PJSC Ufa mootoritootmise assotsiatsioon (UMPO) käivitas täiustatud tera valamiskohas Euroopa suurima teravalu sulatus- ja valamisseadme. Seadmete mõõtmed on 9 meetrit lai, 12 meetrit pikk ja 8,5 meetrit kõrge. Installatsioon on ette nähtud toorikute tootmiseks perspektiivsetele tsiviillennukitele MS-21 mootoriosade valmistamisel. Uued seadmed võimaldavad sulatada 20–150 kg spetsiaalset sulamit, mis võimaldab täita suure hulga lõiketerasid vaid ühe tsükliga.
Uus ROM osaleb aktiivselt UMPO ja Moskva terase ja sulamite instituudi (NUST MISIS) ühisprojekti elluviimises, mille eesmärk on arendada ja rakendada ressursitõhusat tehnoloogiat õõnesvalu turbiinilabade tootmiseks. Seda hakatakse kasutama mitte ainult lennukite gaasiturbiinmootorite, vaid ka nafta- ja gaasipumbajaamade tootmisel,“ ütles paljutõotava programmi kuraator, tehnilise arenduse ja ümbervarustuse osakonna juhataja asetäitja Pavel Alinkin.
2015. aasta novembri alguses võitis see projekt Vene Föderatsiooni Haridusministeeriumi konkursil Vene Föderatsiooni valitsuse otsusega nr 218 toetuse. Toetus aitab UMPO-l vähendada aega, mis kulub uuenduste kasutuselevõtuks piloot- ja masstootmises.
Ühingul on laialdased kogemused koostöös Venemaa ülikoolidega resolutsiooni 218 alusel. Hetkel töötab ettevõte veel kahe tehnoloogia kallal: õhukeseseinaliste suuremõõtmeliste titaanvalandite (MISiS-i ja USATU-ga) ning kuumakindlast alumiiniumist detailide tootmiseks (koos USATU ja teiste ülikoolidega). Kaks projekti - ka MISiS-i ja UGATU-ga - on edukalt lõpule viidud, nende tulemused on hetkel tootmises. See on tehnoloogia VK-2500 helikopteri mootori turbiinitoe valmistamiseks ning lineaarse hõõrdekeevituse abil üherattaliste ja biskide tootmiseks.
Esmakordselt oli Venemaal võimalik valada (meetodit nimetatakse investeerimisvaluks) titaanalumiiniidisulamist uuenduslikke terasid, mis on kaks korda kergemad kui nende niklipõhised kolleegid. Ufa mootoritootmisühingus (UMPO PJSC) on uute labade valmistamise tehnoloogia juba kasutusele võetud. Eeldatavasti hakatakse titaanist intermetallilisi labasid kasutama Venemaa lühi-keskmaa reisilennuki MS-21 uues Venemaa PD-14 mootoris. Lennuki massi vähendades võimaldab uus arendus sellega vedada rohkem reisijaid väiksema kütusekuluga.
„Tänapäeval on tsiviillennunduses suur nõudlus titaanalumiiniidist toodete valmistamise järele. Meie areng ei jää alla maailma analoogidele Euroopast ja USA-st. Väga oluline on, et tegemist on täiesti kodumaise arendusega: terasid saab toota kodumaistest seadmetest ja kodumaistest materjalidest,” ütles uurimisrühma juht, “Valuprotsesside tehnoloogia ja materjalide kunstilise töötlemise tehnoloogia” osakonna juhataja. NUST MISIS, professor Vladimir Belov intervjuus. Üleminek uuele tehnoloogiale vähendab oluliselt mootori massi, mille tulemusena on võimalik transportida rohkem reisijaid või kaupa pikkade vahemaade taha. Pealegi, uus tehnoloogia labade valmistamine vähendab oluliselt efektiivset tsentrifugaalpinget lennukimootorite kompressoris ja turbiinides, vähendab turbiinide ja kompressorite inertsust ning vähendab seeläbi kütusekulu ja kasvuhoonegaaside heitkoguseid atmosfääri.
Leiutis käsitleb valukoja tootmist. Gaasiturbiinmootori tera on valmistatud investeerimisvalu teel. Tera sisaldab sulge 4, mille otsas on kand 5, mis on tehtud sulgedega ühe osana. Konts sisaldab platvormi 5a, millesse on tehtud esimene kraanikauss 12 radiaalsete pindadega 13 ja põhjaga 14. Valamu 12 vähendab kanna paksust. Esimeses vannis, sule ja kanna vahelise liidesetsooni 15 tasemel, tehakse teine vann 16, mis võimaldab metalli valada koorevormi ainult ühes punktis. Metalli ühtlase jaotumise tõttu on välditud poorsuse teke labidas. 3 n. ja 3 palka f-ly, 4 ill.
Joonised raadiosagedusliku patendi 2477196 jaoks
Käesolev leiutis käsitleb valatud metallist tera ja meetodit selle valmistamiseks.
Gaasiturbiinmootor, näiteks turboreaktiivmootor, sisaldab ventilaatorit, ühte või mitut kompressori astet, põlemiskambrit, ühte või mitut turbiiniastet ja düüsi. Gaase juhivad ventilaatori, kompressori ja turbiini rootorid tänu rootorite perifeeriale paigaldatud radiaalsete labade olemasolule.
Sisemise, välimise, radiaalse, eesmise või tagumise asendi või asukoha mõisteid tuleks arvesse võtta seoses gaasiturbiinmootori peatelje ja gaasivoolu suunaga selles mootoris.
Liigutatav turbiinilaba sisaldab jalga, millega see on rootori ketta külge kinnitatud, platvormi, mis moodustab gaasi-õhu liikumisteed piirava siseseina elemendi, ja sulge, mis paikneb peamiselt piki radiaaltelge ja mida puhuvad gaasid. . Sõltuvalt mootori ja turbiini astmest lõpeb tera jalast kaugemal asuvas otsas elemendiga, mis on põiki tiibade peatelje (põhi)telje suhtes, mida nimetatakse kannaks ja mis moodustab välisseina elemendi, mis piirab gaasi- õhutee.
Kanna välispinnal on üks või mitu radiaalset plaati ehk kammkarpi, mis koos nende vastas paikneva staatori seinaga moodustavad labürinttihendi, mis tagab gaasitiheduse; Sel eesmärgil on nimetatud staatori sein reeglina valmistatud hõõrutavast materjalist rõnga kujul, mille vastu plaadid hõõruvad. Plaadid sisaldavad esi- ja tagakülge, mis asuvad gaasivoolu suhtes risti.
Tera võib olla monoplokk, see tähendab, et jalg, platvorm, sulg ja kand on valmistatud ühe osa kujul. Tera on valmistatud valumeetodil, mida nimetatakse "kadunud vaha valamiseks" ja see on spetsialistidele hästi tuntud. Sellel meetodil:
Esiteks valmistatakse vahast abaluu mudel;
Mudel on sukeldatud tulekindlasse keraamilisse libisemisse, mis pärast põletamist moodustab kesta;
Vaha sulatatakse ja eemaldatakse, mille tulemuseks on tulekindlast materjalist "koorevorm", mille siseruumala määrab tera kuju;
Sulametall valatakse kestavormi ja mitu kestavormi ühendatakse plokiks, et valada samaaegselt metall;
Korpuse vorm on katki, mis võimaldab saada metallist spaatli.
Kohtades, kus metall vormi valatakse, tekivad vormi valatavale metallterale suhteliselt suure paksusega metallikogumid, mida tuleb pärast tera moodustamist töödelda. Reeglina valatakse metall tera kanna tasemel. Täitekanali läbimõõt ja sellest tulenevalt ka moodustunud kogunemine on märkimisväärne ning täitmine toimub väikese paksusega labürindi tihendi plaatide lähedal; Selle tulemusena, kui on ette nähtud ainult üks valamispunkt, tekib metalli kehv jaotumine kestavormis ja tera poorsusprobleemid, eriti tera labade tasemel.
Selle probleemi saab lahendada kahe valamise sisselaskeavaga ja vastavalt väheneb ka valamiskanalite läbimõõt. Nii saadakse ühe suure läbimõõduga valamiskanali asemel kaks väiksema läbimõõduga valamiskanalit, mis asuvad üksteisest eemal, mis tagab parema metalli jaotuse ja väldib poorsusprobleeme.
Siiski on soovitav need poorsusprobleemid lahendada, säilitades ainult ühe hangumispunkti.
Sellega seoses on leiutise objektiks valamisel valmistatud gaasiturbiinmootori laba, mis sisaldab sulge, mille otsas on kand, mis on valmistatud ühe osa kujul koos sulgedega, millega see on ühendatud liidesetsooni tasemel, samal ajal kui kand sisaldab platvormi, millel on vähemalt üks tihendusplaat, ja platvormi esimene vann, mida iseloomustab see, et esimeses vannis tehakse teine vann liidese tsoon sulgede ja kanna vahel.
Ühe vanni olemasolu teises vannis tera ja kanna vahelise liidese tasemel väldib liigset paksenemist selles tsoonis ning tera valamise käigus valades tagab vedela metalli parema jaotumise vormis. Vedela metalli parem jaotus vormis võimaldab kasutada valuvormi ühe metalli valamise punktiga. Ühe valamispunktiga tera valmistamise eeliseks on koorevormi ja vajadusel ka koorevormide ploki erakordne lihtsus; terade valmistamise maksumus väheneb, samal ajal kui nende kvaliteet tõuseb.
Lisaks optimeeritakse materjali kogust kanna tasemel, mis vähendab aeru kaalu ja maksumust.
Lisaks optimeerime mehaaniline pinge kannale ja/või sulgedele ning need imenduvad mõla paremini, kuna saavutatakse parem massijaotus.
Eelistatavalt on esimene vann piiratud radiaalsete pindade ja põhjaga ning teine vann moodustatakse esimese vanni põhja.
Samuti on eelistatav, et teine vann tehakse piki tera peatelge kanna ja sulgede vahelise liidese vastas.
Soovitav on, et tera sulg oleks moodustatud kindlast seinast ja sisaldaks kõveraid pindu paaritsoonis, teine vann sisaldab kumeraid radiaalseid pindu ja põhjapinda ning et teise vanni kumerad radiaalsed pinnad paikneksid sisuliselt paralleelselt sule kumerad pinnad paaritsoonis, mis tagab tera sisuliselt konstantse paksuse liidestsoonis.
Leiutis käsitleb ka turbiini, mis sisaldab vähemalt ühte käesolevale leiutisele vastavat laba.
Leiutis käsitleb ka gaasiturbiinmootorit, mis sisaldab vähemalt ühte käesolevale leiutisele vastavat turbiini.
Leiutis käsitleb ka meetodit gaasiturbiinmootori laba tootmiseks, mis hõlmab järgmisi etappe:
Terast valmistatakse vahamudel, mis sisaldab sulge, mille otsa tehakse kand, mis moodustab sulgega ühtse osa, millega see on liidesetsooni tasemel ühendatud, kanna sisaldab aga platvormi. millele on tehtud vähemalt üks tihendusplaat, samal ajal kui esimeses vannis tehakse platvormil, esimeses vannis sule ja kanna vahelise liidesetsooni tasandil tehakse teine vann,
Vahalabidas on sukeldatud tulekindlasse libisemisse,
Korpuse vorm on valmistatud tulekindlast materjalist,
Sulametall valatakse koorevormi läbi ühe valamise sisselaskeava,
Koori vorm purustatakse ja saadakse tera.
Käesolev leiutis on selgem järgmisest käesolevale leiutisele vastava tera eelistatud teostuse ja selle valmistamismeetodi kirjeldusest, viidates lisatud joonistele.
Joonis fig. 1 on skemaatiline külgvaade käesolevale leiutisele vastavast turbiini labast.
Joonis fig. 2 - isomeetriline eestvaade väljaspool abaluu kontsad.
Joonis fig. 3 on lõiketera läbilõige piki joonise fig. 3 tasandit III-III. 1.
Joonis fig. 4 on abaluu kanna väliskülje isomeetriline külgvaade.
Nagu on näidatud joonisel fig. 1, on käesolevale leiutisele vastav laba 1 moodustatud üldiselt piki peatelge A, mis on laba 1 sisaldava gaasiturbiinmootori telje B suhtes põhimõtteliselt radiaalne. B sel juhul me räägime turboreaktiivmootori turbiini laba kohta. Tera 1 sisaldab jalga 2, mis asub sees, platvormi 3, sulge 4 ja kontsa 5, mis asub väljastpoolt. Kand 5 sobib paaritumistsoonis 15 oleva sulgega 4. Jalg 2 on ette nähtud paigaldamiseks selle rootori külge kinnitamiseks rootori pesasse. Platvorm 3 on tehtud jala 2 ja sule 4 vahele ning sellel on tera 1 telje A suhtes risti asetsev pind, mis moodustab seinaelemendi, mis piirab selle gaasi-õhu liikumisteed. sees; nimetatud seina moodustavad kõik vaadeldava turbiiniastme labade 1 platvormid 3, mis on üksteise kõrval. Sulg 4 paikneb peamiselt piki tera 1 peatelge A ja sellel on spetsialistidele teadaolevalt selle otstarbele vastav aerodünaamiline kuju. Konts 5 sisaldab platvormi 5a, mis on tehtud sule 4 välisotsa, mis on põhimõtteliselt risti tera 1 peatelje A suhtes.
Nagu on näidatud joonisel fig. Nagu on näidatud joonistel fig 2 ja 4, sisaldab kannaplatvorm 5 esiserva 6 ja tagaserva 7, mis on suunatud gaasivoolu suhtes risti (vool on üldiselt paralleelne turboreaktiivmootori teljega B). Need kaks põikserva, eesmine 6 ja tagumine 7, on ühendatud kahe külgservaga 8, 9, millel on Z-kujuline profiil: kumbki külgserv 8, 9 sisaldab kahte pikisuunalist sektsiooni (vastavalt 8a, 8b, 9a, 9b), mis on omavahel ühendatud. üksteise suhtes vastavalt sektsioon 8", 9", mis on põhiliselt risti või vähemalt nurga all gaasivoolu suuna suhtes. Mööda külgservi 8, 9 puutub kand 5 kokku rootori kahe kõrvuti asetseva laba kandadega. Eelkõige selleks, et summutada neile töötamise ajal mõjuvat vibratsiooni, paigaldatakse terad kettale põhitelje A ümber olulise väändepingega. Kontsad 5 on konstrueeritud nii, et labad on allutatud väändejõule. pinge, kui seda toetavad külgnevad labad piki ristlõike 8", 9" külgservi 8, 9.
Alustades kanna 5 platvormi 5a välispinnast, valmistatakse radiaalsed plaadid 10, 11 või kammkarbid 10, 11, antud juhul kahes; samuti on võimalik pakkuda ainult üks tera või rohkem kui kaks tera. Iga plaat 10, 11 on tehtud risti gaasiturbiinmootori telje B suhtes, alustades kannapadja 5 välispinnast, külgservade 8, 9 kahe vastassuunalise pikisuunalise lõigu (8a, 8b, 9a, 9b) vahel. kannast 5.
Kanna 5 platvorm 5a on üldiselt konstrueeritud gaasiturbiinmootori telje B suhtes radiaalnurga all. Tõepoolest, turbiinis suureneb gaasi-õhu tee ristlõige sisselaskest väljavooluni, et tagada gaaside paisumine; seega liigub kanna 5 platvorm 5a gaasiturbiinmootori teljest B eemale sisselaskeavast väljalaskeavani, samal ajal sisepind moodustab gaasi-õhu tee välispiiri.
Kontsade 5 platvormil 5a on moodustatud (valuvormi konfiguratsiooni tõttu) esimene vann 12. See esimene vann 12 on õõnsus, mille moodustavad äärepinnad 13, mis moodustavad äärise, mis on tehtud välispinnast alustades. platvormi 5a ja on ühendatud pinnaga 14, moodustades vanni 12 põhja 14. Välispinnad 13 on paigutatud põhimõtteliselt radiaalselt ja sel juhul on seest kumerad, moodustades liidese platvormi 5a välispinna vahel. ja vanni 12 põhja 14 pind. Need kumerad radiaalsed pinnad 15 on üldiselt paralleelsed kanna 5 platvormi 5a külgservadega 8, 9 ja põikservadega 6, 7, järgides ülaltvaates nende kuju. (piki tera 1 peatelge A). Mõned kanna 5 alad ei pruugi sisaldada selliseid radiaalseid pindu 13, sel juhul ulatub vanni 12 põhja 14 pind otse külgservani (vt serv 9a joonisel fig 2) (tuleb märkida, et joonisel fig. 4 need alad ei ole samas kohas).
Seda tüüpi alust 12 on tuntud terades juba kasutatud. Selle ülesanne on leevendada kanna 5, säilitades samal ajal seda mehaanilised omadused: kanna 5 padja 5a paksus on märkimisväärne külgservade 8, 9 lähedal, mille külgmised pinnad, olles kokkupuutes külgnevate labadega, on tera 1 pöörlemise ajal tugevate pingete all, samas kui keskosa osa kanna 5 polstrist 5a, mis on väiksema pinge all, on tehtud süvendiga, mis moodustab esimese vanni 12.
Lisaks sisaldab kand vanni 16 esimeses vannis 12, mida edaspidi nimetatakse teiseks vanniks 16. Teine vann 16 on tehtud kanna 5 ja sulgede 4 vahelise liidesetsooni 15 tasemel. vann on tehtud piki tera 1 peatelge A tsooni 15 liidese vastas kanna 5 ja sule 4 vahel.
Teine vann 16 on õõnsus, mis on moodustatud perifeersetest pindadest 17, mis moodustavad äärise, mis ühendavad esimese vanni 12 põhja 14 pinna pinnaga 18, mis moodustab teise vanni 16 põhja (ja asub siseküljel. esimese vanni 12 põhja pind 14). Välispinnad 17 on paigutatud põhimõtteliselt radiaalselt, sel juhul on need välis- ja siseküljel kumerad, moodustades liidese esimese vanni 14 põhja 14 pinna ja teise vanni 16 põhja 18 pinna vahel. kumerad radiaalsed pinnad 17 on sisuliselt paralleelsed pliiatsi 4 pindadega, järgides nende kuju ülaltvaates (piki tera 1 peatelge A) (vt joonis fig 4).
Teine vann 16 teostatakse valuvormimise ajal (teisisõnu, tera 1 vormimist võimaldav kestavormi konfiguratsioon on kohandatud sellise vanni 16 vormimiseks). Tera on valmistatud valades, kasutades kadunud vaha mudeleid, nagu ülalpool kirjelduses näidatud.
Teise vanni 16 olemasolu väldib liigset paksust liidesetsoonis 15 kanna 5 ja sule 4 vahel. Tänu sellele jaotub metall kestavormi metalli valamisel ühtlasemalt, mis väldib kattekihi teket. poorsus, isegi kui metall valatakse ainult ühes valamispunktis.
Seega saab tera 1 toota investeerimisvalu meetodil, kus iga koorevormi jaoks on üks vedelmetallist täiteava ning see meetod on lihtsam ja odavam. Kui vormid plokkideks ühendada, on meetod veelgi lihtsam. Peale selle, valades koorevormi ühe valamise sisselaskeava kaudu, sisaldab valmistatud tera ainult ühte jääkkogust, mis eemaldatakse mehaaniline töötlemine. Sellise osa mehaaniline töötlemine on lihtsam.
Lisaks väheneb tera 1 mass ja seega ka maksumus teise kandiku 16 olemasolu tõttu, samas kui kannale 5 ja terale 4 avaldatavad pinged jaotuvad paremini ja seetõttu neelavad need paremini. tera 1.
Sel juhul on pliiats 4 valmistatud tahke seina kujul, st ilma jahutamiseta, kasutades selle seina paksusesse tehtud ümbrist või õõnsust. Eelistatavalt on teise vanni 16 perifeersed pinnad 17 ja alumine pind 18 konstrueeritud nii, et laba 1 paksus on kanna 5 ja laba 4 vahelises liideses 15 praktiliselt konstantne. tunnusmärk selgelt nähtav joonisel fig. 3. Täpsemalt, kui tähistame 15a, 15b sule 4 kumerad pinnad sulgede 4 ja kanna 5 vahelise liidesetsooni 15 tasemel, siis joonisel fig. 3 on näha, et teise aluse 16 kumerad radiaalsed pinnad 17 on tehtud põhiliselt paralleelselt sulgede 4 kumerate pindadega 15a, 15b, mille vastas need asuvad. Illustreeritud teostuses ei ole teise vanni 16 kumerate radiaalsete pindade 17 raadius identne sule 4 vastas olevate kumerate pindade 15a, 15b raadiusega, kuid sellegipoolest on need pinnad sisuliselt paralleelsed.
Teise vanni 16 osa, mis asub joonisel fig. 3 vasakpoolset joont iseloomustab pidev kaarjas kuju, millel puudub tasane osa esimese vanni 12 kumera radiaalse pinna 13, esimese vanni 12 põhja 14 ja teise vanni 16 kumera radiaalse pinna 17 vahel. teise vanni 16 osa, mis asub joonisel fig. 3 paremal on kõik need alad selgelt nähtavad. Erinevate lõikude teostamine nende vahel vaadeldavas tsoonis (lõikes) sõltub kanna 5 pindade asendist sule 4 pindade suhtes.
Leiutist kirjeldatakse liikuva turbiini laba jaoks. Samas saab seda tegelikult kasutada mis tahes valamisel valmistatud ja sulge sisaldava tera jaoks, mille otsa tehakse sulega üheosalise osana kand.
NÕUE
1. Valamise teel valmistatud gaasiturbiinmootori tera, mis sisaldab sulge, mille otsas on kand, mis on valmistatud ühe osa kujul koos sulgedega, millega see on ühendatud liidesetsoon, samas kui kand sisaldab platvormi, millel on vähemalt üks tihendusplaat, ja platvormile on tehtud esimene vann, mida iseloomustab see, et esimene vann on tehtud sulgede vahelise liidesetsooni tasemel. ja kand.
2. Tera vastavalt nõudluspunktile 1, milles esimene vann on piiratud radiaalsete pindade ja põhjaga ning teine vann on tehtud esimese vanni põhja.
3. Tera vastavalt punktile 1, mis erineb selle poolest, et teine vann on tehtud piki tera peatelge (A) kanna ja sulgede vahelise liidesetsooni vastas.
4. Tera vastavalt punktile 3, mis erineb selle poolest, et sulg on moodustatud kindlast seinast ja sisaldab kõveraid pindu paaritsoonis ning teine vann sisaldab kõveraid radiaalseid pindu ja põhjapinda, samas kui teise vanni kumerad radiaalsed pinnad. paiknevad piirdetsoonis sisuliselt paralleelselt sulgede kumerate pindadega, mis tagab tera praktiliselt konstantse paksuse liidestsoonis.
5. Turbiin, mis sisaldab vähemalt ühte laba vastavalt nõudluspunktile 1.
6. Gaasiturbiinmootor, mis sisaldab vähemalt ühte nõudluspunktile 5 vastavat turbiini.
1Artiklis käsitletakse gaasiturbiinmootorite kõrgsurvekompressori labade valmistamise meetodeid. Esimene meetod on töödelda laba tiibaprofiili freesimise teel koordinaatmasinatel arvjuhtimine millele järgneb käsitsi muutmine. Teine meetod on elektrokeemiline töötlemine, mis välistab tera sulgede mehaanilise ja käsitsi töötlemise. Uuritud on kompressori labade freesmeetodil valmistamise probleeme. Tutvustatakse aktuaalseid probleeme, mille lahendamine parandab täpsust, kvaliteeti ning välistab käsitsi lihvimis- ja poleerimistööd. Esitatakse elektrokeemilise töötlemise eelised. Esitatakse ja analüüsitakse tootmise ettevalmistamise kulusid ja töömahukust, lõiketerade valmistamise kulusid ja töömahukust. Töös esitatakse ka kompressori labade mõõtmiste tulemused. Parimad tulemused suleprofiili geomeetria täpsuse ja stabiilsuse osas saadi elektrokeemilise töötlemise tulemusena.
elektrokeemiline töötlemine
freesimine
gaasiturbiin mootor
1. Galiev V.E., Fatkullina D.Z. Paljutõotav tehnoloogiline protsess täppiskompressori labade valmistamiseks [Tekst] / V.E. Galiev, D.Z. Fatkullina // UGATU bülletään. – 2014. – nr 3. – Lk 9–105.
2. Nekhorošejev M.V. Kaheelektroodilise elektrokeemilise raku mahulise ja tasapinnalise modelleerimise kasutamine ANSYS programmis [Tekst] / M.V. Nekhorošejev, N.D. Pronichev, G.V. Smirnov // Samara ülikooli bülletään. Lennundustehnika, tehnoloogia ja masinaehitus. – 2012. – nr 3–3. – lk 98–102.
3. Lunev A.N. Freesimisparameetrite optimeerimine GTE terad CNC masinatel [Tekst] / A.N. Lunev, L.T. Moiseeva, M.V. Solomina // Kõrgema uudised õppeasutused. Lennundustehnoloogia. – 2007. – nr 2. – Lk 52–55.
4. Nekhorošejev M.V. Gaasiturbiinimootorite labade elektrokeemilise töötlemise tehnoloogia projekteerimise automatiseerimine, mis põhineb vormimisprotsessi arvutimodelleerimisel [Tekst] / M.V. Nekhorošejev, N.D. Pronichev., G.V. Smirnov // Venemaa Teaduste Akadeemia Samara teaduskeskuse uudised. – 2013. – T. 15, nr 4–6. – lk 897–900.
5. Pavlinich S.P. Impulsselektrokeemilise töötlemise kasutamise väljavaated gaasiturbiinmootorite osade tootmisel [Tekst] / S.P. Pavlinich // UGATU bülletään. – 2008. – nr 2. – Lk 105–115.
6. Gaasiturbiinmootorite tootmine [Tekst]: teatmik / A.M. Abramov, I.L. Zelikov, M.F. Idzon jt - M.: Kirjastus "MEHHAANIKATEHNIKA", 1996. - 472 lk.
7. Uuenduslike tehnoloogiliste protsesside loomise strateegia väljatöötamine [Tekst]: Õpik / N.D. Pronichev, A.P. Šulepov, L.A. Chempinsky, A.V. Meshcheryakov. – Samara: Samara State Aerospace University, 2011. – 166 lk.
8. Lennukite gaasiturbiinmootorite tootmistehnoloogia [Tekst]: Õpik ülikoolidele / Yu.S. Elisejev, A.G. Boytsov, V.V. Krymov, L.A. Khvorostukhin. – M.: Mashinostroenie, 2003. – 512 lk.
9. Tolkatšov A.V. Gaasiturbiinmootori kompressori labade vibratsioonipoleerimise tootlikkuse tõstmine abrasiivsete graanulitega: diss... cand. need. Sci. – Rybinsk, 2015. – 136 lk.
10. Turanov A.V. Gaasiturbiinimootorite labade pindade freesimise režiimide arvutamise meetodile CNC-pinkidel [Tekst]/A.V. Turanov, L.T. Moiseeva, A.N. Lunev // Kõrgkoolide uudised. Lennundustehnoloogia. – 2005. – nr 2. – Lk 60–64.
Kompressori labad on gaasiturbiinmootori kriitilised ja massiivsed osad. Mootori kasutusiga ja lõppmaksumus sõltuvad õigesti valitud tera valmistamise tehnoloogiast.
Tera kasutusea tagamine sõltub suuresti mitmest tehnoloogilisest tegurist. Terade pinnakihi seisukord, eelneva töötluse jälgede olemasolu (pinnakaredus), mis on pinge kontsentreerijad, mõjutavad oluliselt terade pikaajalist ja väsimustugevust töötamise ajal.
Seetõttu nõuab labade valmistamine isegi väiketootmise korral kaasaegsete tehnoloogiliste protsesside, suure jõudlusega seadmete kasutamist ning tootmis- ja juhtimisprotsessi automatiseerimist.
Üks gaasiturbiinmootori kompressori labade valmistamise tehnoloogiatest on freesimine koordinaatmasinatel, millele järgneb käsitsi viimistlemine, eelkõige viimistlustoimingud. Sellel tehnoloogial on aga mitmeid puudusi:
Madal täpsus ja jõudlus;
Vajadus kasutada käsitsi toiminguid;
Kõrgelt kvalifitseeritud töötaja viimaste käsitsi tööde tegemiseks lõiketerade profiili viimistlemiseks;
Kahjulikud tingimused töötajatele käsitsi lihvimis- ja poleerimistöödel;
Lõikeriistade kõrge hind ja kiire kulumine;
Vajalik 100% kontroll.
Praegused ülesanded gaasiturbiinmootorite kompressori labade valmistamisel on järgmised:
Pliiatsi profiili töötlemise viimistlustoimingute automatiseerimine. Käsitsi töötamise kaotamine parandab gaasiturbiinimootorite labade valmistamise tehnoloogilise protsessi kvaliteeti ja stabiilsust;
Füüsikaliste ja keemiliste töötlemismeetodite kasutamine välistab kallite lõikeriistade kasutamise ja suurendab töötlemise tootlikkust;
Gaasiturbiinimootorite labade kontrollimise automatiseerimine.
Terade tootmise üks tõhusamaid ja paljutõotavamaid valdkondi on elektrokeemiline töötlemine. Elektrokeemilise töötlemise eelised on järgmised:
Vähendatud terade tootmisaeg ja võimalus tõhus töötlemine raskesti töödeldavad materjalid;
Pinna kvaliteet pärast elektrokeemilist töötlemist nõuab minimaalset järelviimistlust;
pikk tööriista kasutusiga;
Lisaks märgitakse, et ECM-i järgsetel labadel on suurenenud gaasidünaamiline stabiilsus, vähenenud loomulike vibratsioonisageduste levik ja suurenenud väsimustugevus tänu jääkpingete vähenemisele.
On teada, et välismaised gaasiturbiinmootorite tootjad (nagu General Electric Company, MTU Aero Engines GmbH, Volvo Aero Corporation jt) kasutavad ECM-i edukalt nii monorataste labadevahelise kanali eelkujundamiseks, kasutades mitte- profiilelektroodid ning teraga aerodroomide mõõtmete töötlemiseks profileeritud elektroodid ja instrumendid.
Töö selles valdkonnas on alanud ja märkimisväärseid edusamme on saavutatud NIID (Moskva), Kaasani (KAI, KSTU), Samara (SAI) ja Ufa (UGATU Petroloogia ja Tehnoloogia Uurimisinstituut ECHO) elektrokeemilise töötlemise koolides jne.
Analüüsiks valiti kaks meetodit gaasiturbiinmootori kõrgsurvekompressori labade valmistamiseks.
Esimene viis. Terade valmistamine koordinaatfreespinkidel, joon. 1. Esialgse toorikuna kasutatakse freesitud rööptahukat, mis on valmistatud 0,1 mm täpsusega. Tuvisaba lukk on moodustatud horisontaalsele avamismasinale. Järgmisena teostatakse tera vooluosa kõigi elementide kompleksne freesimine arvjuhtimisega masinatel, millel on viimistlusvaru. Keerulises freesimisprotsessis toetub töödeldav detail tuvsaba varrele. Tera valmistamise viimane etapp on käsitsi töötlemine või lõputu rihmatöötlus.
Teine viis. Terade valmistamine elektrokeemilistel masinatel, joon. 2. Esialgse toorikuna kasutatakse poleeritud rööptahukat, mis on valmistatud 0,02 mm täpsusega. Elektrokeemilise töötlemise käigus moodustatakse trakti pinnad koos viimistlemisvaruga. Järgmisena moodustatakse horisontaalsel avamismasinal tuvisaba vars. Viimane toiming viiakse läbi vibratsioonilihvimismasinal.
Analüüsime mõlemat kompressori labade valmistamise meetodit. Kõige täielikuma pildi saab, kui võrrelda tootmise ettevalmistamise kulusid ja töömahukust, detaili valmistamise kulusid ja töömahukust, aga ka tera valmistamise täpsust ja stabiilsust. Analüüsiks valmistati ülaltoodud meetoditega kaks partiid labasid.
Riis. 1. Kompressori labade valmistamise põhietapid
Riis. 2. Kompressorilabade valmistamise põhietapid
Tabel 1
Tootmise ettevalmistamise põhikulud
|
Planeeritud töömahukus n.h. |
Hind 1 tk. hõõruda. |
Sealhulgas materjalikulud |
|||
|
tootmine |
ümberlihvimine |
tootmine |
ümberlihvimine |
||
|
Freesimine |
|||||
|
Frees nr 1 |
|||||
|
Frees nr 2 |
|||||
|
Frees nr 3 |
|||||
|
Frees nr 4 |
|||||
|
Frees nr 5 |
|||||
|
Frees nr 6 |
|||||
|
Frees nr 7 |
|||||
|
Seade |
|||||
|
Elektrokeemiline töötlemine |
|||||
|
Elektrood nr 1 |
|||||
|
Elektrood nr 2 |
|||||
|
Seade |
|||||
Riis. 3. Tehnoloogiliste seadmete valmistamise maksumus
Riis. 4. Tootmistehnoloogiliste seadmete töömahukus
Tehnoloogilise protsessi kavandamise protsessis on olulised tegurid tootmise ettevalmistamise aeg ja kulud (tabel 1). Tabelis 1 sisaldas peamisi lõikeriistade ja tööriistaelektroodide freesimise (esimene meetod) ja elektrokeemilise töötlemise (teine meetod) seadmete valmistamise kulusid. Tabelit kaaludes. 1 ilmneb, et elektrokeemiliseks töötlemiseks tootmise ettevalmistamise materjalikulud ja töömahukus on suuremad kui freesimisel.
Kogu töömahukus ja tehnoloogiliste seadmete tootmiskulud on toodud joonisel fig. 3 ja 4.
Terade valmistamise põhitoimingute keerukus ja maksumus on esitatud tabelis. 2. Kõrged nõuded elektrokeemiliseks töötlemiseks kasutatava detaili valmistamise täpsusele toovad kaasa kasutamise lisaoperatsioon"pinna lihvimine". Kompressori labade pindade kompleksi elektrokeemilisel meetodil töötlemisele kuluv aeg on väiksem kui freesimisel. Ka laualt. 2 näitab, et freesimistehnoloogia nõuab käsitsi viimistlustööde kasutamist, mis suurendab valmistoote maksumust.
Ühe tera kogu töömahukus ja -kulud on toodud joonisel fig. 4 ja 5.
tabel 2
Tera valmistamise põhitoimingute töömahukus ja maksumus
|
Tööjõu intensiivsus, n.h. |
Maksumus, hõõruda. |
||||
|
Freesimine |
Freesimine |
||||
|
Freesimine |
93 hõõruda. 90,3 kopikat |
93 hõõruda. 90.30 kopikat |
|||
|
Lihvimine |
26 hõõruda. 27.50 kopikat |
||||
|
Luku tõmbamine |
7 hõõruda. 43,10 kop. |
7 hõõruda. 43,10 kop. |
|||
|
Trakti pindade töötlemine |
100 hõõruda. 00 kop. |
70 hõõruda. 00 kop. |
|||
|
Käsitsi töötamine |
40 hõõruda. 30.20 kopikat |
||||
|
Vibratsioonilihvimine |
5 hõõruda. 40 kopikat |
||||
Riis. 5. Ühe osa valmistamise keerukus
Riis. 6. Ühe osa valmistamise kogumaksumus
Joonisel fig. Joonisel 7 on toodud ühe detaili valmistamise kulude võrdlev analüüs. Kulude arvutamisel võtsime arvesse tehnoloogiliste seadmete valmistamise kulusid koos nende hilisema ümberlihvimise ja remondiga. Nagu jooniselt näha, vähendab detailide tootmisprogrammi suurendamine ühe detaili maksumust. Küll aga tekivad freestehnoloogial valmistatud terade puhul märkimisväärsed kulutused. See nähtus on seletatav lõikeriista kiire kulumisega.
Elektroodide kulumise puudumine elektrokeemilise töötlemise ajal vähendab lõiketerade valmistamise kulusid.
Tera valmistamise täpsus ja tehnoloogiliste protsesside stabiilsus Joon. 1 ja 2 on kokku võetud joonisel fig. 8.
Valmis terade mõõtmised viidi läbi kontrollmõõteseadmel. Mõõtmised viidi läbi piki sisse- ja väljapääsu servi neljas osas. Jooniselt järeldub, et tera servade geomeetriliste mõõtmete saamise suurim täpsus ja korratavus saavutatakse elektrokeemilise töötlemise meetodil. Elektrokeemilist töötlemist kasutava tera valmistamise stabiilsuse ja täpsuse märkimisväärne suurenemine on tingitud käsitsitoimingute kaotamisest.
Kokkuvõttes, võttes arvesse saadud andmeid, võib teha järgmised järeldused.
Keerulisemate seadmete kasutamine elektrokeemilise töötlemise protsessis suurendab oluliselt tootmise ettevalmistamise kulusid ja aega. Seega on freesimine paindlikum ja kiiremini kohandatav töötlemisviis. Jahvatustöötlemise toodangu ettevalmistamise kulud ja töömahukus on väiksemad kui elektrokeemilisel töötlemisel (joon. 1 ja 2).
Terade valmistamise maksumus freestehnoloogia abil on kõrgem kui elektrokeemilise töötlemise kasutamine. Kulude kasv on tingitud asjaolust, et pärast freesimist on vaja käsitsi operatsioone.
Riis. 7. Ühe detaili valmistamise kulude võrdlev graafik sõltuvalt toodetud labade arvust
Riis. 8. Täppisserva tootmine
Freesimistehnoloogiaga terade valmistamise kulud on suuremad kui elektrokeemilise töötlemisega (joonis 7). Märkimisväärne kulu on kallite lõikeriistade ostmine.
Elektrokeemilise töötlemise täpsus ja stabiilsus on palju suurem.
Bibliograafiline link
Valiev A.I. GAASITURBIINMOOTORI KOMPRESSORI LABADE VALMISTAMISE VÕRDLUSANALÜÜS // Põhiuuringud. – 2017. – nr 5. – Lk 36-41;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41503 (juurdepääsu kuupäev: 28.03.2019). Toome teie tähelepanu kirjastuse "Loodusteaduste Akadeemia" poolt välja antud ajakirjad
Ilmselt teavad kõik, et kuidas hiinlased ka ei pingutaks, ei suuda nad tänapäevaseid reaktiivmootoreid kopeerida. Kõik. kopeerisid mis suutsid ja said omale SUSHKA, aga mootor tuleb ikka Vene Föderatsioonist osta. Lugesin just ViMe artiklit: http://www.warandpeace.ru/ru/news/view/74298/ "Hiina ei suuda ikka veel kaasaegset reaktiivmootorit kopeerida." Veelgi enam, ma saan aru, et on olemas ülimoodsad tehnoloogiad, arendused, matemaatika jne jne jne... Aga selleks, et täpsemalt aru saada, mis siin tegelikult toimub, soovitan lugeda järgmist artiklit.
MOOTORID JA MATERJALID
Iga soojusmasina võimsuse määrab töövedeliku temperatuur - reaktiivmootori puhul on see põlemiskambritest voolava gaasi temperatuur. Mida kõrgem on gaasi temperatuur, seda võimsam on mootor, seda suurem on selle tõukejõud, seda suurem on kasutegur ja paremad kaaluomadused. Gaasiturbiinmootor sisaldab õhukompressorit. Seda paneb pöörlema samal võllil istuv gaasiturbiin. Kompressor surub kokku atmosfääriõhk kuni 6-7 atmosfääri ja suunab selle põlemiskambritesse, kus süstitakse kütust - petrooleumi. Kambritest voolav kuuma gaasi - petrooleumi põlemisproduktide - vool paneb turbiini pöörlema ja läbi düüsi välja lennates tekitab reaktiivtõukejõu ja liigutab lennukit. Põlemiskambrites tekkivad kõrged temperatuurid nõudsid uute tehnoloogiate loomist ja uute materjalide kasutamist ühe kriitilisema mootorielemendi - gaasiturbiini staatori ja rootori labade - ehitamiseks. Need peavad vastu pidama tohututele temperatuuridele mitu tundi, kaotamata mehaanilist tugevust, mille juures paljud terased ja sulamid juba sulavad. Esiteks puudutab see turbiini labasid – need tajuvad üle 1600 K temperatuurini kuumutatud kuumade gaaside voolu. Teoreetiliselt võib gaasi temperatuur turbiini ees ulatuda 2200 K-ni (1927 o C). Reaktiivlennunduse sünni ajal – vahetult pärast sõda – meie riigis ei eksisteerinud materjale, millest oli võimalik valmistada pikki mehaanilisi koormusi taluvaid terasid.
Varsti pärast Suure Isamaasõja lõppu alustas VIAM-i spetsiaalne labor turbiinilabade valmistamiseks sulamite loomist. Seda juhtis Sergei Timofejevitš Kiškin.
INGLISMAALE METALLIL
Esimese kodumaise turboreaktiivmootori disaini lõi Leningradis lennukimootori disainer Arkhip Mihhailovitš Lyulka juba enne sõda. 1930. aastate lõpus ta represseeriti, kuid ilmselt arreteerimist aimates õnnestus tal mootorijoonised instituudi õuele maha matta. Sõja ajal sai riigi juhtkond teada, et sakslased on juba reaktiivlennukeid loonud (esimene turboreaktiivmootoriga lennuk oli sakslaste Heinkel He-178, mis konstrueeriti 1939. aastal lendava laborina; esimene tootmislahingulennuk oli kahemootoriline Messerschmitt Me-262 Seejärel kutsus Stalin välja L. P. Beria, kes jälgis uusi sõjalisi arenguid ja nõudis meie riigis reaktiivmootorite kallal töötavate inimeste leidmist. A. M. Ljulka vabastati kiiresti ja andis talle ruumid Moskvas Galuškina tänaval esimese projekteerimisbüroo jaoks. reaktiivmootorid.Arkhip Mihhailovitš leidis ja kaevas ta joonised välja aga mootor tema konstruktsiooni järgi ei saanudki kohe välja.Siis võtsid nad lihtsalt brittidelt ostetud turboreaktiivmootori ja kordasid seda ükshaaval.Aga asi taandus materjalidele mis polnud Nõukogude Liidus saadaval, aga olid saadaval Inglismaal ja nende koosseis oli muidugi salastatud, kuid siiski õnnestus see lahti mõtestada.
Saabunud Inglismaale, et tutvuda mootorite tootmisega, ilmus S. T. Kishkin kõikjale, jalas paksu mikropoorse tallaga saapad. Ja külastanud ringreisil tehast, kus turbiini labasid töödeldi, astus ta masina lähedal justkui kogemata detaililt maha kukkunud laastudele. Metallitükk paiskus vastu pehmet kummi, jäi sellesse kinni ning võeti seejärel sealt välja ja tehti Moskvas põhjalik analüüs. Inglise metalli analüüsi tulemused ja VIAM-is läbi viidud ulatuslikud ettevõttesisesed uuringud võimaldasid luua esimesed kuumakindlad niklisulamid turbiinilabadele ja mis kõige tähtsam, arendada välja nende ehituse ja tootmise teooria alused. .
Leiti, et selliste sulamite kuumakindluse peamiseks kandjaks on Ni3Al ühendil põhinevad intermetallilise faasi submikroskoopilised osakesed. Esimestest kuumakindlatest niklisulamitest valmistatud labad võisid töötada kaua, kui gaasi temperatuur turbiini ees ei ületanud 900-1000 K.
TEMBRIMISE ASEMEL VALAMINE
Esimeste mootorite labad tembeldati sulamist vardaks valatud kujule, mis meenutas ähmaselt valmistoodet ning seejärel töödeldi neid hoolikalt ja vaevaliselt. Kuid siin tekkis ootamatu raskus: materjali töötemperatuuri tõstmiseks lisati sellele legeerivad elemendid - volfram, molübdeen, nioobium. Kuid nad muutsid sulami nii kõvaks, et selle tembeldamine muutus võimatuks – seda ei saanud kuumadeformatsioonimeetoditega vormida.
Siis soovitas Kiškin terad valada. Mootorikonstruktorid olid nördinud: esiteks, pärast valamist tuleb tera ikkagi masinatel töödelda ja mis peamine, kuidas saab valatud tera mootorisse paigaldada? Stantsitud terade metall on väga tihe, selle tugevus on kõrge, kuid valumetall jääb kobedamaks ja ilmselgelt vähem vastupidavaks kui stantsitud metall. Kuid Kishkin suutis skeptikuid veenda ja VIAM lõi spetsiaalsed kuumakindlad sulamid ja tera valamise tehnoloogia. Viidi läbi katsed, mille järel hakati peaaegu kõiki lennunduse turboreaktiivmootoreid tootma valatud turbiinilabadega.
Esimesed terad olid tugevad ja kestsid kaua kõrge temperatuur ei saanud. Nende jaoks oli vaja luua jahutussüsteem. Selleks otsustasid nad teha labadesse pikisuunalised kanalid, mis annavad kompressorist jahutusõhku. See idee ei olnud nii kuum: mida rohkem kompressorist õhku jahutamiseks kasutatakse, seda vähem läheb seda põlemiskambritesse. Aga polnud kuhugi minna – turbiiniressurssi tuleb iga hinna eest suurendada.
Nad hakkasid kujundama labasid, millel oli mitu läbiva jahutuskanalit, mis paiknesid piki tera telge. Peagi selgus aga, et see konstruktsioon oli ebaefektiivne: õhk voolab läbi kanali liiga kiiresti, jahutatava pinna pindala on väike ja soojust ei eemaldata piisavalt. Nad püüdsid muuta tera sisemise õõnsuse konfiguratsiooni, sisestades sinna deflektori, mis õhuvoolu kõrvale suunab ja edasi lükkab, või muuta kanalid keerukama kujuga. Mingil hetkel haaras lennukimootorite spetsialiste ahvatlev idee – luua üleni keraamiline tera: keraamika talub väga kõrgeid temperatuure ega vaja jahutamist. Sellest on möödas peaaegu viiskümmend aastat, kuid siiani pole maailmas keegi keraamiliste labadega mootorit valmistanud, kuigi katsed jätkuvad.
KUIDAS VALMIS TERA VALMISTADA
Turbiini labade valmistamise tehnoloogiat nimetatakse vahavaluks. Kõigepealt valmistatakse tulevase tera vahamudel, valades selle vormi, millesse tulevaste jahutuskanalite asemele asetatakse esmalt kvartssilindrid (hiljem hakati kasutama muid materjale). Mudel on kaetud vedela keraamilise massiga. Pärast kuivamist sulatatakse vaha kuuma veega ja keraamiline mass põletada. Tulemuseks on vorm, mis talub sulametalli temperatuuri 1450–1500 o C, olenevalt sulami klassist. Vormi valatakse metall, mis kõvastub valmis tera kujul, kuid sees olevate kanalite asemel on kvartsvardad. Vardad eemaldatakse vesinikfluoriidhappes lahustamisega. Seda toimingut teeb hermeetiliselt suletud ruumis õhuvarustusvoolikuga skafandris töötaja. Tehnoloogia on ebamugav, ohtlik ja kahjulik.
Selle toimingu kõrvaldamiseks alustas VIAM varraste valmistamist alumiiniumoksiidist, lisades 10–15% ränioksiidi, mis lahustub leelises. Terade materjal ei reageeri leelisega ja ülejäänud alumiiniumoksiid eemaldatakse tugeva veejoaga.
IN Igapäevane elu Oleme harjunud valatud tooteid pidama väga karedaks ja karedaks. Kuid meil õnnestus valida sellised keraamilised kompositsioonid, et nende kuju on täiesti sile ja valamine ei vaja peaaegu mingit mehaanilist töötlemist. See lihtsustab oluliselt tööd: terad on väga keerulise kujuga ja neid pole lihtne töödelda.
Uued materjalid nõudsid uusi tehnoloogiaid. Ükskõik kui mugav oli ränioksiidi lisamine varda materjalile, tuli sellest loobuda. Alumiiniumoksiidi Al 2 O 3 sulamistemperatuur on 2050 o C ja ränioksiidil SiO 2 vaid ca 1700 o C ning uued kuumakindlad sulamid hävitasid vardad juba valamise käigus.
Alumiiniumoksiidvormi tugevuse säilitamiseks põletatakse seda temperatuuril, mis on kõrgem kui sellesse valatava vedela metalli temperatuur. Lisaks ei tohiks valamisel muutuda vormi sisegeomeetria: labade seinad on väga õhukesed ja mõõtmed peavad täpselt vastama arvutatutele. Sellepärast lubatud väärtus hallituse kokkutõmbumine ei tohiks ületada 1%.
MIKS ME KEELDUSIME TEMPLEERITUD TERADEST
Nagu juba mainitud, tuli pärast tembeldamist tera töödelda. Sel juhul läks 90% metallist laastudeks. Ülesanne püstitati: luua selline täppisvalutehnoloogia, mis toodaks koheselt etteantud teraprofiili ning valmistoode vajaks vaid poleerimist ja kuumakaitsekatte pealekandmist. Mitte vähem oluline pole tera korpuses moodustuv struktuur, mis täidab selle jahutamise ülesannet.
Seega on väga oluline valmistada tera, mis jahutab tõhusalt ilma töögaasi temperatuuri alandamata ja millel on kõrge pikaajaline tugevus. See probleem lahendati tera korpuses olevate kanalite ja selle väljalaskeavade paigutamisega nii, et tera ümber tekkis õhuke õhukile. Sel juhul tapavad nad kaks kärbest ühe hoobiga: kuumad gaasid ei puutu kokku tera materjaliga ning seetõttu ei soojenda seda ega jahuta ennast.
Siin on mõningane analoogia kosmoseraketi termilise kaitsega. Kui rakett suurel kiirusel atmosfääri tihedatesse kihtidesse siseneb, hakkab lõhkepead kattev nn ohvrikate aurustuma ja põlema. See võtab peamise soojusvoo ja selle põlemisproduktid moodustavad omamoodi kaitsepadja. Samal põhimõttel on ka turbiini laba konstruktsioon, ohverdava katte asemel kasutatakse ainult õhku. Tõsi, terasid tuleb kaitsta ka erosiooni ja korrosiooni eest.
Tera valmistamise protseduur on järgmine. Esiteks luuakse niklisulam mehaanilise tugevuse ja kuumakindluse kindlaksmääratud parameetritega, mille jaoks lisatakse niklist legeerivaid lisandeid: 6% alumiiniumi, 6-10% volframi, tantaali, reeniumi ja veidi ruteeniumi. Need võimaldavad teil saavutada valatud niklipõhiste sulamite maksimaalset kõrget temperatuuri (on ahvatlev seda veelgi suurendada, kasutades rohkem reeniumi, kuid see on meeletult kallis). Nioobiumsilitsiidi kasutamist peetakse paljulubavaks suunaks, kuid see on kauge tuleviku küsimus.
Kuid sulam valatakse vormi temperatuuril 1450 o C ja jahtub koos sellega. Jahutusmetall kristalliseerub, moodustades üksikud võrdsed, st igas suunas ligikaudu ühesuurused terad. Terad ise võivad olla suured või väikesed. Need ei kleepu usaldusväärselt ning tööterad hävisid piki terapiire ja purunesid tükkideks. Ükski tera ei kestnud kauem kui 50 tundi. Seejärel tegime ettepaneku lisada valuvormi materjali modifikaator - koobalt-aluminaadi kristallid. Need toimivad keskustena, kristallisatsioonituumadena, kiirendades tera moodustumise protsessi. Terad on ühtlased ja väikesed. Uued terad hakkasid töötama 500 tundi. See tehnoloogia, mille töötas välja E. N. Kablov, töötab endiselt ja töötab hästi. Ja meie VIAMis toodame tonni koobaltaluminaati ja tarnime seda tehastele.
Reaktiivmootorite võimsus kasvas, gaasijoa temperatuur ja rõhk tõusid. Ja sai selgeks, et tera metalli mitmeteraline struktuur ei saa uutes tingimustes töötada. Vaja oli muid ideid. Need leiti ja toodi lavale tehnoloogia areng ja sai tuntuks kui suundkristallisatsioon. See tähendab, et metall ei moodusta tahkumisel mitte võrdseteljelisi terasid, vaid pikki sambakujulisi kristalle, mis on piki tera telge piklikud. Sellise struktuuriga tera peab väga hästi vastu murdumisele. Kohe meenub vana tähendamissõna luudast, mida ei saa murda, kuigi kõik selle üksikud oksad murduvad ilma raskusteta.
KUIDAS SUUNATUD KRISTALLISEERIMINE TEKITAKSE
Tagamaks, et aeru moodustavad kristallid korralikult kasvaksid, eemaldatakse sulametalli sisaldav vorm aeglaselt kuumutustsoonist. Sel juhul seisab vedela metalliga vorm massiivsel, veega jahutatud vaskkettal. Kristallide kasv algab alt ja kulgeb üles kiirusega, mis on peaaegu võrdne hallituse küttekehast väljumise kiirusega. Suunatud kristallisatsiooni tehnoloogia loomisel oli vaja mõõta ja arvutada paljusid parameetreid - kristalliseerumise kiirust, küttekeha temperatuuri, temperatuuri gradienti kerise ja külmiku vahel jne. hallituse liikumine, et sambakujulised kristallid kasvaksid kogu tera pikkuses. Kui kõik need tingimused on täidetud, kasvab tera ristlõike iga ruutsentimeetri kohta 5-7 pikka sammaskristalli. See tehnoloogia on võimaldanud luua uue põlvkonna lennukimootoreid. Kuid me läksime veelgi kaugemale.
Olles uurinud kasvanud sammaskristalle röntgenimeetodite abil, mõistsime, et kogu tera saab valmistada ühest kristallist, millel ei ole teradevahelisi piire - struktuuri nõrgimaid elemente, mida mööda hävitamine algab. Selleks tegid nad seemne, mis võimaldas ainult ühel kristallil kasvada antud suunas (sellise seemne kristallograafiline valem on 0-0-1; see tähendab, et kristall kasvab Z-telje suunas, kuid mitte X-Y suunas). Seeme asetati vormi alumisse ossa ja metall valati, jahutades seda intensiivselt altpoolt. Kasvav monokristall võttis tera kuju.
Ameerika insenerid kasutasid jahutamiseks vesijahutusega vase kristallisaatorit. Ja pärast mitmeid katseid asendasime selle sula tina vanniga temperatuuril 600-700 K. See võimaldas täpsemalt valida vajalikku temperatuurigradienti ja saada tooteid. Kõrge kvaliteet. VIAM ehitas vannidega paigaldised ühekristalliliste labade kasvatamiseks – väga arenenud arvutijuhtimisega masinad.
1990. aastatel, kui NSVL lagunes, territooriumil Ida-Saksamaa Nõukogude lennukid jäid, peamiselt MiG hävitajad. Nende mootoritel olid meie toodetud labad. Terade metalli uurisid ameeriklased, misjärel tulid üsna pea nende spetsialistid VIAM-i ja palusid näidata, kes ja kuidas selle lõi. Selgus, et neile anti ülesanne valmistada meetripikkused monokristallilised labad, mida nad lahendada ei suutnud. Projekteerisime jõuturbiinide suurte labade suure gradiendiga valamise tehase ja püüdsime pakkuda oma tehnoloogiat Venemaa Gazpromile ja RAO UES-ile, kuid nad ei näidanud üles huvi. Sellegipoolest on meil juba peaaegu valmis tööstuspaigaldis meetripikkuste labade valamiseks ja me püüame veenda nende ettevõtete juhtkonda selle rakendamise vajalikkuses.
Muide, energiasektori turbiinid on veel üks huvitav probleem, mida VIAM lahendas. Oma kasutusea lõppu jõudnud lennukimootoreid hakati kasutama gaasitorude kompressorjaamades ja naftatorupumpasid toitavates elektrijaamades. Nüüd on muutunud kiireloomuliseks nende vajaduste jaoks spetsiaalsete mootorite loomine, mis töötaksid palju madalamatel temperatuuridel ja töögaasi rõhul, kuid palju kauem. Kui lennukimootori kasutusiga on umbes 500 tundi, siis nafta- ja gaasijuhtme turbiinid peaksid töötama 20-50 tuhat tundi. Üks esimesi, kes nendega tööd alustas, oli Samara disainibüroo Nikolai Dmitrijevitš Kuznetsovi juhtimisel.
KUUMUSKILDAVAD SULMID
Monokristalliline tera ei kasva tahkeks – selle sees on keerulise kujuga õõnsus jahutamiseks. 
Koos CIAM-iga oleme välja töötanud õõnsuse konfiguratsiooni, mis tagab jahutuse efektiivsuse koefitsiendi (tera metalli ja töögaasi temperatuuride suhe) 0,8, mis on peaaegu poolteist korda kõrgem kui seeriatoodetel.
Need on terad, mida pakume uue põlvkonna mootoritele. Nüüd küünib gaasi temperatuur turbiini ees vaevalt 1950 K-ni ja uutel mootoritel 2000-2200 K. Nende jaoks oleme juba välja töötanud kõrge kuumuskindlad sulamid, mis sisaldavad kuni viisteist perioodilisuse tabeli elementi, sealhulgas reenium ja ruteenium ning kuumuskaitsekatted, mille hulka kuuluvad niklit, kroomi, alumiiniumi ja ütriumi ning tulevikus - ütriumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiidist valmistatud keraamikat.
Esimese põlvkonna sulamid sisaldasid väikeses koguses süsinikku titaan- või tantaalkarbiidide kujul. Karbiidid paiknevad piki kristallide piire ja vähendavad sulami tugevust. Vabanesime karbiidist ja asendasime selle reeniumiga, suurendades selle kontsentratsiooni 3%-lt esimestes proovides 12%-le viimastes. Meie riigis on vähe reeniumivarusid; Kasahstanis on maardlad, kuid pärast kokkuvarisemist Nõukogude Liit ameeriklased ostsid selle täielikult üles; Alles jääb Iturupi saar, millele jaapanlased pretendeerivad. Aga ruteeniumi on meil palju ja uutes sulamites oleme sellega edukalt asendanud reeniumi.
VIAM-i ainulaadsus seisneb selles, et suudame välja töötada sulamid, nende valmistamise tehnoloogia ja valmistoote valamise meetodi. Kõigi VIAM-i töötajate töö ja teadmised on kõigisse teradesse pandud tohutult.
Tehnikateaduste kandidaat I. DEMONIS, VIAM-i peadirektori asetäitja
"Turbiini" teema on nii keeruline kui ka lai. Seetõttu pole selle täielikust avalikustamisest muidugi vaja rääkida. Tegeleme, nagu alati, "üldise tutvuse" ja "individuaalsete huvitavate punktidega" ...
Pealegi on lennukiturbiini ajalugu võrreldes turbiini ajalooga üldiselt väga lühike. See tähendab, et ei saa läbi ka mingisuguse teoreetilise ja ajaloolise ekskursita, mille sisu enamjaolt ei puuduta lennundust, vaid on aluseks loole gaasiturbiini kasutamisest lennukimootorites.
Suminast ja mürinast...
Alustame pisut ebatavaliselt ja pidage meeles "". See on üsna levinud fraas, mida tavaliselt kasutavad kogenematud autorid meedias võimsate lennukite töö kirjeldamisel. Siia saate lisada samade "lennukite turbiinide" jaoks "müra, vile" ja muud valjuhäälsed määratlused.
Paljudele tuttavad sõnad. Kuid inimesed, kes mõistavad, teavad hästi, et tegelikult iseloomustavad kõik need "heli" epiteedid kõige sagedamini reaktiivmootorite kui terviku või selle osade tööd, millel on turbiinide kui sellistega väga vähe pistmist (välja arvatud muidugi vastastikust mõju nende ühisel kasutamisel turboreaktiivmootori üldises tsüklis).
Veelgi enam, turboreaktiivmootoris (need on kiitvate arvustuste objektid) kui otsereaktsiooniga mootoris, mis tekitab gaasijoa reaktsiooni abil tõukejõudu, on turbiin vaid osa sellest ja on pigem kaudselt seotud "müriseva mürinaga". ”.
Ja nendel mootoritel, kus see üksusena mingil moel domineerivat rolli mängib (need on kaudse reaktsiooni mootorid ja neid ei kutsuta asjata gaasiturbiin), ei ole heli enam nii muljetavaldav või tekitavad selle lennuki elektrijaama täiesti erinevad osad, näiteks propeller.
See tähendab, et ei ümise ega mürise, kui sellist lennuki turbiin tegelikult ei kohaldata. Kuid vaatamata sellisele ebatõhususele on see kaasaegse turboreaktiivmootori (GTE) keeruline ja väga oluline seade, mis määrab sageli selle peamised tööomadused. Definitsiooni järgi ei saa ükski gaasiturbiinmootor hakkama ilma turbiinita.
Seetõttu ei räägi vestlus muidugi muljetavaldavatest helidest ja vene keele määratluste ebaõigest kasutamisest, vaid huvitavast üksusest ja selle seosest lennundusega, ehkki see pole kaugeltki ainus selle rakendusvaldkond. Tehnilise seadmena ilmus turbiin ammu enne “lennuki” (või lennuki) ja veelgi enam selle jaoks mõeldud gaasiturbiinmootori kontseptsiooni.
Ajalugu + natuke teooriat...
Ja isegi väga pikka aega. Alates mehhanismide leiutamisest, mis muudavad loodusjõudude energia kasulikuks tegevuseks. Kõige lihtsamad selles osas ja seetõttu ühed esimestest ilmusid nn pöörlevad mootorid.
See määratlus ise ilmus muidugi alles meie päevil. Kuid selle tähendus määrab täpselt mootori lihtsuse. Looduslik energia muundatakse otse, ilma vaheseadmeteta mehaaniline jõud peamise pöörlev liikumine jõuelement selline mootor on võll.
Turbiin– rootormootori tüüpiline esindaja. Tulevikku vaadates võib öelda, et näiteks kolbmootoris sisepõlemine(ICE) põhielement on kolb. See teostab edasi-tagasi liikumist ja väljundvõlli pöörlemise saavutamiseks peab teil olema täiendav väntmehhanism, mis loomulikult raskendab ja muudab konstruktsiooni raskemaks. Turbiin on selles osas palju tulusam.
Pöörleva sisepõlemismootori jaoks, nagu soojusmootor, mis, muide, on turboreaktiivmootor, kasutatakse tavaliselt nimetust "rootor".
Vesiveski turbiini ratas
Üks tuntumaid ja iidsemaid turbiinide rakendusi on suured mehaanilised veskid, mida inimene on juba ammusest ajast kasutanud mitmesuguste majanduslike vajaduste rahuldamiseks (mitte ainult teravilja jahvatamiseks). Neid koheldakse kui vesi, nii tuul mehhanismid.
Pika iidse ajaloo (esimesed mainimised umbes 2. sajandist eKr) ja keskaja ajaloo jooksul olid need praktiliselt ainsad mehhanismid, mida inimene praktilistel eesmärkidel kasutas. Nende kasutamise võimalus, hoolimata tehniliste asjaolude primitiivsusest, seisnes kasutatava töövedeliku (vesi, õhk) energia muundamise lihtsuses.
Tuuleveski on turbiiniratta näide.
Nendes sisuliselt tõelistes pöörlevates mootorites muudetakse vee- või õhuvoolu energia võlli võimsuseks ja lõpuks kasulikuks tööks. See juhtub siis, kui vool suhtleb tööpindadega, mis on vesiratta labad või tuuleveski tiivad. Mõlemad on tegelikult tänapäevaste labade prototüübid teraga masinad, mis on tänapäeval kasutatavad turbiinid (ja kompressorid, muide ka).
On teada teist tüüpi turbiinid, mille esmakordselt dokumenteeris (ilmselt leiutas) Vana-Kreeka teadlane, mehaanik, matemaatik ja loodusteadlane Heron Alexandriast ( Heron ho Alexandreus,1 1. sajandil pKr) oma traktaadis “Pneumaatika”. Tema kirjeldatud leiutist nimetati aeolipiil , mis tõlkes kreeka keelest tähendab "Aeoluse pall" (tuulejumal, Αἴολος – Aeolus (kreeka keeles), pila - pall (lat.)).
Heroni eolipiil.
Selles oli pall varustatud kahe vastassuunalise düüsitoruga. Düüsidest väljus aur, mis sisenes palli all asuvast boilerist torude kaudu ja põhjustas sellega palli pöörlemise. Toiming on selge allolevalt jooniselt. See oli nn tagurpidi turbiin, mis pöörles auru väljalaskeava vastassuunas. Turbiinid Sellel tüübil on spetsiaalne nimi - reaktiivne (täpsemalt allpool).
Huvitav on see, et Heron ise ei kujutanud peaaegu ette, mis oli tema masina töövedelik. Tol ajastul samastati auru õhuga, sellest annab tunnistust ka nimi, sest Aeolus käsutab tuult ehk õhku.
Aeolipile oli üldiselt täisväärtuslik soojusmasin, mis muutis põletatud kütuse energia mehaaniline energia pöörlemine võllil. Võib-olla oli see üks esimesi soojusmootoreid ajaloos. Tõsi, selle kasulikkus ei olnud endiselt täielik, kuna kasulikku tööd ei teinud leiutist.
Aeolipile kuulus teiste tol ajal tuntud mehhanismide hulgas nn automaatteatrisse, mis oli järgnevatel sajanditel väga populaarne ja oli tegelikult lihtsalt huvitav mänguasi, mille tulevik oli ebaselge.
Alates selle loomise hetkest ja üldiselt ajastust, mil inimesed kasutasid oma esimestes mehhanismides ainult "iseennast ilmselgelt avalduvaid" loodusjõude (tuulejõudu või langeva vee raskusjõudu) kuni enesekindlate inimeste alguseni. kütuse soojusenergia kasutamine vastloodud soojusmasinates, on möödunud rohkem kui sada aastat.
Esimesed sellised üksused olid aurumasinad. Tõelised töönäidised leiutati ja ehitati Inglismaal alles 17. sajandi lõpupoole ning neid kasutati söekaevandustest vee pumpamiseks. Hiljem ilmusid kolbmehhanismiga aurumasinad.
Seejärel, tehniliste teadmiste arenedes, "tuldi sündmuskohale erineva konstruktsiooniga kolb-sisepõlemismootorid, täiustatud ja kõrgema efektiivsusega mehhanismid". Nad kasutasid juba töövedelikuna gaasi (põlemissaadused) ja ei vajanud selle soojendamiseks mahukaid aurukatlaid.
Turbiinid soojusmasinate põhikomponentidena liikusid ka oma arengus sarnast teed. Ja kuigi ajaloos on mõnda eksemplari eraldi mainitud, ilmusid tähelepanuväärsed ja pealegi dokumenteeritud üksused, sealhulgas patenteeritud, alles 19. sajandi teisel poolel.
Kõik sai alguse paarist...
Just selle töövedeliku kasutamisega töötati välja peaaegu kõik turbiini (hiljem ka gaasiturbiini) kui soojusmasina olulise osa konstrueerimise põhiprintsiibid.
Lavali patenteeritud reaktiivturbiin.
Andeka Rootsi inseneri ja leiutaja arengud on selles osas üsna iseloomulikud. Gustave de Laval(Karl Gustaf Patrick de Laval). Tema toonane uurimistöö oli seotud ideega töötada välja uus piimaseparaator, millel oleks suurem ajami kiirus, mis võiks oluliselt tõsta tootlikkust.
Saavutage kõrgem pöörlemissagedus (rpm), kasutades tol ajal traditsioonilist (tõepoolest ainsat olemasolevat) kolvi aurumootor See polnud võimalik kõige olulisema elemendi – kolvi – suure inertsuse tõttu. Seda mõistes otsustas Laval proovida kolvi kasutamise lõpetada.
Nad ütlevad, et idee ise tekkis tal tööd jälgides liivapritsi masinad. 1883. aastal sai ta selles valdkonnas oma esimese patendi (Inglise patent nr 1622). Patenteeritud seadet kutsuti " Auru ja vee jõul töötav turbiin».
See oli S-kujuline toru, mille otstesse tehti kitsenevad otsikud. Toru paigaldati õõnesvõllile, mille kaudu juhiti düüsidesse auru. Põhimõtteliselt ei erinenud see kõik Aleksandria Heroni aeolipiilist.
Valmistatud seade töötas tolleaegse tehnoloogia jaoks suurte kiirustega üsna usaldusväärselt - 42 000 p / min. Pöörlemiskiirus ulatus 200 m/s. Aga sellisega head parameetrid turbiin oli äärmiselt madal kasutegur. Ja katsed seda olemasoleva tehnoloogiatasemega suurendada ei viinud midagi. Miks see juhtus?
——————-
Natuke teooriat... Natuke täpsemalt funktsioonidest....
Nimetatud kasutegur (tänapäevaste lennukiturbiinide puhul on see nn võimsus ehk efektiivne kasutegur) iseloomustab kulutatud (saadaval) energia kasutamise efektiivsust turbiini võlli ajamiseks. See tähendab, milline osa sellest energiast kulutati kasulikult võlli pööramiseks ja milline osa " läks kanalisatsiooni alla».
See lihtsalt lendas välja. Kirjeldatud turbiini tüübi jaoks, mida nimetatakse reaktiivmootoriks, on see väljend täpselt õige. Selline seade saab võllil pöörleva liikumise väljuva gaasivoo (või antud juhul auru) reaktsioonijõu toimel.
Turbiin kui dünaamilise paisumismasin, erinevalt mahumõõtmismasinatest (kolbmasinad), nõuab oma tööks mitte ainult töövedeliku (gaas, aur) kokkusurumist ja kuumutamist, vaid ka selle kiirendamist. Siin toimub laienemine (erimahu suurenemine) ja rõhu langus kiirenduse tõttu, eriti düüsis. Kolbmootoris toimub see silindrikambri mahu suurenemise tõttu.
Selle tulemusena muutub töövedeliku suur potentsiaalne energia, mis tekkis sellele põletatud kütuse soojusenergia tarnimise tulemusena, kineetiliseks energiaks (miinus muidugi erinevad kaod). Ja kineetiline (reaktiivturbiinis) reaktsioonijõudude kaudu - sisse mehaaniline töö võlli peal.
Ja kasutegur näitab, kui täielikult kineetiline energia antud olukorras mehaaniliseks energiaks muundub. Mida kõrgem see on, seda väiksema kineetilise energiaga vool düüsist väljub keskkond. Seda järelejäänud energiat nimetatakse " kaod koos väljundkiirusega", ja see on otseselt võrdeline väljamineva voolu kiiruse ruuduga (kõik mäletavad ilmselt mС 2/2).
Reaktiivturbiini tööpõhimõte.
Siin räägime nn absoluutkiirusest C. Väljaminev vool, täpsemalt iga selle osake, osaleb ju keerulises liikumises: sirgjooneline pluss pöörlemine. Seega on absoluutne kiirus C (fikseeritud koordinaatsüsteemi suhtes) võrdne turbiini pöörlemiskiiruse U ja suhtelise voolukiiruse W (kiirus düüsi suhtes) summaga. Summa on loomulikult vektor, nagu on näidatud joonisel.
Segneri ratas.
Minimaalsed kaod (ja maksimaalne efektiivsus) vastama minimaalne kiirus C, ideaaljuhul peaks see olema võrdne nulliga. Ja see on võimalik ainult siis, kui W ja U on võrdsed (nagu jooniselt näha). Sel juhul nimetatakse perifeerset kiirust (U). optimaalne.
Sellist võrdsust oleks lihtne saavutada hüdroturbiinidel (nt Segneri rattad), kuna nende jaoks mõeldud vedeliku väljavoolu kiirus düüsidest (sarnaselt kiirusega W) on suhteliselt väike.
Kuid see sama kiirus W gaasi või auru puhul on palju suurem vedeliku ja gaasi tiheduse suure erinevuse tõttu. Niisiis, suhteliselt madalal, vaid 5 atm rõhul. hüdroturbiin suudab toota väljalaskekiirust vaid 31 m/s ja auruturbiin - 455 m/s. Ehk siis selgub, et isegi üsna madalal rõhul (ainult 5 atm) peaks Lavali reaktiivturbiini kõrge efektiivsuse tagamiseks perifeerne kiirus olema üle 450 m/s.
Tolleaegse tehnoloogilise arengutaseme jaoks oli see lihtsalt võimatu. Seda ei saanud teha usaldusväärne disain nende parameetritega. Samuti ei olnud mõtet vähendada optimaalset perifeerset kiirust suhtelise kiiruse (W) vähendamisega, kuna seda saab teha ainult temperatuuri ja rõhu ning seega ka üldise efektiivsuse vähendamisega.
Aktiivne Lavali turbiin...
Lavali reaktiivturbiin ei andnud end edasiseks täiustamiseks. Vaatamata tehtud katsetele on asjad jõudnud ummikusse. Siis läks insener teist teed. 1889. aastal patenteeris ta teist tüüpi turbiini, mida hiljem nimetati aktiivseks. Välismaal (inglise keeles) nimetatakse seda nüüdseks impulssturbiin, see tähendab impulss.
Patendis nõutud seade koosnes ühest või mitmest fikseeritud düüsist, mis varustavad auru liikuva turbiiniratta (või ketta) veljele paigaldatud ämbrikujulisi labasid.
Lavali patenteeritud aktiivne üheastmeline auruturbiin.
Sellise turbiini tööprotsess on järgmine. Aur kiireneb düüsides kineetilise energia suurenemise ja rõhu langusega ning langeb töötavatele labadele, nende nõgusale osale. Löögi tagajärjel tiiviku labadele hakkab see pöörlema. Või võime ka öelda, et pöörlemine toimub joa impulsstegevuse tõttu. Sellest ka ingliskeelne nimi impulssturbiin.
Veelgi enam, abaluudevahelistes kanalites, millel on peaaegu konstantne ristlõige, vool ei muuda oma kiirust (W) ja rõhku, vaid muudab suunda ehk pöördub suurte nurkade all (kuni 180°). See tähendab, et düüsist väljumisel ja labadevahelise kanali sissepääsu juures: absoluutne kiirus C 1, suhteline W 1, perifeerne kiirus U.
Väljundis vastavalt C 2, W 2 ja sama U. Sel juhul 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.
See protsess on põhimõtteliselt näidatud lihtsustatud joonisel. Samuti on protsessi selgitamise lihtsustamiseks siin eeldatud, et absoluut- ja perifeerse kiiruse vektorid on peaaegu paralleelsed, vool muudab tiivikus suunda 180° võrra.
Auru (gaasi) vool aktiivse turbiini etapis.
Kui arvestada kiirusi absoluutväärtustes, siis näeme, et W 1 = C 1 – U ja C 2 = W 2 – U. Seega ülaltoodu põhjal optimaalse režiimi jaoks, kui kasutegur võtab maksimumväärtused ja kaod alates väljundkiirus kipub olema minimaalne (st C 2 = 0), meil on C 1 = 2U või U = C 1 /2.
Leiame selle aktiivse turbiini jaoks optimaalne perifeerne kiirus poole väiksem düüsist väljuva heitgaasi kiirus, st selline turbiin on poole vähem koormatud kui reaktiivturbiin ja suurema kasuteguri saavutamine on lihtsam.
Seetõttu jätkas Laval seda tüüpi turbiinide arendamist tulevikus. Vaatamata nõutava perifeerse kiiruse vähenemisele jäi see siiski üsna suureks, millega kaasnes võrdselt suured tsentrifugaal- ja vibratsioonikoormused.
Aktiivturbiini tööpõhimõte.
Selle tagajärjeks olid konstruktsiooni- ja tugevusprobleemid, samuti tasakaalunihete kõrvaldamise probleemid, mida lahendati sageli suurte raskustega. Lisaks oli veel teisigi tolleaegsetes tingimustes lahendamata ja lahendamatuid tegureid, mis lõppkokkuvõttes vähendasid selle turbiini efektiivsust.
Nende hulka kuulusid näiteks labade aerodünaamika ebatäiuslikkus, mis põhjustas suurenenud hüdraulilised kaod, samuti üksikute aurujugade pulseeriv toime. Tegelikult võivad ainult mõned või isegi üks tera olla aktiivsed labad, mis tajuvad nende jugade (või jugade) tegevust korraga. Ülejäänud liikusid jõude, tekitades täiendavat vastupanu (auru atmosfääris).
Sellel on turbiinid temperatuuri ja aururõhu tõstmisega ei olnud võimalik võimsust suurendada, kuna see tooks kaasa perifeerse kiiruse suurenemise, mis oli samade disainiprobleemide tõttu täiesti vastuvõetamatu.
Lisaks oli võimsuse suurendamine (koos perifeerse kiiruse suurenemisega) sobimatu ka muul põhjusel. Turbiini energia tarbijateks olid sellega võrreldes madala kiirusega seadmed (selleks planeeriti elektrigeneraatorid). Seetõttu pidi Laval välja töötama spetsiaalsed käigukastid turbiini võlli kinemaatiliseks ühendamiseks tarbijavõlliga.
Lavali aktiivse turbiini ja selle käigukasti masside ja mõõtmete suhe.
Nende võllide suure pöörete erinevuse tõttu olid käigukastid ülimahukad ning sageli mõõtmetelt ja kaalult oluliselt suuremad kui turbiin ise. Selle võimsuse suurendamine tooks kaasa selliste seadmete suuruse veelgi suurema suurenemise.
Lõpuks Laval aktiivne turbiin oli suhteliselt väikese võimsusega agregaat (tööüksused kuni 350 hj), pealegi kallis (tänu suurele parenduskomplektile) ja koos käigukastiga oli ka üsna kobakas. Kõik see muutis selle konkurentsivõimetuks ja välistas massilise rakenduse.
Huvitav fakt on see konstruktiivne põhimõte Lavali aktiivturbiini ei leiutanud tegelikult tema. Isegi 250 aastat enne tema uurimistöö ilmumist ilmus 1629. aastal Roomas Itaalia inseneri ja arhitekti Giovanni Branca raamat "Le Machine" ("Masinad").
Muude mehhanismide hulgas sisaldas see "aururatta" kirjeldust, mis sisaldas kõiki Lavali ehitatud põhikomponente: aurukatel, auru etteandetoru (düüs), aktiivne turbiini tiivik ja isegi käigukast. Seega olid kõik need elemendid juba ammu enne Lavalit teada ja tema eelis seisnes selles, et ta pani need kõik tõeliselt koos töötama ja oli väga kaasatud keerulised küsimused mehhanismi kui terviku parandamine.
Giovanni Branca auruturbiin.
Huvitaval kombel üks kõige enam tuntud omadused tema turbiin oli düüsi konstruktsioon (seda oli samas patendis eraldi mainitud), mis varustab rootori labasid auruga. Siin sai tavalisest kitsenevast otsikust, nagu see oli reaktiivturbiinil kokkutõmbumine-laienemine. Seejärel hakati seda tüüpi otsikuid nimetama Lavali düüsideks. Need võimaldavad gaasi (auru) voolu kiirendada üsna väikeste kadudega ülehelikiiruseni. Nende kohta.
Seega oli peamine probleem, millega Laval oma turbiinide arendamisel vaeva nägi ja millest ta kunagi üle ei saanud, suur perifeerne kiirus. Sellele probleemile on aga juba välja pakutud üsna tõhus lahendus ja kummalisel kombel isegi Laval ise.
Mitmeastmeline….
Samal aastal (1889), kui patenteeriti ülalkirjeldatud aktiivturbiin, töötas insener välja aktiivturbiini, mille ühele tiivikule (kettale) oli paigaldatud kaks paralleelset rida rootorilabasid. See oli nö kaheastmeline turbiin.
Töötavatele labadele juhiti auru, nagu ka üheastmelises, läbi düüsi. Kahe tööterade rea vahele paigaldati fikseeritud labade rida, mis suunas esimese astme labadest väljuva voolu teise astme tööteradele.
Kui kasutada üheastmelise reaktiivturbiini (Laval) perifeerse kiiruse määramiseks ülal pakutud lihtsustatud põhimõtet, siis selgub, et kaheastmelise turbiini puhul ei ole pöörlemiskiirus enam kaks, vaid neli korda väiksem heitgaasi kiirusest. düüsist.
Curtise ratta põhimõte ja parameetrite muutmine selles.
See on kõige tõhusam lahendus madala optimaalse perifeerse kiiruse probleemile, mille Laval välja pakkus, kuid mida ei kasutanud ja mida kasutatakse aktiivselt kaasaegsetes nii auru- kui gaasiturbiinides. Mitmeastmeline…
See tähendab, et kogu turbiini suurt saadaolevat energiat saab mingil viisil jagada osadeks vastavalt astmete arvule ja iga selline osa aktiveeritakse eraldi etapis. Mida madalam on see energia, seda väiksem on töövedeliku (aur, gaas) töölabadesse sisenemise kiirus ja seega ka optimaalne perifeerne kiirus.
See tähendab, et muutes turbiini astmete arvu, saate muuta selle võlli pöörlemiskiirust ja vastavalt sellele ka koormust. Lisaks võimaldab mitmeastmeline töö turbiini juhtida suurte energiaerinevustega, st suurendada selle võimsust, säilitades samal ajal kõrged efektiivsusnäitajad.
Laval ei patenteerinud oma kaheastmelist turbiini, kuigi prototüüp tehti, nii et see kannab Ameerika inseneri Charles Curtise nime (Curtise ratas (või ketas), kes sai 1896. aastal sarnase seadme patendi.
Kuid palju varem, aastal 1884, töötas inglise insener Charles Algernon Parsons välja ja patenteeris esimese päris mitmeastmeline auruturbiin. Erinevad teadlased ja insenerid väitsid enne teda palju olemasoleva energia etappideks jagamise kasulikkuse kohta, kuid tema oli esimene, kes selle idee riistvarasse tõlkis.
Mitmeastmeline aktiivreaktsioon Parsonsi turbiin (lahtivõetud).
Samal ajal tema turbiin oli funktsioon, mis tõi selle kaasaegsetele seadmetele lähemale. Selles paisus ja kiirenes aur mitte ainult fikseeritud labadega moodustatud düüsides, vaid osaliselt ka spetsiaalselt profileeritud tööterade moodustatud kanalites.
Seda tüüpi turbiini nimetatakse tavaliselt reaktiivturbiiniks, kuigi nimi on üsna meelevaldne. Tegelikult on see vahepealne positsioon puhtalt reaktiivse Heron-Lavali turbiini ja puhtalt aktiivse Laval-Branca turbiini vahel. Tänu oma disainile ühendavad tööterad aktiivsed ja reaktiivne põhimõte s üldises protsessis. Seetõttu oleks õigem nimetada sellist turbiini aktiivne-reaktiivne, mida sageli tehakse.
Mitmeastmelise Parsonsi turbiini skeem.
Parsons töötas erinevat tüüpi mitmeastmeliste turbiinide kallal. Tema kujunduste hulgas ei olnud mitte ainult ülalkirjeldatud aksiaalseid (töövedelik liigub mööda pöörlemistelge), vaid ka radiaalseid (aur liigub radiaalsuunas). Üsna tuntud on tema kolmeastmeline puhtaktiivturbiin “Heron”, milles kasutatakse nn Heroni rattaid (olemus on sama, mis eolipiilil).
Reaktiivturbiin "Heron".
Seejärel, alates 1900. aastate algusest, sai auruturbiinide ehitus kiiresti hoogu juurde ja Parsons oli selle esirinnas. Selle mitmeastmelised turbiinid olid varustatud mereväe laevadega, algul katsealuste (laev "Turbinia", 1896, veeväljasurve 44 tonni, kiirus 60 km/h - tolle aja kohta enneolematu), seejärel sõjaliste (näide - lahingulaev "Dreadnought", 18000). tonni, kiirus 40 km/h, turbiini võimsus 24 700 hj) ja reisija (näide - sama tüüpi "Mauritania" ja "Lusitania", 40 000 tonni, kiirus 48 km/h, turbo võimsus 70 000 hj). Samal ajal algas statsionaarsete turbiinide ehitamine näiteks turbiinide paigaldamisega ajamitena elektrijaamadesse (Edison Company Chicagos).
Gaasiturbiinide kohta...
Tuleme aga tagasi oma põhiteema - lennunduse juurde ja märkige üks üsna ilmselge asi: nii selgelt nähtav edu auruturbiinide töös võis omada vaid struktuurset ja põhimõttelist tähendust lennundusele, mis täpselt samal ajal oma arengus kiiresti edenes.
Rakendus auruturbiin arusaadavatel põhjustel oli see lennukite elektrijaamana äärmiselt kaheldav. Lennundusturbiin võiks olla ainult põhimõtteliselt sarnane, kuid palju tulusam gaasiturbiin. Kõik polnud siiski nii lihtne...
60ndatel populaarse raamatu “Mootoriloojad” autori Lev Gumiljovski sõnul oli ühel päeval, 1902. aastal, auruturbiiniehituse kiire arengu alguse perioodil, Charles Parsons tegelikult üks peamisi ideolooge. selle ettevõtte kohta esitati üldiselt humoorikas küsimus: " Kas gaasimootorit on võimalik “parsoneerida”?"(mis viitab turbiinile).
Vastus väljendati absoluutselt otsustavas vormis: “ Ma arvan, et gaasiturbiini ei teki kunagi. Selle jaoks pole kahte võimalust." Insenerist ei saanud prohvetit, kuid kahtlemata oli tal põhjust seda öelda.
Gaasiturbiini kasutamine, eriti kui peame silmas selle kasutamist lennunduses auruturbiini asemel, oli muidugi ahvatlev, sest selle positiivsed küljed on ilmselged. Kõigi oma võimsusvõimaluste juures ei vaja see auru genereerimiseks suuri, mahukaid seadmeid - katlaid ega sama suuri jahutusseadmeid ja -süsteeme - kondensaatoreid, jahutustorne, jahutustiike jne.
Gaasiturbiinmootori kütteseade on väike, kompaktne, mis asub mootori sees ja põletab kütust otse õhuvoolus. Ja tal lihtsalt pole külmkappi. Õigemini, see on olemas, aga eksisteerib justkui virtuaalselt, sest heitgaas juhitakse atmosfääri, milleks on külmkapp. Ehk siis kõik soojusmasina jaoks vajalik on olemas, kuid samas on kõik kompaktne ja lihtne.
Tõsi, auruturbiinitehas saab hakkama ka ilma “päris külmikuta” (ilma kondensaatorita) ja auru otse atmosfääri lasta, kuid siis võib efektiivsuse unustada. Selle näiteks on auruvedur - tegelik kasutegur on umbes 6%, 90% selle energiast lendab välja korstnasse.
Kuid selliste käegakatsutavate eelistega on ka olulisi puudusi, mis üldiselt said Parsonsi kategoorilise vastuse aluseks.
Töövedeliku kokkusurumine järgnevaks töötsükli rakendamiseks, sh. ja turbiinis...
Auruturbiini tehase töötsüklis (Rankine'i tsükkel) on vee kokkusurumise töö väike ja nõuded seda funktsiooni täitvale pumbale ja selle kasutegur seetõttu samuti väikesed. Gaasiturbiinmootori tsüklis, kus õhk surutakse kokku, on see töö vastupidi väga muljetavaldav ja suurem osa turbiini olemasolevast energiast kulutatakse sellele.
See vähendab kasuliku töö osakaalu, milleks turbiini saab projekteerida. Seetõttu on õhusurumisseadmele esitatavad nõuded selle efektiivsuse ja ökonoomsuse osas väga kõrged. Kaasaegsete lennukite gaasiturbiinmootorite (peamiselt aksiaalmootorite), aga ka statsionaarsete seadmete kompressorid koos turbiinidega on keerulised ja kallid seadmed. Nende kohta.
Temperatuur…
See on gaasiturbiinide, sealhulgas lennundusturbiinide peamine probleem. Fakt on see, et kui auruturbiini paigaldises on töövedeliku temperatuur pärast paisumisprotsessi lähedane jahutusvee temperatuurile, siis gaasiturbiinis ulatub see mitmesaja kraadini.
See tähendab, et atmosfääri (nagu külmkappi) eraldub suur hulk energiat, mis loomulikult mõjutab negatiivselt kogu töötsükli efektiivsust, mida iseloomustab soojuslik kasutegur: η t = Q 1 – Q 2 / Q 1 . Siin on Q 2 sama energia, mis vabaneb atmosfääri. Q 1 – küttekehast (põlemiskambris) protsessile antav energia.
Selle efektiivsuse suurendamiseks on vaja suurendada Q 1, mis võrdub temperatuuri tõstmisega turbiini ees (see tähendab põlemiskambris). Kuid tõsiasi on see, et seda temperatuuri pole alati võimalik tõsta. Selle maksimaalset väärtust piirab turbiin ise ja peamine tingimus on siin tugevus. Turbiin töötab väga rasketes tingimustes, kui kõrge temperatuur kombineeritakse suurte tsentrifugaalkoormustega.
Just see tegur on alati piiranud gaasiturbiinmootorite võimsust ja tõukejõudu (sõltub suuresti temperatuurist) ning on sageli saanud turbiinide keerukuse ja kallinemise põhjuseks. Selline olukord on jätkunud ka meie ajal.
Ja Parsonsi ajal ei suutnud ei metallurgiatööstus ega aerodünaamiline teadus veel pakkuda lahendust tõhusa ja ökonoomse kompressori ja kõrge temperatuuriga turbiini loomise probleemidele. Puudus ei vastav teooria ega ka vajalikud kuuma- ja kuumakindlad materjalid.
Ja siiski oli katseid...
Sellegipoolest, nagu tavaliselt juhtub, oli inimesi, kes ei kartnud (või võib-olla ei saanud aru :-)) võimalikud raskused. Gaasiturbiini loomise katsed ei peatunud.
Veelgi enam, on huvitav, et Parsons ise märkis oma "turbiini" tegevuse koidikul oma esimeses mitmeastmelise turbiini patendis võimalust, et see võib lisaks aurule töötada ka kütuse põlemisproduktidel. Seal peeti ka seda võimalik variant gaasiturbiinmootor töötab vedelkütus kompressori, põlemiskambri ja turbiiniga.
Suitsu sülitamine.
Näited gaasiturbiinide kasutamisest, millel puudub teooria, on tuntud juba pikka aega. Ilmselt kasutas isegi Heron "automaatide teatris" õhujoa turbiini põhimõtet. Niinimetatud "suitsuvardad" on üsna laialt tuntud.
Ja juba mainitud itaallase (insener, arhitekt, Giovanni Branca, Le Machine) Giovanni Branca raamatus on joonis “ Tule ratas" Selles pöörleb turbiini ratas koos tule (või kolde) põlemisproduktidega. Huvitav on see, et Branca ise ei ehitanud enamikku oma autodest, vaid avaldas ainult ideid nende loomiseks.
Giovanni Branca "Tuleratas".
Kõigis neis "suitsu- ja tuleratastes" puudus õhu (gaasi) kokkusurumisaste ja ka kompressor kui selline. Potentsiaalse energia, st kütuse põlemisel tarnitud soojusenergia muundamine kineetiliseks energiaks (kiirenduseks) gaasiturbiini pöörlemiseks toimus ainult gravitatsiooni mõjul, kui soojad massid tõusid ülespoole. See tähendab, et kasutati konvektsiooni fenomeni.
Muidugi on sellised “ühikud” päris masinate jaoks, näiteks sõitmiseks Sõiduk ei saanud kasutada. 1791. aastal patenteeris inglane John Barber aga “hobusteta transpordimasina”, mille üheks olulisemaks komponendiks oli gaasiturbiin. See oli esimene ametlikult registreeritud patent gaasiturbiinile.
John Barberi mootor gaasiturbiiniga.
Masin kasutas spetsiaalsetes gaasigeneraatorites (retortides) kuumutatud puidust, kivisöest või õlist saadud gaasi, mis pärast jahutamist sisenes kolbkompressorisse, kus see koos õhuga kokku suruti. Järgmisena juhiti segu põlemiskambrisse ja seejärel keerati põlemissaadused ringi turbiin. Põlemiskambrite jahutamiseks kasutati vett ning tekkiv aur suunati ka turbiini.
Toonane tehnoloogia arengutase ei võimaldanud ideed ellu viia. Praeguse gaasiturbiiniga Barberi masina mudeli ehitas Kraftwerk-Union AG alles 1972. aastal Hannoveri tööstusmessi jaoks.
Kogu 19. sajandi jooksul edenes gaasiturbiini kontseptsiooni väljatöötamine ülalkirjeldatud põhjustel äärmiselt aeglaselt. Tähelepanu väärivaid näiteid oli vähe. Kompressor ja kõrge temperatuur jäid ületamatuks komistuskiviks. Õhu kokkusurumiseks on üritatud kasutada ventilaatorit, samuti on kasutatud vett ja õhku konstruktsioonielementide jahutamiseks.
Mootor F. Stolze. 1 - aksiaalkompressor, 2 - aksiaalne turbiin, 3 - soojusvaheti.
Tuntud on saksa inseneri Franz Stolze gaasiturbiinmootori näide, patenteeritud 1872. aastal ja mis on disainilt väga sarnane tänapäevaste gaasiturbiinmootoritega. Selles asusid samal võllil mitmeastmeline aksiaalkompressor ja mitmeastmeline aksiaalturbiin.
Pärast regeneratiivse soojusvaheti läbimist jagati õhk kaheks osaks. Üks sisenes põlemiskambrisse, teine segati enne turbiini sisenemist põlemisproduktidega, vähendades nende temperatuuri. See on nn sekundaarne õhk, ja selle kasutamine on tänapäevastes gaasiturbiinmootorites laialdaselt kasutatav tehnika.
Stolze mootorit testiti aastatel 1900-1904, kuid see osutus kompressori madala kvaliteedi ja turbiini ees oleva madala temperatuuri tõttu äärmiselt ebaefektiivseks.
Suurema osa 20. sajandi esimesest poolest ei suutnud gaasiturbiin kunagi aktiivselt konkureerida auruturbiiniga ega saada osaks gaasiturbiinmootorist, mis suudaks kolb-sisepõlemismootorit piisavalt asendada. Selle kasutamine mootorites oli peamiselt abiline. Näiteks nagu laadimisüksused kolbmootorites, sealhulgas lennukites.
Kuid 40ndate algusest hakkas olukord kiiresti muutuma. Lõpuks loodi uued kuumakindlad sulamid, mis võimaldasid radikaalselt tõsta turbiini ees oleva gaasi temperatuuri (kuni 800˚C ja kõrgemale) ning ilmusid üsna ökonoomsed ja kõrge efektiivsusega sulamid.
See mitte ainult ei võimaldanud ehitada tõhusaid gaasiturbiinmootoreid, vaid ka tänu nende võimsuse kombinatsioonile suhtelise kerguse ja kompaktsusega kasutada neid lennukites. Algas reaktiivlennunduse ja lennukite gaasiturbiinmootorite ajastu.
Turbiinid lennukite gaasiturbiinmootorites…
Niisiis... Turbiinide peamine kasutusvaldkond lennunduses on gaasiturbiinmootorid. Siinne turbiin teeb raske töö ära – paneb kompressorit pöörlema. Veelgi enam, gaasiturbiinmootoris, nagu igas soojusmasinas, on paisumistöö suurem kui kokkusurumistöö.
Ja turbiin on just nimelt paisumasin ja see kulutab ainult osa gaasivoolu saadaolevast energiast kompressorile. Ülejäänud osa (mõnikord nimetatakse tasuta energiat) saab kasutada kasulikel eesmärkidel olenevalt mootori tüübist ja konstruktsioonist.
Skeem TVAD Makila 1a1 vaba turbiiniga.
Turbovõlli mootor AMAKILA 1A1.
Kaudse reaktsiooniga mootorite puhul, nagu (helikopteri gaasiturbiinmootorid), kulub see propelleri pööramisele. Sel juhul jaguneb turbiin enamasti kaheks osaks. Esimene on kompressori turbiin. Teine, kruvi keeramine, on nn vaba turbiin. See pöörleb iseseisvalt ja on kompressori turbiiniga ühendatud ainult gaasidünaamiliselt.
Otsereaktsiooniga mootorites (reaktiivmootorites või reaktiivmootorites) kasutatakse turbiini ainult kompressori käitamiseks. Ülejäänud vaba energia, mis pöörab vaba turbiini TVAD-is, aktiveeritakse düüsis, muutudes kineetiliseks energiaks, et tekitada joa tõukejõudu.
Nende äärmuste vahel asuvad keskel. Nendes kulub osa vabast energiast propelleri juhtimiseks ja osa moodustab väljundseadmes (düüsis) joa tõukejõu. Tõsi, selle osakaal kogu mootori tõukejõus on väike.
Ühevõllilise turbopropellermootori DART RDa6 skeem. Turbiin ühisel mootorivõllil.
Rolls-Royce DART RDa6 turbopropeller ühe võlliga mootor.
Konstruktsioonilt võivad turbopropellermootorid olla ühevõllilised, milles vaba turbiin ei ole konstruktsiooniliselt eraldatud ning ühe üksusena käitab nii kompressorit kui ka propellerit korraga. Näide Rolls-Royce DART RDa6 teatrist, aga ka meie kuulsast AI-20 teatrist.
Võib olla ka turbopropellermootor, millel on eraldi vaba turbiin, mis käitab sõukruvi ja mis ei ole mehaaniliselt ühendatud ülejäänud mootorikomponentidega (gaas-dünaamiline sidestus). Näiteks võib tuua erinevate modifikatsioonide (lennukite) mootori PW127 või Pratt & Whitney Canada PT6A turbopropellermootori.
Pratt & Whitney Canada PT6A skeem vaba turbiiniga.
Mootor Pratt & Whitney Kanada PT6A.
Vaba turbiiniga PW127 turbopropellermootori skeem.
Loomulikult hõlmab igat tüüpi gaasiturbiinmootorite kandevõime ka agregaate, mis tagavad mootori ja lennukisüsteemide töö. Tavaliselt on need pumbad, kütuse- ja hüdrogeneraatorid, elektrigeneraatorid jne. Kõiki neid seadmeid juhitakse kõige sagedamini turboülelaaduri võllilt.
Turbiinide tüüpide kohta.
Tüüpe on tegelikult päris mitu. Näiteks mõned nimetused: aksiaal-, radiaal-, diagonaal-, radiaal-aksiaal-, pöördlaba- jne. Lennunduses kasutatakse ainult kahte esimest ja radiaal on üsna haruldane. Mõlemad turbiinid said nime vastavalt neis oleva gaasivoolu iseloomule.
Radiaalne.
Radiaalselt voolab see mööda raadiust. Pealegi radiaalses lennuki turbiin kasutatakse tsentripetaalset voolusuunda, mis tagab suurema efektiivsuse (mittelennunduses on ka tsentrifugaalsuund).
Radiaalne turbiini aste koosneb tiivikust ja fikseeritud labadest, mis moodustavad voolu selle sisselaskeava juures. Terad on profileeritud nii, et labadevahelised kanalid on kitseneva konfiguratsiooniga, st need on düüsid. Kõiki neid labasid koos kereelementidega, millele need on paigaldatud, nimetatakse düüsiaparaat.
Radiaaltsentripetaalturbiini skeem (koos selgitustega).
Tööratas on spetsiaalselt profileeritud labadega tiivik. Tööratas pöörleb üles, kui gaas läbib labade vahelisi ahenevaid kanaleid ja mõjutab labasid.
Radiaalse tsentripetaalse turbiini tiivik.
Radiaalsed turbiinid Need on üsna lihtsad, nende tiivikutel on väike arv labasid. Radiaalturbiini võimalikud ringkiirused tiiviku samade pingete korral on suuremad kui aksiaalturbiinil, seega võib see genereerida suuremaid energiakoguseid (soojustilku).
Kuid need turbiinid on väikese voolualaga ja ei taga piisavat gaasivoolu samade mõõtmetega võrreldes aksiaalturbiinidega. Teisisõnu on neil liiga suured suhtelised diametraalsed mõõtmed, mis raskendab nende paigutamist ühte mootorisse.
Lisaks on suurte hüdrauliliste kadude tõttu keeruline luua mitmeastmelisi radiaalturbiine, mis piirab gaasi paisumise astet neis. Samuti on selliseid turbiine raske jahutada, mis vähendab gaasi võimalikke maksimumtemperatuure.
Seetõttu on radiaalturbiinide kasutamine lennunduses piiratud. Neid kasutatakse peamiselt väikese gaasikuluga väikese võimsusega seadmetes, kõige sagedamini abimehhanismides ja -süsteemides või mudellennukite ja väikeste mehitamata õhusõidukite mootorites.
Esimene Heinkel He 178 reaktiivlennuk.
Heinkel HeS3 radiaalturbiiniga turboreaktiivmootor.
Üks väheseid näiteid radiaalturbiini kasutamisest tõukejõu lennuki reaktiivmootori komponendina on esimese tõelise reaktiivlennuki, Heinkel He 178 turboreaktiivlennuki Heinkel HeS 3 mootor. Fotol on selgelt näha sellise turbiini lavaelemendid. Selle mootori parameetrid olid täielikult kooskõlas selle kasutamise võimalusega.
Aksiaalne lennuki turbiin.
See on ainus turbiinitüüp, mida praegu kasutatakse keskmise lennuga lennukite gaasiturbiinmootorites. Sellisest turbiinist mootoris saadava võlli mehaanilise töö peamiseks allikaks on tiivikud või täpsemalt tiiviku labad (RL), mis on paigaldatud nendele tiivikutele ja interakteeruvad energeetiliselt laetud gaasivooluga (surutud ja kuumutatud).
Töötajate ette paigaldatud statsionaarsete labade kroonid korraldavad voolu õige suuna ja osalevad gaasi potentsiaalse energia muundamisel kineetiliseks energiaks, st kiirendavad seda paisumisprotsessis voolu langusega. survet.
Neid labasid koos korpuse elementidega, millele need on paigaldatud, nimetatakse düüsiaparaat(SA). Düüsiseade koos töötavate labadega on turbiini aste.
Protsessi olemus... Öeldu üldistamine...
Eespool nimetatud koostoime käigus töölabadega muundub voolu kineetiline energia mehaaniliseks energiaks, mis pöörab mootori võlli.Selline transformatsioon aksiaalturbiinis võib toimuda kahel viisil:
Näide üheastmelisest aktiivturbiinist. Näidatakse parameetrite muutust teekonnal.
1. Muutmata rõhku ja seega ka suhtelise voolukiiruse suurust (muutub märgatavalt ainult selle suund – voolu pöörlemine) turbiiniastmes; 2. Rõhu langusega, suhtelise voolukiiruse suurenemisega ja selle suuna mõningase muutumisega etapis.
Esimesel meetodil töötavaid turbiine nimetatakse aktiivseteks. Gaasivool mõjutab aktiivselt (impulsid) labasid, kuna nende ümber voolates muutub selle suund. Teise meetodiga - reaktiivturbiinid. Siin mõjutab vool lisaks impulssefektile ka kaudselt (lihtsamalt öeldes) rootori labasid, kasutades reaktiivjõudu, mis suurendab turbiini võimsust. Täiendav reaktiivne toime saavutatakse rootori labade spetsiaalse profiiliga.
Eespool mainiti kõigi turbiinide (mitte ainult lennundusturbiinide) aktiivsuse ja reaktsioonivõime mõisteid üldiselt. Kaasaegsetes lennukite gaasiturbiinmootorites kasutatakse aga ainult aksiaalseid reaktiivturbiine.
Parameetrite muutmine aksiaalse gaasiturbiini etapis.
Kuna jõu mõju radarile on kahekordne, nimetatakse ka selliseid aksiaalturbiine aktiivne-reaktiivne, mis on ehk õigem. Seda tüüpi turbiinid on aerodünaamiliselt soodsamad.
Sellise turbiini staadiumis sisalduva düüsiseadme fikseeritud labadel on suur kumerus, mille tõttu labadevahelise kanali ristlõige väheneb sisselaskeavast väljavooluni, see tähendab, et ristlõige f 1 on väiksem. kui ristlõige f 0 . Tulemuseks on kitseneva jugaotsiku profiil.
Nendele järgnevatel tööterad on samuti suurema kumerusega. Lisaks paiknevad need vastutuleva voolu (vektor W 1) suhtes nii, et vältida selle purunemist ja tagada õige vool tera ümber. Teatud raadiuste juures moodustab RL ka kitsenevaid abaluudevahelisi kanaleid.
Lavatöö lennundusturbiin.
Gaas läheneb düüsiaparaadile aksiaalsele lähedase liikumissuunaga ja kiirusega C 0 (allhelikiirus). Rõhk voolus P 0, temperatuur T 0. Abaluudevahelist kanalit läbides kiireneb vool kiiruseni C 1 pöördega nurga α 1 = 20°-30° peale. Sel juhul langevad rõhk ja temperatuur vastavalt väärtustele P 1 ja T 1. Osa voolu potentsiaalsest energiast muundatakse kineetiliseks energiaks.
Pilt gaasivoolu liikumisest aksiaalturbiini etapis.
Kuna tööterad liiguvad perifeerse kiirusega U, siseneb vool RL-i labadevahelisse kanalisse suhtelise kiirusega W 1, mis on määratud C 1 ja U vahega (vektoriliselt). Kanalit läbides interakteerub vool labadega, tekitades neile aerodünaamilised jõud P, mille ringkomponent P u paneb turbiini pöörlema.
Teradevahelise kanali ahenemise tõttu kiireneb vool kiiruseni W 2 (reaktiivprintsiip), samal ajal ka pöörleb (aktiivprintsiip). Voolu absoluutne kiirus C 1 väheneb väärtuseks C 2 - voolu kineetiline energia muundatakse turbiini võllil mehaaniliseks energiaks. Rõhk ja temperatuur langevad vastavalt väärtustele P 2 ja T 2.
Astme läbimisel absoluutne voolukiirus suureneb C 0-lt veidi kiiruse C 2 aksiaalprojektsioonini. Kaasaegsetes turbiinides on selle projektsiooni väärtus etapi kohta 200–360 m/s.
Samm on profileeritud nii, et nurk α 2 on 90° lähedal. Erinevus on tavaliselt 5-10°. Seda tehakse tagamaks, et C 2 väärtus on minimaalne. See on eriti oluline turbiini viimase etapi jaoks (esimesel või keskmisel etapil, kõrvalekalded täisnurk kuni 25°). Selle põhjuseks on kaotus koos väljundkiirusega, mis sõltuvad lihtsalt kiiruse C 2 suurusest.
Need on samad kaod, mis omal ajal ei andnud Lavalile võimalust oma esimese turbiini efektiivsust tõsta. Kui mootor on reaktiivmootor, saab järelejäänud energiat kasutada düüsis. Aga näiteks helikopteri mootori puhul, mis ei kasuta reaktiivtõukejõudu, on oluline, et voolukiirus turbiini viimase astme taga oleks võimalikult väike.
Seega toimub aktiiv-reaktiivse turbiini etapis gaasi paisumine (rõhu ja temperatuuri langus), energia muundamine ja aktiveerimine (soojuserinevus) mitte ainult SA-s, vaid ka tiivikus. Nende funktsioonide jaotust RC ja SA vahel iseloomustab mootoriteooria parameeter nn reaktsioonivõime aste ρ.
See võrdub tiiviku soojuslanguse ja kogu etapi soojuslanguse suhtega. Kui ρ = 0, siis on aste (või kogu turbiin) aktiivne. Kui ρ > 0, siis on aste reaktiivne või täpsemalt meie puhul aktiivne-reaktiivne. Kuna tööterade profileerimine varieerub piki raadiust, arvutatakse see parameeter (nagu ka mõned teised) keskmise raadiuse järgi (jaotis B-B parameetrite muutumise joonisel etapis).
Aktiivreaktsiooniga turbiini töölaba konfiguratsioon.
Rõhu muutus aktiivreaktiivse turbiini radari laba pikkuses.
Kaasaegsete gaasiturbiinmootorite puhul jääb turbiinide reaktsioonivõime vahemikku 0,3-0,4. See tähendab, et tiivikus käivitatakse vaid 30-40% astme (või turbiini) kogu soojuslangusest. 60-70% aktiveeritakse düüsiaparaadis.
Midagi kaotustest.
Nagu juba mainitud, muudab iga turbiin (või selle aste) talle tarnitud vooluenergia mehaaniliseks tööks. Kuid tegelikus üksuses võib sellel protsessil olla erinev efektiivsus. Osa olemasolevast energiast läheb tingimata raisku, see tähendab, et see muutub kadudeks, millega tuleb arvestada ja võtta meetmeid nende minimeerimiseks, et tõsta turbiini efektiivsust ehk suurendada selle efektiivsust.
Kaod koosnevad hüdro- ja kaotus väljundkiirusega. Hüdraulilised kaod hõlmavad profiili- ja lõppkadusid. Profiil on tegelikult hõõrdekaod, kuna teatud viskoossusega gaas interakteerub turbiini pindadega.
Tavaliselt on sellised kaod tiivikus umbes 2–3% ja düüsiseadmes 3–4%. Meetmed kadude vähendamiseks seisnevad vooluosa “parandamises” arvutuste ja katsete abil, samuti kiiruse kolmnurkade korrektses arvutamises voolu jaoks turbiiniastmes või täpsemalt eelistatava perifeerse kiiruse U valimises antud kiirusel C 1 . Neid toiminguid iseloomustab tavaliselt U/C 1 parameeter. Perifeerne kiirus turboreaktiivmootori keskmise raadiuse juures on 270 – 370 m/s.
Turbiiniastme voolutee hüdrauliline täiuslikkus võtab arvesse sellist parameetrit nagu adiabaatiline efektiivsus. Mõnikord nimetatakse seda ka labadeks, kuna see võtab arvesse hõõrdekadusid astmelabades (SA ja RL). Turbiinil on veel üks tõhususe tegur, mis iseloomustab seda konkreetselt kui energiat tootvat seadet, see tähendab, mil määral kasutatakse olemasolevat energiat võlli töö loomiseks.
See on nn võimsuse (või efektiivse) efektiivsus. See võrdub võlli töö ja saadaoleva soojuslanguse suhtega. See tõhusus võtab arvesse kadusid koos väljundkiirusega. Tavaliselt moodustavad need turboreaktiivmootorite puhul umbes 10-12% (tänapäevaste turboreaktiivmootorite puhul C 0 = 100-180 m/s, C 1 = 500-600 m/s, C 2 = 200-360 m/s).
Kaasaegsete gaasiturbiinmootorite puhul on adiabaatilise efektiivsuse väärtus umbes 0,9–0,92 jahutamata turbiinide puhul. Kui turbiini jahutada, võib see kasutegur olla 3-4% väiksem. Energiatõhusus on tavaliselt 0,78 - 0,83. See on väljundkiirusel tekkivate kadude arvu võrra väiksem kui adiabaatiline.
Mis puudutab lõppkaotusi, siis need on nn. voolukaod" Vooluosa ei saa ülejäänud mootorist täielikult eraldada pöörlevate komponentide olemasolu tõttu koos statsionaarsetega (korpused + rootor). Seetõttu kipub kõrge rõhuga piirkondadest pärit gaas voolama madala rõhuga piirkondadesse. Eelkõige näiteks töölaba ees olevast piirkonnast selle taga asuvasse piirkonda läbi laba tiiviku ja turbiini korpuse vahelise radiaalse pilu.
Selline gaas ei osale vooluenergia mehaaniliseks energiaks muundamise protsessis, kuna see ei suhtle selles osas labadega, st tekivad lõppkadud (või radiaalse kliirensi kaod). Need moodustavad umbes 2-3% ja mõjutavad negatiivselt nii adiabaatilist kui ka võimsusefektiivsust, vähendavad gaasiturbiinmootorite efektiivsust ja üsna märgatavalt.
Näiteks on teada, et radiaalse kliirensi suurenemine 1 mm-lt 5 mm-le 1 m läbimõõduga turbiini puhul võib kaasa tuua suurenemise. spetsiifiline tarbimine kütust mootoris rohkem kui 10%.
On selge, et radiaalsest kliirensist on võimatu täielikult vabaneda, kuid nad püüavad seda minimeerida. See on üsna raske, sest lennuki turbiin– seade on tugevalt koormatud. Kõikide lõhe suurust mõjutavate tegurite täpne arvestamine on üsna keeruline.
Mootori töörežiimid muutuvad sageli, mis tähendab töölabade, ketaste, millele need on paigaldatud, ja turbiini korpuste deformatsiooni suurust temperatuuri, rõhu ja tsentrifugaaljõudude muutumise tagajärjel.
Labürindi pitser.
Siin on vaja arvestada mootori pikaajalise töötamise ajal tekkiva jääkdeformatsiooni suurust. Lisaks mõjutavad lennuki evolutsioonid rootori deformatsiooni, mis muudab ka pilude suurust.
Tavaliselt hinnatakse vahet pärast sooja mootori seiskamist. Sellisel juhul jahtub õhuke väliskest kiiremini kui massiivsed kettad ja võll ning läbimõõdu vähenedes puudutab terasid. Mõnikord valitakse radiaalne kliirens lihtsalt 1,5–3% ulatuses tera tera pikkusest.
Kärgstruktuuri tihendamise põhimõte.
Selleks, et turbiini kere puudutamisel terad ei kahjustaks, asetatakse sellesse sageli spetsiaalsed labade materjalist pehmemast materjalist sisetükid (näiteks metallkeraamika). Lisaks kasutatakse kontaktivabasid tihendeid. Tavaliselt on need labürint- või kärgstruktuuriga labürindi tihendid.
Sel juhul on tööterad sule otstes ribadeks ja sidemete riiulitele asetatakse juba tihendid või kiilud (kärgstruktuuri jaoks). Kärgtihendites on kärje õhukeste seinte tõttu kontaktpind väga väike (10 korda väiksem kui tavalisel labürindil), mistõttu on seade kokku pandud ilma tühikuta. Pärast sissesõitu on vahe umbes 0,2 mm.
Kärgploki pealekandmine. Kadude võrdlus kärgstruktuuri (1) ja sileda rõnga (2) kasutamisel.
Sarnaseid lünkade tihendamise meetodeid kasutatakse gaasilekke vähendamiseks vooluosast (näiteks kettavahelisse ruumi).
SOURZ…
Need on nn passiivsed meetodid radiaalne kliirensi juhtimine. Lisaks on paljud 80ndate lõpust arendatud (ja arendamisel) gaasiturbiinmootorid varustatud nn. aktiivsed radiaalse kliirensi juhtimissüsteemid» (SAURZ - aktiivne meetod). Need on automaatsed süsteemid ja nende töö põhiolemus on lennuki turbiini korpuse (staatori) termilise inertsi reguleerimine.
Turbiini rootor ja staator (väliskest) erinevad üksteisest materjali ja massilisuse poolest. Seetõttu laienevad nad mööduvate tingimuste ajal erinevalt. Näiteks kui mootor lülitub vähendatud töörežiimilt suurendatud töörežiimile, soojeneb kõrge temperatuuriga õhukeseseinaline korpus kiiremini (kui massiivne ketastega rootor) ja paisub, suurendades radiaalset kliirensit enda ja labade vahel. Lisaks sellele rõhu muutused kanalis ja õhusõiduki areng.
Selle vältimiseks korraldab automaatne süsteem (tavaliselt FADEC tüüpi pearegulaator) jahutusõhu juurdevoolu turbiini korpusesse kl. nõutavad kogused. Korpuse soojenemine stabiliseerub seega nõutavates piirides, mis tähendab, et muutub selle lineaarpaisumise suurus ja vastavalt ka radiaalsete vahekauguste suurus.
Kõik see võimaldab säästa kütust, mis on kaasaegse tsiviillennunduse jaoks väga oluline. SAURZ süsteeme kasutatakse kõige tõhusamalt turbiinides madal rõhk turboreaktiivmootoritel nagu GE90, Trent 900 ja mõned teised.
Rootori ja staatori küttekiiruste sünkroonimiseks kasutatakse palju harvemini, kuid üsna tõhusalt turbiini ketaste (ja mitte korpuse) sundõhuvoolu. Selliseid süsteeme kasutatakse mootoritel CF6-80 ja PW4000.
———————-
Samuti on reguleeritud turbiini telgvahed. Näiteks SA väljalaskeservade ja sisselaskeava RL-ide vahel on labade keskmise raadiuse juures tavaliselt 0,1-0,4 kaugus RL-i kõõlust. Mida väiksem on see vahe, seda vähem kaotust vooluenergia SA taga (hõõrdumiseks ja kiirusvälja joondamiseks SA taga). Kuid samal ajal suureneb radari vibratsioon SA vahelduva mõju tõttu labade kehade taga asuvatest piirkondadest abaluudevahelistesse piirkondadesse.
Veidi üldistust disainist...
Aksiaalne lennuki turbiinid kaasaegsetel gaasiturbiinmootoritel võib olla erinev disain vooluosa kuju.
Dav = (Din + Dn) /2
1. Konstantse keha läbimõõduga (Dн) kuju. Siin vähenevad sisemine ja keskmine läbimõõt piki trakti.
Konstantne välisläbimõõt.
See disain sobib hästi mootori (ja lennuki kere) mõõtmetega. Sellel on hea töö jaotus etappide vahel, eriti kahevõlliliste turboreaktiivmootorite puhul.
Kuid selles skeemis on nn kellanurk suur, mis on täis voolu eraldamist korpuse siseseintest ja sellest tulenevalt hüdraulilisi kadusid.
Konstantne siseläbimõõt.
Projekteerimisel proovige mitte lubada, et pistikupesa nurk ületaks 20 °.
2. Konstantse siseläbimõõduga (Dв) vorm.
Keskmine läbimõõt ja keha läbimõõt suurenevad mööda trakti. See skeem ei sobi hästi mootori mõõtmetega. Turboreaktiivmootoris tuleb sisemise korpuse voolu "lahknemise" tõttu pöörata see edasi SA-le, mis toob kaasa hüdraulilised kadud.
Konstantne keskmine läbimõõt.
Skeem sobib rohkem kasutamiseks turboventilaatormootorites.
3. Konstantse keskmise läbimõõduga kuju (Davg). Kere läbimõõt suureneb, siseläbimõõt väheneb.
Skeemil on kahe eelmise miinused. Kuid samal ajal on sellise turbiini arvutamine üsna lihtne.
Kaasaegsed lennukiturbiinid on enamasti mitmeastmelised. Selle peamiseks põhjuseks (nagu eespool mainitud) on turbiini kui terviku suur saadaolev energia. Et tagada perifeerse kiiruse U ja kiiruse C 1 (U/C 1 – optimaalne) optimaalne kombinatsioon ning seega kõrge üldine efektiivsus ja hea ökonoomsus, on vaja kogu saadaolev energia jaotada etappide vahel.
Kolmeastmelise turboreaktiivturbiini näide.
Samal ajal aga ta ise turbiin struktuur muutub keerulisemaks ja raskemaks. Kuna igal etapil on väike temperatuurierinevus (see on jaotatud kõigi etappide vahel), puutub suurem arv esimesi etappe kokku kõrgete temperatuuridega ja nõuab sageli lisajahutus.
Neljaastmeline aksiaalturbiini turbiin.
Sõltuvalt mootori tüübist võib etappide arv varieeruda. Turboreaktiivmootoritel tavaliselt kuni kolm, kaheahelalistel kuni 5-8 etappi. Tavaliselt, kui mootor on mitme võlliga, on turbiinil mitu (võllide arvu järgi) kaskaadi, millest igaüks juhib oma seadet ja võib ise olla mitmeastmeline (olenevalt möödaviigu suhtest).
Kahevõlliline aksiaalne õhusõiduki turbiin.
Näiteks kolmevõllilise Rolls-Royce Trent 900 mootori puhul on turbiinil kolm astet: üks aste kõrgsurvekompressori käitamiseks, üks aste vahekompressori käitamiseks ja viieastmeline ventilaatori käitamiseks. Kaskaadide ühistööd ja kaskaadides vajaliku astmete arvu määramist kirjeldatakse eraldi “mootoriteoorias”.
Tema ise lennuki turbiin Lihtsamalt öeldes on konstruktsioon, mis koosneb rootorist, staatorist ja erinevatest abikonstruktsioonielementidest. Staator koosneb väliskestast, korpustest düüsiseadmed ja rootori laagrite korpused. Rootor on tavaliselt ketaskonstruktsioon, milles kettad ühendatakse rootoriga ja omavahel erinevate lisaelementide ja kinnitusviiside abil.
Üheastmelise turboreaktiivturbiini näide. 1 - võll, 2 - SA labad, 3 - tiiviku ketas, 4 - töölaba.
Igal kettal on tiiviku alusena töötavad labad. Terade kujundamisel püüavad nad teha neid väiksema kõõluga, kuna ketta serva laius, millele need on paigaldatud, on väiksem, mis vähendab selle massi. Kuid samal ajal on turbiini parameetrite säilitamiseks vaja suurendada tiiba pikkust, mis võib hõlmata labade sidumist tugevuse suurendamiseks.
Võimalikud lukkude tüübid töölabade kinnitamiseks turbiinikettasse.
Tera kinnitatakse kettale kasutades luku ühendus. Selline ühendus on gaasiturbiinmootori üks enim koormatud konstruktsioonielemente. Kõik tera poolt tajutavad koormused kanduvad läbi luku kettale ja saavutavad väga suured väärtused, eriti kuna materjalide erinevuse tõttu on kettal ja labadel erinevad lineaarsed paisumistegurid ning lisaks ka temperatuuri ebaühtlus. väljal, soojenevad nad erinevalt.
Selleks, et hinnata võimalust vähendada lukustusühenduse koormust ja seeläbi suurendada turbiini töökindlust ja tööiga, uurimistööd, mille hulgas on katsed bimetallist terad või blisk-tiivikute kasutamine turbiinides.
Bimetallterade kasutamisel vähenevad nende kettale kinnituse lukkude koormused, kuna tera lukustusosa on valmistatud materjalist materjaliga sarnane ketas (või sarnane parameetritega). Tera tera on valmistatud teisest metallist, misjärel need ühendatakse spetsiaalsete tehnoloogiate abil (saadakse bimetall).
Blisks, st tiivikud, mille labad on kettaga integreeritud, välistavad üldiselt lukustusühenduse olemasolu ja seega tiiviku materjali tarbetu pinge. Seda tüüpi komponente kasutatakse juba kaasaegsete turboventilaatormootorite kompressorites. Nende jaoks on aga oluliselt keerukas remonditeema ning kõrgel temperatuuril kasutamise ja sissejahutamise võimalused lennuki turbiin.
Näide rootori labade kinnitamisest kalasabalukkude abil kettale.
Levinuim viis labade kinnitamiseks tugevalt koormatud turbiiniketastele on nn kalasaba. Kui koormused on mõõdukad, võib kasutada teist tüüpi lukke, mis on disainilt lihtsamad, näiteks silindrilised või T-kujulised.
Kontroll…
Alates töötingimustest lennundusturbiinäärmiselt raske ja töökindluse kui lennuki kõige olulisema komponendi küsimus on esmatähtis, siis on maapealses käitamises esikohal konstruktsioonielementide seisukorra jälgimise probleem. See kehtib eriti turbiini sisemiste õõnsuste jälgimise kohta, kus asuvad kõige rohkem koormatud elemendid.
Nende õõnsuste kontrollimine on loomulikult võimatu ilma kaasaegseid seadmeid kasutamata. visuaalne kaugkontroll. Lennukite gaasiturbiinmootorite puhul kasutatakse seda tüüpi endoskoobid (boroskoobid). Kaasaegsed seadmed See tüüp on üsna arenenud ja sellel on suured võimalused.
Turboreaktiivmootori gaasi-õhu kanali kontroll Vucam XO endoskoobi abil.
Markantne näide on kaasaskantav mõõtmisvideo endoskoop Vucam XO Saksa firmalt ViZaar AG. Omamine väikese suurusega ja kaal (alla 1,5 kg), on see seade sellegipoolest väga funktsionaalne ja muljetavaldav nii saadud teabe kontrollimiseks kui töötlemiseks.
Vucam XO on täiesti mobiilne. Kogu selle komplekt asub väikeses plastümbrises. Videosond koos suur summa Kergesti vahetatavad optilised adapterid on täieliku 360° liigendusega, läbimõõduga 6,0 mm ja võivad olla erineva pikkusega (2,2 m; 3,3 m; 6,6 m).
Helikopteri mootori boreskoopiline kontroll Vucam XO endoskoobiga.
Selliste endoskoopide abil teostatav boroskoopiline kontroll on ette nähtud kõikide kaasaegsete lennukimootorite eeskirjades. Turbiinides kontrollitakse tavaliselt vooluosa. Endoskoobi sond tungib läbi sisemiste õõnsuste lennundusturbiin spetsiaalse kaudu juhtimispordid.
Boreskoopilised kontrollpordid turboreaktiivmootori turbiini korpusel CFM56.
Need on turbiini korpuses olevad augud, mis on suletud suletud korkidega (tavaliselt keermestatud, mõnikord vedruga). Sõltuvalt endoskoobi võimalustest (sondi pikkusest) võib osutuda vajalikuks mootori võlli keeramine. Turbiini esimese astme labasid (SA ja RL) saab kontrollida läbi põlemiskambri korpuse akende ja viimase astme labasid - läbi mootori düüsi.
Mis tõstab temperatuuri...
Kõigi skeemide gaasiturbiinmootorite arendamise üheks üldiseks suunaks on gaasi temperatuuri tõstmine turbiini ees. See võimaldab oluliselt suurendada tõukejõudu ilma õhukulu suurendamata, mis võib viia mootori esiosa vähenemiseni ja eesmise eritõukejõu suurenemiseni.
Kaasaegsetes mootorites võib gaasi temperatuur (pärast leeki) põlemiskambrist väljumisel ulatuda 1650 °C-ni (kalduvus tõusta), nii et normaalne töö Sellise suure soojuskoormusega turbiinid nõuavad spetsiaalsete, sageli ohutusmeetmete võtmist.
Esimene (ja selle olukorra kõige suurem seisak)- kasutamine kuumakindlad ja kuumakindlad materjalid, nii metallisulamid kui (tulevikus) spetsiaalsed komposiit- ja keraamilised materjalid, mida kasutatakse turbiini enimkoormatud osade - düüside ja töölabade, aga ka ketaste valmistamisel. Neist enim koormatud on ehk töötavad terad.
Metallisulamid on peamiselt niklipõhised sulamid (sulamistemperatuur - 1455 ° C) mitmesuguste legeerivate lisanditega. Kaasaegsetele kuumakindlatele ja kuumakindlatele sulamitele lisatakse kuni 16 erinevat legeerelementi, et saavutada maksimaalsed kõrge temperatuuri omadused.
Keemiline eksootika...
Nende hulka kuuluvad näiteks kroom, mangaan, koobalt, volfram, alumiinium, titaan, tantaal, vismut ja isegi reenium või hoopis ruteenium jt. Eriti paljulubav on selles osas reenium (Re – reenium, kasutusel Venemaal), mis on praegu kasutusel karbiidide asemel, kuid see on ülikallis ja selle varud on väikesed. Paljulubavaks peetakse ka nioobiumsilitsiidi kasutamist.
Lisaks on tera pind sageli kaetud spetsiaalse kattega, mis on rakendatud spetsiaalse tehnoloogia abil. kuumuse eest kaitsev kiht(antitermiline kate - termotõkkekate või kütuseagregaat) , vähendades oluliselt tera korpusesse siseneva soojusvoo hulka (termobarjääri funktsioonid) ja kaitstes seda gaasikorrosiooni eest (kuumuskindlad funktsioonid).
Termokaitsekatte näide. Näidatud on temperatuurimuutuse olemus tera ristlõikes.
Joonisel (mikrofotol) on kujutatud moodsa turboventilaatormootori kõrgsurveturbiinilaba kuumakaitsekihti. Siin on TGO (termiliselt kasvatatud oksiid) termiliselt kasvav oksiid; Substraat – tera põhimaterjal; Bond coat on üleminekukiht. Kütusesõlmede koostis sisaldab nüüd niklit, kroomi, alumiiniumi, ütriumi jne. Käimas on ka kasutuskatsed. keraamilised katted põhineb tsirkooniumoksiidil stabiliseeritud tsirkooniumoksiidil (arendatud VIAM).
Näiteks…
Kuumuskindlad niklisulamid firmalt Special Metals Corporation - USA, mis sisaldavad vähemalt 50% niklit ja 20% kroomi, aga ka titaani, alumiiniumi ja paljusid muid väikeses koguses lisatud komponente on mootoritööstuses üsna laialt tuntud, alates sõjajärgne periood ja praegu.
Olenevalt profiili otstarbest (RL, SA, turbiinikettad, vooluosad, düüsid, kompressorid jne, aga ka mittelennunduslikud rakendused), koostisest ja omadustest kombineeritakse need rühmadesse, millest igaüks sisaldab erinevaid sulamivalikuid .
Rolls-Royce Nene mootori turbiini labad on valmistatud Nimonic 80A sulamist.
Mõned neist rühmadest on: Nimonic, Inconel, Incoloy, Udimet/Udimar, Monel ja teised. Näiteks Nimonic 90 sulam, mis töötati välja 1945. aastal ja mida kasutati elementide valmistamiseks lennuki turbiinid(peamiselt labad), düüsid ja lennukiosad, on koostisega: nikkel - minimaalselt 54%, kroom - 18-21%, koobalt - 15-21%, titaan - 2-3%, alumiinium - 1-2%, mangaan – 1%, tsirkoonium -0,15% ja muud legeerivad elemendid (väikestes kogustes). Seda sulamit toodetakse tänapäevalgi.
Venemaal (NSVL) tegeles ja tegeleb seda tüüpi sulamite ja muude gaasiturbiinmootorite jaoks oluliste materjalide väljatöötamisega edukalt VIAM (All-Russian Research Institute of Aviation Materials). Sõjajärgsel perioodil töötas instituut välja deformeeritavaid sulameid (tüüp EI437B) ja alates 60ndate algusest on loodud terve rida kvaliteetseid valusulameid (sellest lähemalt allpool).
Peaaegu kõik on aga kuumakindlad metallmaterjalid talub ilma jahutamiseta temperatuuri kuni ligikaudu ≈ 1050°C.
Sellepärast:
Teine, laialdaselt kasutatav meede, see on rakendus erinevad jahutussüsteemid terad ja muud konstruktsioonielemendid lennuki turbiinid. Kaasaegsetes gaasiturbiinmootorites ei saa ikka veel ilma jahutuseta hakkama, hoolimata uute kõrge temperatuuriga kuumakindlate sulamite ja elementide valmistamise erimeetodite kasutamisest.
Jahutussüsteemide hulgas on kaks valdkonda: süsteemid avatud Ja suletud. Suletud ahelaga süsteeme saab kasutada sunnitud ringlus vedel jahutusvedelik labade süsteemis - radiaator või kasutage "termosifooni efekti" põhimõtet.
Viimase meetodi puhul toimub jahutusvedeliku liikumine gravitatsioonijõudude mõjul, kui soojemad kihid tõrjuvad välja külmemad. Jahutusvedelikuks võib siin olla näiteks naatrium või naatriumi ja kaaliumi sulam.
Suletud süsteeme aga raskelt lahendatavate probleemide suure hulga tõttu lennunduspraktikas ei kasutata ja need on eksperimentaaluuringute staadiumis.
Mitmeastmelise turboreaktiivmootoriga turbiini ligikaudne jahutusskeem. Näidatud on tihendid CA ja rootori vahel. A - profiilide võrk õhu keeristamiseks selle eeljahutamiseks.
Kuid neid kasutatakse laialdaselt praktiliselt avatud jahutussüsteemid. Külmutusagensiks on siin õhk, mida tavaliselt tarnitakse erinevatel rõhkudel tänu kompressori erinevatele etappidele turbiini labadesse. Sõltuvalt gaasi maksimaalsest temperatuurist, mille juures neid süsteeme on soovitatav kasutada, võib need jagada kolme tüüpi: konvektiivsed, konvektiivne-kile(või barjäär) ja poorne.
Konvektiivjahutuse ajal juhitakse tera sees õhku spetsiaalsete kanalite kaudu ja, pestes selle sees kõige kuumenematest kohtadest, läheb madalama rõhuga piirkondades voolu välja. Sel juhul saab labades õhuvoolu korraldamiseks kasutada erinevaid skeeme, olenevalt selle jaoks mõeldud kanalite kujust: pikisuunaline, põiki või silmusekujuline (segatud või keeruline).
Jahutustüübid: 1 - konvektiivne deflektoriga, 2 - konvektiivkile, 3 - poorne. Tera 4 - kuumuse eest kaitsev kate.
Lihtsaim skeem on pikisuunaliste kanalitega piki sulge. Siin korraldatakse õhu väljalaskeava tavaliselt tera ülemises osas läbi sidemeriiuli. Sellises skeemis on tera sulgede ääres üsna suur temperatuuri ebaühtlus - kuni 150-250˚, mis mõjutab negatiivselt tera tugevusomadusi. Ahelat kasutatakse mootoritel, mille gaasi temperatuur on kuni ≈ 1130ºС.
Teine tee konvektiivne jahutus(1) tähendab spetsiaalse deflektori olemasolu sule sees (sulgede sisse on sisestatud õhukeseseinaline kest), mis hõlbustab jahutusõhu tarnimist esmalt kõige soojematesse kohtadesse. Deflektor moodustab omamoodi düüsi, mis puhub õhku tera esiosasse. Selle tulemuseks on kuumima osa jugajahutus. Järgmisena väljub õhk, pestes ülejäänud pindu, sulgede kitsaste pikisuunaliste aukude kaudu.
CFM56 mootori turbiini laba.
Sellise skeemi puhul on temperatuuri ebaühtlus palju väiksem, lisaks toimib deflektor ise, mis on terasse sisestatud pinge all mööda mitut tsentreerivat põikvööd, tänu oma elastsusele summutajana ja summutab labade vibratsiooni. Seda skeemi kasutatakse gaasi maksimaalsel temperatuuril ≈ 1230 °C.
Niinimetatud poolkontuuriline disain võimaldab saavutada tera suhteliselt ühtlase temperatuurivälja. See saavutatakse, valides katseliselt erinevate ribide ja tihvtide asukohad, mis suunavad õhuvoolu tera korpuse sees. See skeem võimaldab maksimaalset gaasitemperatuuri kuni 1330 °C.
Düüside labad jahutatakse konvektiivselt samamoodi nagu tööterad. Tavaliselt tehakse need kahekordse õõnsusega täiendavate ribide ja tihvtidega, et jahutusprotsessi intensiivistada. Kõrgema rõhuga õhk juhitakse esiserva eesmisse õõnsusse kui taha (kompressori erinevate astmete tõttu) ja suunatakse trakti erinevatesse tsoonidesse, et säilitada nõutava õhu tagamiseks vajalik minimaalne rõhuerinevus. kiirus jahutuskanalites.
Näited võimalikest rootorilabade jahutamise meetoditest. 1 - konvektiivkile, 2 - konvektiivkile, 3 konvektiivkile keeruliste silmuskanalitega labas.
Konvektiivkilejahutust (2) kasutatakse veelgi kõrgematel gaasitemperatuuridel – kuni 1380°C. Selle meetodi puhul lastakse osa jahutusõhust läbi tera spetsiaalsete avade selle välispinnale, luues seeläbi omamoodi tõkkekile, mis kaitseb tera kuuma gaasivooluga kokkupuute eest. Seda meetodit kasutatakse nii töö- kui ka düüside labade jaoks.
Kolmas meetod on poorne jahutamine (3). Sellisel juhul on tera pikikanalitega jõuvarras kaetud spetsiaalse poorse materjaliga, mis võimaldab ühtlaselt ja doseeritud jahutusvedelikku vabastada kogu gaasivooluga pestud tera pinnale.
See on endiselt paljulubav meetod, mida gaasiturbiinmootorite kasutamise massipraktikas ei kasutata poorse materjali valiku raskuste ja pooride üsna kiire ummistumise suure tõenäosuse tõttu. Kui aga need probleemid lahendatakse, võib arvatav võimalik gaasitemperatuur seda tüüpi jahutuse korral ulatuda 1650°C-ni.
Turbiini kettaid ja CA korpuseid jahutatakse ka õhuga tänu kompressori erinevatele etappidele, kui see läbib mootori sisemisi õõnsusi, pestes jahutatud osi ja seejärel vabastades need vooluosasse.
Kaasaegsete mootorite kompressorite üsna kõrge rõhu suurenemise tõttu võib jahutusõhk ise olla üsna kõrge temperatuuriga. Seetõttu võetakse jahutuse efektiivsuse suurendamiseks meetmed selle temperatuuri esmalt alandamiseks.
Selleks saab enne turbiini labadele ja ketastele varustamist juhtida õhku läbi spetsiaalsete profiilvõrede, sarnaselt SA turbiinile, kus õhk keeratakse tiiviku pöörlemissuunas, paisudes ja jahutades samal ajal. . Jahutusaste võib olla 90-160°.
Sama jahutuse jaoks võib kasutada sekundaarahela õhuga jahutatavaid õhk-õhk radiaatoreid. Mootoril AL-31F vähendab selline radiaator temperatuuri lennu ajal 220°-ni ja maapinnal 150°-ni.
Jahutusvajaduste jaoks lennundusturbiin Kompressorist võetakse üsna palju õhku. Erinevatel mootoritel - kuni 15-20%. See suurendab oluliselt kadusid, mida võetakse arvesse mootori termogaasidünaamilises arvutuses. Mõned mootorid on varustatud süsteemidega, mis vähendavad jahutusõhu juurdevoolu (või isegi lülitavad selle välja) mootori vähendatud töötingimustel, millel on positiivne mõju efektiivsusele.
NK-56 turboventilaatorturbiini 1. etapi jahutusskeem. Samuti on näidatud kärgstruktuuriga tihendid ja jahutuse sulgelint mootori vähendatud töötingimustel.
Jahutussüsteemi efektiivsuse hindamisel võetakse tavaliselt arvesse täiendavaid hüdraulilisi kadusid labadel, mis on tingitud nende kuju muutumisest jahutusõhu vabanemisel. Päris jahutatud turbiini kasutegur on ligikaudu 3-4% madalam kui jahutamata.
Midagi terade valmistamisest...
Esimese põlvkonna reaktiivmootoritel valmistati peamiselt turbiini labasid tembeldamise meetod järgneb pikaajaline töötlemine. 50ndatel tõestasid VIAM-i spetsialistid aga veenvalt, et terade kuumuskindluse taseme tõstmiseks pakkus väljavaadet just valu, mitte sepistatud sulamid. Järk-järgult tehti üleminek sellele uuele suunale (ka läänes).
Hetkel on tootmises kasutusel täppis mittejääkvalutehnoloogia, mis võimaldab toota spetsiaalselt profileeritud siseõõnsustega labasid, mida kasutatakse jahutussüsteemi käitamiseks (nn tehnoloogia kadunud vahavalu).
See on tegelikult ainus viis jahutatud labade saamiseks praegu. See paranes ka aja jooksul. Valutehnoloogia esimestel etappidel toodeti erineva suurusega labasid kristalliseerumise terad, mis ei kleepunud kindlalt üksteise külge, mis vähendas oluliselt toote tugevust ja kasutusiga.
Seejärel hakkasid nad spetsiaalsete modifikaatorite abil tootma valatud jahutatud labasid, millel olid homogeensed, võrdse teljega, peened struktuursed terad. Sel eesmärgil töötas VIAM 60ndatel välja esimesed kodused kuumakindlad sulamid ZhS6, ZhS6K, ZhS6U, VZHL12U valamiseks.
Nende töötemperatuur oli 200° kõrgem kui tollal levinud deformeeritaval (stantsimis) sulamil EI437A/B (KhN77TYu/YUR). Nendest materjalidest valmistatud terad töötasid vähemalt 500 tundi ilma visuaalselt nähtavate hävimismärkideta. Seda tüüpi tootmistehnoloogiat kasutatakse tänapäevalgi. Sellegipoolest jäävad terade piirid tera struktuuri nõrgaks kohaks ja just neid mööda algab selle hävitamine.
Seetõttu koos koormusomaduste suurenemisega kaasaegsed lennuki turbiinid(rõhk, temperatuur, tsentrifugaalkoormused) tekkis vajadus välja töötada uued terade valmistamise tehnoloogiad, kuna mitmeteraline struktuur ei vastanud paljudes aspektides enam rasketele töötingimustele.
Näited tööterade kuumuskindla materjali struktuurist. 1 - võrdne tera suurus, 2 - suunaline kristalliseerumine, 3 - monokristall.
Nii" suunatud kristallisatsiooni meetod" Selle meetodi puhul ei moodustu tera tahkuval valamisel mitte üksikud võrdseteljelistel metalliterad, vaid pikad sambakujulised kristallid, mis on piki tera telge piklikud. Selline struktuur suurendab oluliselt tera purunemiskindlust. See sarnaneb luudaga, mida on väga raske murda, kuigi iga selle moodustav oks murdub probleemideta.
Seda tehnoloogiat viimistleti hiljem veelgi arenenumaks. monokristallide valamise meetod", kui üks tera on praktiliselt üks terve kristall. Seda tüüpi tera on nüüd paigaldatud ka kaasaegsesse lennuki turbiinid. Nende valmistamiseks kasutatakse spetsiaalseid sulameid, sealhulgas nn reeniumi sisaldavaid sulameid.
70ndatel ja 80ndatel töötas VIAM välja sulamid turbiinide labade valamiseks suunatud tahkumisega: ZhS26, ZhS30, ZhS32, ZhS36, ZhS40, VKLS-20, VKLS-20R; ja 90ndatel - pika elueaga korrosioonikindlad sulamid: ZhSKS1 ja ZhSKS2.
Lisaks on VIAM selles suunas töötades 2000. aasta algusest tänapäevani loonud kolmanda põlvkonna kõrge reeniumisisaldusega kuumakindlaid sulameid: VZhM1 (9,3% Re), VZhM2 (12% Re), ZhS55 (9% Re) ) ja VZhM5 (4% Re ). Omaduste edasiseks parandamiseks on viimase 10 aasta jooksul läbi viidud eksperimentaalsed uuringud, mille tulemuseks on neljanda põlvkonna - VZhM4 ja viienda põlvkonna VZhM6 reeniumi-ruteeniumi sisaldavad sulamid.
Assistentidena...
Nagu varem mainitud, kasutatakse gaasiturbiinmootorites ainult reaktiivseid (või aktiivreaktiivseid) turbiine. Kokkuvõttes tasub aga meeles pidada, et kasutatud lennuki turbiinid On ka aktiivseid. Peamiselt täidavad nad teisejärgulisi ülesandeid ega osale tõukemootorite töös.
Ja ometi on nende roll sageli väga oluline. Sel juhul räägime õhukäivitajad käivitamiseks kasutatud. Gaasiturbiinmootorite rootorite pöörlemiseks kasutatakse erinevat tüüpi starteriseadmeid. Õhkstarter on nende hulgas võib-olla kõige silmapaistvamal kohal.
Turboventilaatormootori õhkkäiviti.
Vaatamata oma funktsioonide tähtsusele on see seade põhimõtteliselt üsna lihtne. Põhiseadmeks on siin ühe- või kaheastmeline aktiivturbiin, mis pöörleb mootori rootorit (turboventilaatormootoril tavaliselt madalsurverootor) läbi käigukasti ja ajamikasti.
Õhkstarteri ja selle tööliini asukoht turboventilaatori mootoril,
Turbiini ennast pöörleb õhuvool, mis pärineb maapealsest allikast, kas pardal olevast APU-st või mõnest teisest juba töötavast lennukimootorist. Käivitustsükli teatud hetkel lülitub starter automaatselt välja.
Seda tüüpi ühikutes saab neid ka sõltuvalt nõutavatest väljundparameetritest kasutada. radiaalsed turbiinid. Neid saab kasutada ka lennukikabiinide kliimaseadmetes turbo-külmiku elemendina, mille puhul kasutatakse õhutemperatuuri paisumise ja alanemise mõju turbiinile kajutitesse siseneva õhu jahutamiseks.
Lisaks kasutatakse kolblennukite mootorite turboülelaadurisüsteemides nii aktiivseid aksiaal- kui ka radiaalturbiine. See praktika algas juba enne turbiini ümberehitamist kõige olulisem sõlm GTD kestab tänaseni.
Näide radiaal- ja aksiaalturbiinide kasutamisest abiseadmetes.
Sarnaseid turboülelaadureid kasutavaid süsteeme kasutatakse autodes ja üldiselt erinevaid süsteeme suruõhuvarustus.
Seega teenindab lennukiturbiin inimesi hästi ka abistavas mõttes.
———————————
Noh, see on ilmselt tänaseks kõik. Tegelikult on siin veel palju, millest saab kirjutada, nii lisainfo kui ka muu osas täielik kirjeldus mis on juba öeldud. Teema on väga lai. Siiski ei saa omaks võtta mõõtmatust :-). Üldise teabe saamiseks võib-olla piisab. Täname, et lugesite lõpuni.
Järgmise korrani...
Lõpuks on pildid, mis "ei mahu" teksti sisse.
Üheastmelise turboreaktiivturbiini näide.
Heroni eolipiili mudel Kaluga kosmonautikamuuseumis.
Vucam XO endoskoobi videosondi liigend.
Multifunktsionaalse endoskoobi Vucam XO ekraan.
Endoskoop Vucam XO.
Näide termokaitsekattest GP7200 mootori CA labadel.
Tihendite jaoks kasutatavad kärgplaadid.
Labürinttihendi elementide võimalikud variandid.
Labürindi kärgpits.
