procesamiento mecánico a líneas de funcionamiento continuo y automático, cuya preparación prácticamente ya se ha realizado. en las palas de la planta de turbinas (LZTD).
Un factor importante progreso técnico Este evento acercará el proceso de diseño de palas a su producción. GTU-UPI 2002

Antes de hacer una pregunta, lea:

La invención se refiere al campo de la ingeniería mecánica, concretamente a métodos para fabricar palas de motores de turbinas de gas (GTE) para aviones a partir de materiales que pueden deformarse en estado frío o caliente. Se hace una hoja en blanco. Forman un perfil aerodinámico en cada sección de la pluma. Forma una caña. Se realizan operaciones de acabado. La formación del perfil aerodinámico y del vástago se realiza mediante torsión simultánea de la pluma y el vástago y su calibración en el sello. Una pieza de trabajo plana se fabrica con tramos cuyo área y longitud son iguales, respectivamente, al área de los tramos correspondientes de la hoja estampada y a la longitud de las cuerdas de estos tramos. El resultado es un aumento de la tasa de utilización del metal y de la precisión de fabricación, un aumento de la calidad de los álabes de los motores de turbinas de gas de cuerda ancha y una reducción de los costes de tiempo. 2 enfermos.

La presente invención se refiere al campo de la ingeniería mecánica, concretamente a métodos para fabricar palas de motores de turbinas de gas (GTE) para aviones a partir de materiales que pueden deformarse en estado frío o caliente.

En los diseños modernos de ventiladores de motores de aviones, se utilizan ampliamente palas de gran tamaño y cuerda ancha, que pueden reducir significativamente el ruido del ventilador, aumentar el empuje y, en general, aumentar la eficiencia de un motor de turbina de gas.

Se conocen tecnologías tradicionales para la producción de cuchillas, incluida la producción de una pieza en bruto de cuchilla mediante estampado con torsión paso a paso del perfil de la cuchilla y tolerancias para la cuchilla y bloqueo, seguido de eliminación de tolerancias mediante métodos de corte, electrofísicos y otros. (Krymov V.V., Eliseev Yu.S., Zudin K.I. Producción de palas de motores de turbinas de gas. M., "Ingeniería mecánica / Ingeniería mecánica - Vuelo", 2002, págs. 66-100, 101-197).

Este método requiere mucha mano de obra y metal en la producción de palas de cuerda ancha debido a sus grandes dimensiones (la longitud puede alcanzar 1,5 m, con una relación altura-cuerda inferior a 2) y su complejidad. forma geometrica.

La compleja configuración de las transiciones preliminares reduce la capacidad de fabricación de las operaciones relacionadas, que van desde la limpieza de defectos de estampado hasta el uso de soportes especializados para calentar antes de la siguiente transición de estampado.

Reducir el margen para mecanizar el perfil aerodinámico conduce a un aumento de las fuerzas de estampado específicas, y simultáneamente obtener su configuración final requiere un aumento en la rigidez del conjunto del kit de estampado para amortiguar las altas fuerzas de corte durante el estampado.

El acabado final simultáneo del perfil de la pluma en cuanto a espesor y configuración, a pesar de los métodos conocidos de fresado mecánico, químico y electroquímico, es una operación que requiere mucha mano de obra.

Existe un método conocido para fabricar palas de motores de turbinas de gas (patente RF nº 2257277): un prototipo. La esencia del método es que en la primera etapa de diseño del proceso tecnológico, se reelabora el dibujo de diseño de la pala, desenrollando y separando las secciones de diseño del perfil aerodinámico, "colocando" las cuerdas de las secciones sin torcer en un solo plano. El dibujo de hoja modificado resultante es la base para diseñar una pieza en bruto para estampado. Un estampado en blanco que tiene un perfil de pluma sin torcer se produce utilizando los métodos de estampado volumétrico con un margen para la pluma y el mechón debajo. más procesamiento corte. Después de eliminar los márgenes brutos, por ejemplo mediante fresado, el perfil de la cuchilla se tuerce en caliente mediante dispositivos especiales. A continuación, la pieza así obtenida se somete a todas las etapas tradicionales del proceso de fabricación de la pala.

La desventaja de este método es que la determinación de los parámetros de potencia mediante el cálculo del proceso de giro en caliente de una pala que tiene una sección transversal de perfil aerodinámico variable a lo largo de la longitud es problemática porque El análisis de los modelos matemáticos existentes para determinar los parámetros de fuerza durante la torsión se limita a la consideración de varillas con secciones geométricas elementales (círculo, elipse, cuadrado, rectángulo). Por lo tanto, las deformaciones durante la torsión del producto conducen inevitablemente a una deformación del perfil aerodinámico, que puede exceder el rango de tolerancia. La selección de modos tecnológicos y parámetros geométricos de la pieza de trabajo requiere una gran cantidad de trabajo experimental que requiere mucho tiempo y mano de obra para cada tipo de tamaño de hoja de cuerda ancha. El proceso no es estable, depende de muchos factores y requiere equipo especial.

Para eliminar los aspectos negativos anteriores, se propone separar las operaciones: la formación del espesor de entrega del perfil de pluma y la formación de su contorno. Además, esto permite ampliar significativamente la gama de equipos para realizar la primera etapa, y todas las operaciones asociadas de ajuste y procesamiento mecánico de esta etapa se llevan a cabo en un contorno enderezado y tecnológicamente más avanzado.

La presente invención intenta proporcionar Nuevo método producción de álabes de motores de turbina de gas con contorno diseñado, utilizando el método de estampado final isotérmico sin rebabas (torsión + calibración) de una sola etapa, que reduce o resuelve los problemas antes mencionados.

La invención resuelve el problema de fabricar álabes de motores de turbina de gas de cuerda ancha y forma geométrica compleja utilizando equipos estándar.

El resultado técnico de la presente invención es mejorar la calidad de fabricación de los álabes de motores de turbina de gas de cuerda ancha, así como la estabilidad del proceso tecnológico y al mismo tiempo reducir los costes.

Un método para fabricar palas de motor de turbina de gas, que incluye fabricar una pieza en bruto de pala, formar un perfil aerodinámico en cada sección del perfil aerodinámico de la pala, formar un vástago y llevar a cabo operaciones de acabado, formar un perfil aerodinámico en cada sección del perfil aerodinámico de la pala y formar el vástago es Se lleva a cabo girando simultáneamente el perfil aerodinámico y el vástago y calibrándolos en una matriz de estampación isotérmica, en la que se produce una pieza plana, hecha con secciones cuya área y longitud son iguales, respectivamente, al área de las secciones correspondientes de la hoja estampada y la longitud de las cuerdas de estos tramos.

La esencia de la invención se ilustra mediante dibujos que muestran:

figura 1 - hoja 1 de cuerda ancha, fabricada, por ejemplo, de titanio o una de sus aleaciones;

figura 2: pieza en bruto enderezada de una hoja de cuerda ancha.

El método de fabricación de álabes de motor de turbina de gas propuesto según la invención se lleva a cabo de la siguiente manera.

1. Producción de una pieza plana 4 (Fig. 2) mediante métodos de extrusión y (o) estampado de precisión, así como laminado y (o) recalcado y (o) procesamiento mecánico de productos planos o largos.

2. Preparación de los elementos básicos 3 para el posterior acabado del procesamiento mecánico de la pluma y al mismo tiempo colocación de elementos para el estampado de una sola transición o en la etapa de estampado de precisión de la pieza de trabajo y (o) pelaje adicional. procesamiento de piezas de trabajo obtenidas previamente u obtenidas mediante soldadura a la pieza de trabajo 4 y piel adicional. Procesando.

3. Preparación de una proyección planificada de la pieza de trabajo para estampado de transición simple o en la etapa de estampado de precisión de la pieza de trabajo y (o) piel adicional. procesamiento de espacios en blanco obtenidos previamente (esto asegura la igualdad de las cuerdas del bolígrafo en blanco 6 y las cuerdas del producto terminado 7).

4. Preparación de las dimensiones de altura de la pieza de trabajo para el estampado de una sola pasada o en la etapa de estampado de precisión de la pieza de trabajo y (o) piel adicional. Procesamiento de piezas de trabajo recibidas previamente.

5. Aplicar calor y presión a la pieza de trabajo para el estampado isotérmico (giro simultáneo del perfil aerodinámico (“pluma”) 1 y la cola (“cerradura”) 2 con calibración simultánea) y producción de esencialmente la configuración externa terminada requerida y las dimensiones del perfil de la pluma. Para la torsión de ángulo alto del perfil aerodinámico (más de 40°) y la calibración de aspas de ventilador de cuerda ancha, se utilizan elementos de sujeción del equipo de troquel especialmente insertados (no mostrados).

6. Acabado del producto para eliminar el exceso de material de los bordes de ataque y salida (5) de la configuración externa estampada isotérmicamente para obtener el perfil aerodinámico terminado.

7. Retirada de los elementos de base (colocación) 3 de la Fig.1.

8. Procesamiento mecánico del vástago de la cuchilla (“bloqueo”) 2.

Un ejemplo de una implementación específica. El estampado experimental de un álabe de turbina de gas de cuerda ancha se llevó a cabo en una matriz cerrada. Material: aleación de titanio grado VT6. La temperatura de estampado no supera los 850°C. El instrumento se calentó a una temperatura de no más de 850°C. Dimensiones de la hoja terminada: largo - 1200 mm, ancho máximo de cuerda 620 mm.

El método propuesto para fabricar álabes de cuerda ancha permite desarrollar una tecnología eficaz, con cuyo uso es posible producir una serie de álabes para motores de turbina de gas a partir de metales y aleaciones avanzados.

Ventaja de la propuesta. solución técnica le permite ampliar las capacidades tecnológicas de los equipos estándar y realizar el proceso en un tiempo mínimo. La tasa de utilización del metal aumenta significativamente, la precisión de fabricación y la estabilidad del proceso aumentan.

Un método para fabricar palas de motor de turbina de gas, que incluye fabricar una pieza en bruto de pala, formar un perfil aerodinámico en cada sección del perfil aerodinámico de la pala, formar un vástago y llevar a cabo operaciones de acabado, caracterizado porque la formación de un perfil aerodinámico en cada sección del perfil aerodinámico de la pala y la formación del vástago se llevan a cabo mediante torsión simultánea del perfil aerodinámico y del vástago y su calibración en un sello por estampación isotérmica, al mismo tiempo que se produce una pieza plana hecha con secciones cuya área y longitud son iguales, respectivamente, al área de ​​los tramos correspondientes de la pala estampada y la longitud de los cordones de estos tramos.

Patentes similares:

La invención se refiere a la ingeniería mecánica, concretamente al procesamiento de metales mediante forja ultrasónica, y puede utilizarse para la fabricación de piezas con características técnicas y operativas mejoradas y para la formación de bordes redondeados con espesor variable.

La invención se refiere al conformado de metales y puede usarse en la industria de la aviación en la fabricación de palas en bruto con dos vástagos o con un vástago y una cubierta. La pieza de trabajo calentada se instala en un recipiente entre dos medias matrices de una matriz compuesta hecha con un canal. En este caso, parte de la pieza de trabajo se coloca sobre el punzón inferior. La pieza de trabajo se deforma para formar un cuello cerrando las semimatrices. Luego se forma uno de los vástagos de la cuchilla moviendo el punzón inferior hacia arriba después de detener las medias matrices. La pieza de trabajo se extruye a través del canal de la matriz compuesta mediante el punzón superior mientras el punzón inferior se mueve a la posición inferior. En este caso, parte de la pieza se deja en el recipiente y se forma un estampado de sección variable que se expande hacia la parte de la pieza que queda en el recipiente. El resultado es una ampliación de la gama de estampados producidos, un aumento en la tasa de utilización del metal y un aumento en las características de resistencia del producto. 2 enfermos.

Las invenciones se refieren a la conformación de metales y pueden utilizarse en la fabricación de álabes de turbina mediante estampación en caliente. La pieza de trabajo inicial se coloca en un receptor horizontal de una matriz dividida, que consta de dos medias matrices con plano vertical conector Las semimatrices se fabrican con un orificio pasante horizontal que forma un receptor y cavidades para las palas ubicadas radialmente con respecto al receptor. Se aplica una fuerza axial a ambos extremos de la pieza de trabajo mediante punzones ubicados en ambos lados. Como resultado, la pieza de trabajo se deforma hasta que las cavidades debajo de las cuchillas se llenan por completo y se obtiene una forja de varias piezas. La forja consta de palas conectadas por un residuo de prensa. La forja se retira de la matriz y las cuchillas se separan del residuo de la prensa. El resultado es un aumento de la plasticidad del material de la pieza de trabajo cuando fluye hacia la cavidad de las semimatrices, una reducción del esfuerzo tecnológico, así como un aumento de la precisión de los productos resultantes y de la tasa de utilización del material. 2 n. y 2 salario mosca, 18 enfermos. 1 avenida.

La invención se refiere al campo de la ingeniería mecánica, concretamente a métodos para fabricar palas de motores de turbinas de gas para aviones a partir de materiales que pueden deformarse en estado frío o caliente.