Turnarea palelor de turbine cu gaz. În cea mai mare măsură

PJSC Ufa Engine Production Association (UMPO) a lansat cea mai mare instalație de topire și turnare pentru turnarea lamelor din Europa la locul avansat de turnare a lamei. Dimensiunile echipamentului sunt de 9 metri latime, 12 metri lungime si 8,5 metri inaltime. Instalația este destinată producerii de semifabricate în timpul producției de piese de motor pentru aeronava civilă promițătoare MS-21. Noul echipament face posibilă topirea a 20 până la 150 kg dintr-un aliaj special, ceea ce face posibilă umplerea unui număr mare de lame într-un singur ciclu.

Noul ROM va fi implicat activ în implementarea unui proiect comun între UMPO și Institutul de Oțel și Aliaje din Moscova (NUST MISIS) pentru a dezvolta și implementa tehnologie eficientă din punct de vedere al resurselor pentru fabricarea palelor de turbine tubulare turnate. Va fi folosit nu numai în producția de motoare cu turbine cu gaz pentru avioane, ci și în stațiile de pompare a petrolului și a gazului”, a declarat Pavel Alinkin, curatorul programului promițător, șef adjunct al departamentului de dezvoltare tehnică și reechipare.

La începutul lunii noiembrie 2015, acest proiect a câștigat o subvenție în cadrul unui concurs al Ministerului Educației al Federației Ruse în temeiul Rezoluției nr. 218 a Guvernului Federației Ruse. Grantul va ajuta UMPO să reducă timpul necesar pentru a introduce inovații în producția pilot și în masă.

Asociația are o vastă experiență în cooperare cu universitățile ruse în conformitate cu Rezoluția 218. În prezent, compania lucrează la alte două tehnologii: pentru producția de piese turnate de titan cu pereți subțiri de dimensiuni mari (cu MISiS și USATU) și piese din aluminiu rezistent la căldură (cu USATU și alte universități). Două proiecte - tot cu MISiS și UGATU - au fost finalizate cu succes, rezultatele acestora fiind în prezent puse în producție. Aceasta este tehnologia pentru fabricarea suportului turbinei motorului de elicopter VK-2500 și producerea de monocicluri și blisk-uri folosind sudarea liniară prin frecare.

Pentru prima dată în Rusia, a fost posibilă turnarea (metoda se numește turnare cu investiții) lame inovatoare din aliaj de aluminură de titan, care sunt de două ori mai ușoare decât omologii lor pe bază de nichel. Tehnologia pentru fabricarea de noi lame a fost deja pusă în producție la Ufa Engine Production Association (UMPO PJSC). Este de așteptat ca lamele intermetalice din titan să fie utilizate în noul motor rusesc PD-14 pentru aeronava rusă de pasageri pe distanță scurtă și medie MS-21. Prin reducerea greutății aeronavei, noua dezvoltare îi va permite să transporte mai mulți pasageri cu un consum mai mic de combustibil.

„Astăzi, fabricarea produselor din aluminură de titan este la mare căutare în aviația civilă. Dezvoltarea noastră nu este inferioară analogilor mondiali din Europa și SUA. Este foarte important ca aceasta să fie o dezvoltare complet casnică: lamele pot fi produse folosind echipamente casnice și din materiale casnice”, a spus șeful grupului de cercetare, șeful departamentului „Tehnologia proceselor de turnătorie și prelucrarea artistică a materialelor”. la NUST MISIS, profesorul Vladimir Belov într-un interviu. Trecerea la o nouă tehnologie va reduce semnificativ greutatea motorului, ca urmare va fi posibil să transportați mai mulți pasageri sau mărfuri pe distanțe lungi. In afara de asta, tehnologie nouă fabricarea palelor va reduce semnificativ stresul centrifugal efectiv în compresor și turbinele motoarelor de aeronave, va reduce inerția turbinelor și compresoarelor și, prin urmare, va reduce consumul de combustibil și emisiile de gaze cu efect de seră în atmosferă.

Invenția se referă la producția de turnătorie. Pala unui motor cu turbină cu gaz este realizată prin turnare cu investiții. Lama contine o pana 4, la capatul careia se afla un toc 5, realizat sub forma unei singure piese cu pana. Călcâiul conţine o platformă 5a, în care este realizat un prim bazin 12 cu suprafeţe radiale 13 şi un fund 14. Bazinul 12 reduce grosimea călcâiului. În prima baie, la nivelul zonei de interfață 15 dintre pană și călcâi, se realizează o a doua baie 16, care permite turnarea metalului în matrița cochiliei într-un singur punct. Datorită distribuției uniforme a metalului, se previne formarea porozității în lopată. 3 n. si 3 salarii f-ly, 4 bolnav.

Desene pentru brevetul RF 2477196

Prezenta invenţie se referă la o lamă de metal turnat şi la o metodă de producere a acesteia.

Un motor cu turbină cu gaz, cum ar fi un motor turboreactor, include un ventilator, una sau mai multe trepte de compresor, o cameră de ardere, una sau mai multe trepte de turbină și o duză. Gazele sunt antrenate de rotoarele ventilatorului, compresorului și turbinei, datorită prezenței paletelor radiale montate la periferia rotoarelor.

Conceptele de poziție sau locație în interior, în exterior, radial, înainte sau în spate ar trebui luate în considerare în raport cu axa principală a motorului cu turbină cu gaz și direcția fluxului de gaz în motorul respectiv.

Paleta mobilă a turbinei conține un picior cu care este atașată de discul rotorului, o platformă care formează un element al peretelui interior care limitează calea gaz-aer și o pană, care este situată în principal de-a lungul axei radiale și este suflată de gazele. În funcție de treapta motorului și a turbinei, la capătul său îndepărtat de picior, paleta se termină cu un element transversal pe axa principală (principală) a profilului aerodinamic, numit talon, care formează un element al peretelui exterior care delimitează gazul. calea aerului.

Pe suprafața exterioară a călcâiului se află una sau mai multe plăci radiale sau scoici, care împreună cu peretele statorului situat vizavi de ele formează o garnitură labirint care asigură etanșeitatea împotriva gazelor; În acest scop, de regulă, peretele statorului menționat este realizat sub forma unui inel din material abrazibil, de care se freacă plăcile. Plăcile conțin o față frontală și una din spate situate transversal pe fluxul de gaz.

Lama poate fi monobloc, adică piciorul, platforma, pana și călcâiul sunt realizate sub forma unei singure piese. Lama este realizată printr-o metodă de turnare numită „turnare în ceară pierdută” și este binecunoscută specialiștilor. În această metodă:

În primul rând, se face un model de omoplată din ceară;

Modelul este scufundat într-un slip ceramic refractar, care, după ardere, formează o coajă;

Ceara se topește și se îndepărtează, rezultând o „forma de coajă” din material refractar, al cărui volum intern determină forma lamei;

Metalul topit este turnat într-o matriță de coajă și mai multe forme de coajă sunt combinate într-un bloc pentru a turna simultan metalul;

Forma de coajă este spartă, ceea ce face posibilă obținerea unei spatule metalice.

În punctele în care metalul este turnat în matriță, se formează acumulări de metal de grosime relativ mare pe lama metalică turnată în matriță, care trebuie prelucrată după formarea lamei. De regulă, metalul este turnat la nivelul călcâiului lamei. Diametrul canalului de umplere și, în consecință, acumularea formată ulterior este semnificativă, iar umplerea are loc în apropierea plăcilor garniturii labirint, care au o grosime mică; Ca rezultat, dacă este asigurat un singur punct de turnare, are loc o distribuție proastă a metalului în matrița învelișului și apar probleme de porozitate în lamă, în special la nivelul lamelor lamei.

Această problemă poate fi rezolvată prin asigurarea a două orificii de admisie de turnare, iar diametrul canalelor de turnare este redus în mod corespunzător. Astfel, în locul unui canal de turnare cu diametru mare se obțin două canale de turnare cu diametru mai mic, distanțate unul de celălalt, ceea ce asigură o distribuție mai bună a metalului și evită problemele de porozitate.

Cu toate acestea, este de dorit să se rezolve aceste probleme de porozitate prin menținerea unui singur punct de curgere.

În acest sens, obiectul invenției este o paletă de motor cu turbină cu gaz, realizată prin turnare, care conține o pană, la capătul căreia se află un călcâi, realizat sub forma unei singure piese cu pană, cu care se află. conectat la nivelul zonei de interfață, în timp ce călcâiul conține o platformă pe care se realizează cel puțin o placă de etanșare și o primă baie în platformă, caracterizată prin aceea că se realizează o a doua baie în prima baie la nivelul zona de interfață dintre pene și călcâi.

Prezența unei băi într-o altă baie la nivelul interfeței dintre lamă și călcâi evită îngroșarea prea mare în această zonă iar în timpul turnării lamei prin turnare asigură o mai bună distribuție a metalului lichid în matriță. Distribuția îmbunătățită a metalului lichid în matriță permite utilizarea turnării turnării cu un singur punct de turnare a metalului. Avantajul fabricarii unei lame cu un singur punct de turnare este simplitatea exceptionala a matritei cochilie si, daca este necesar, a blocului formelor coaja; costul de fabricație a lamelor scade, în timp ce calitatea acestora crește.

În plus, cantitatea de material la nivelul călcâiului este optimizată, ceea ce reduce greutatea și costul paletei.

În plus, optimizăm stres mecanic pe călcâi și/sau pene și sunt mai bine absorbite de paletă pe măsură ce se realizează o distribuție mai bună a masei.

De preferinţă, prima baie este limitată de suprafeţele radiale, iar fundul şi a doua baie sunt formate în fundul primei băi.

De asemenea, este de preferat ca a doua baie să fie făcută de-a lungul axei principale a lamei opusă interfeței dintre călcâi și pană.

Este recomandabil ca pana lamei să fie formată dintr-un perete solid și să conțină suprafețe curbate în zona de împerechere, a doua baie să conțină suprafețe radiale curbate și suprafața inferioară și ca suprafețele radiale curbate ale celei de-a doua băi să fie amplasate practic paralel cu suprafețele curbate ale penei în zona de împerechere, ceea ce asigură în esență grosimea constantă a lamei în zona de interfață.

Invenţia se referă de asemenea la o turbină cuprinzând cel puţin o paletă conform prezentei invenţii.

Invenţia se referă, de asemenea, la un motor cu turbină cu gaz care cuprinde cel puţin o turbină în conformitate cu prezenta invenţie.

Invenţia se referă, de asemenea, la o metodă de fabricare a unei pale de motor cu turbină cu gaz, cuprinzând următoarele etape:

Se realizează un model în ceară al lamei, care conține o pană, la capătul căreia se realizează un călcâi, formând o singură parte cu pana, cu care se leagă la nivelul zonei de interfață, în timp ce călcâiul conține o platformă. pe care se realizează cel puțin o placă de etanșare, în timp ce în prima baie se execută pe platformă, în prima baie la nivelul zonei de interfață dintre pene și călcâi se efectuează a doua baie,

O spatulă de ceară este scufundată într-un barbotic refractar,

Forma de coajă este realizată din material rezistent la foc,

Metalul topit este turnat în matrița de coajă printr-o singură intrare de turnare,

Se sparge matrița de coajă și se obține o lamă.

Prezenta invenţie va fi mai evidentă din următoarea descriere a unui exemplu de realizare preferat a unei lame în conformitate cu prezenta invenţie şi o metodă pentru fabricarea acesteia cu referire la desenele însoţitoare.

Smochin. 1 este o vedere laterală schematică a unei pale de turbină în conformitate cu prezenta invenţie.

Smochin. 2 - vedere frontală izometrică in afara călcâiele scapulei.

Smochin. 3 este o vedere în secţiune a lamei de-a lungul planului III-III din fig. 1.

Smochin. 4 este o vedere laterală izometrică a părții exterioare a călcâiului scapulei.

După cum se arată în FIG. 1, paleta 1 conform prezentei invenții este formată în general de-a lungul unei axe majore A, care este substanțial radială în raport cu axa B a motorului cu turbină cu gaz care cuprinde paleta 1. B în acest caz, despre care vorbim despre paleta turbinei unui turboreactor. Lama 1 conține un picior 2, situat la interior, o platformă 3, o pană 4 și un călcâi 5, care este situat la exterior. Călcâiul 5 se împerechează cu pana 4 în zona de împerechere 15. Piciorul 2 este proiectat pentru a fi instalat în soclul rotorului pentru montarea pe acest rotor. Platforma 3 este realizată între piciorul 2 și pana 4 și conține o suprafață situată transversal față de axa A a lamei 1, formând un element de perete limitând traseul gaz-aer al acesteia. interior; peretele menţionat este format din toate platformele 3 ale paletelor 1 ale treptei turbinei luate în considerare, care sunt adiacente una cu cealaltă. Pena 4 este situată în principal de-a lungul axei principale A a lamei 1 și are o formă aerodinamică corespunzătoare scopului său, așa cum este cunoscut specialiștilor. Călcâiul 5 conține o platformă 5a, care este realizată la capătul exterior al penei 4 în esență transversală față de axa principală A a lamei 1.

După cum se arată în FIG. 2 și 4, platforma de călcâi 5 include o margine de avans 6 și o margine de fugă 7 direcționate transversal față de fluxul de gaz (debitul este în general paralel cu axa B a motorului turboreactor). Aceste două margini transversale, față 6 și spate 7, sunt conectate prin două margini laterale 8, 9, care au un profil în formă de Z: fiecare margine laterală 8, 9 conține două secțiuni longitudinale (8a, 8b, 9a, 9b respectiv) conectate unul față de celălalt o secțiune de 8", respectiv 9", care este substanțial transversală sau cel puțin înclinată în raport cu direcția fluxului de gaz. De-a lungul marginilor laterale 8, 9 călcâiul 5 vine în contact cu călcâiele a două pale adiacente de pe rotor. În special, pentru a amortiza vibrațiile la care sunt supuse în timpul funcționării, lamele sunt montate pe disc cu o solicitare substanțial de torsiune în jurul axei lor principale A. Călcâiele 5 sunt proiectate în așa fel încât lamele sunt supuse unei torsiuni. efort atunci când este susținut de lamele adiacente de-a lungul secțiunilor transversale 8" , 9" marginile laterale 8, 9.

Pornind de la suprafaţa exterioară a platformei 5a a călcâiului 5, sunt realizate plăci radiale 10, 11 sau scoici 10, 11, în acest caz în cantitate de două; de asemenea, este posibil să se asigure doar o lamă sau mai mult de două lame. Fiecare placă 10, 11 este realizată transversal pe axa B a motorului cu turbină cu gaz, pornind de la suprafața exterioară a călcâiului 5, între două secțiuni longitudinale opuse (8a, 8b, 9a, 9b) ale marginilor laterale 8, 9. a călcâiului 5.

Platforma 5a a călcâiului 5 este în general proiectată la un unghi radial în raport cu axa B a motorului cu turbină cu gaz. Într-adevăr, într-o turbină, secțiunea transversală a căii gaz-aer crește de la intrare la ieșire pentru a asigura expansiunea gazelor; astfel, platforma 5a a călcâiului 5 se îndepărtează de axa B a motorului cu turbină cu gaz de la intrare la ieșire, în timp ce suprafata interioara formează limita exterioară a căii gaz-aer.

În platforma 5a a călcâielor 5 se formează o primă baie 12 (datorită configurației matriței de turnare) Această primă baie 12 este o cavitate formată din suprafețele periferice 13 care formează o bordură, care sunt realizate pornind de la suprafața exterioară. ale platformei 5a și sunt conectate la suprafața 14, formând fundul 14 al băii 12. Suprafețele periferice 13 sunt dispuse substanțial radial și în acest caz sunt curbate pe interior, formând o interfață între suprafața exterioară a platformei 5a. și suprafața fundului 14 al căzii 12. Aceste suprafețe radiale curbate 15 sunt în general paralele cu marginile laterale 8, 9 și cu muchiile transversale 6, 7 ale platformei 5a a călcâiului 5, urmând forma când sunt privite de sus. (de-a lungul axei principale A a lamei 1). Este posibil ca unele zone ale călcâiului 5 să nu conțină astfel de suprafețe radiale 13, caz în care suprafața fundului 14 al băii 12 se extinde direct până la marginea laterală (vezi marginea 9a din FIG. 2) (trebuie remarcat faptul că în FIG. .4 aceste zone nu sunt în același loc).

O tavă 12 de acest tip a fost deja utilizată în lamele cunoscute. Funcția sa este de a ușura călcâiul 5 în timp ce îl menține proprietăți mecanice: grosimea plăcuței 5a a călcâiului 5 este semnificativă în apropierea marginilor laterale 8, 9, ale căror suprafețe laterale, fiind în contact cu lamele adiacente, sunt supuse unor solicitări puternice în timpul rotației lamei 1, în timp ce cele centrale o parte a plăcuței 5a a călcâiului 5, care este supusă unei solicitări mai mici, este realizată cu o adâncitură care formează prima baie 12.

În plus, călcâiul conține o baie 16 în prima baie 12, denumită în continuare a doua baie 16. A doua baie 16 este realizată la nivelul zonei de interfață 15 dintre călcâiul 5 și pana 4. În special, a doua baie 16. baia se face de-a lungul axei principale A a lamei 1 opusă interfeței zonei 15 dintre călcâiul 5 și pană 4.

A doua baie 16 este o cavitate formată din suprafețele periferice 17 care formează o margine care conectează suprafața fundului 14 al primei băi 12 cu suprafața 18 care formează fundul celei de-a doua băi 16 (și situată pe partea interioară în raport cu suprafața fundului 14 al primei băi 12). Suprafețele periferice 17 sunt dispuse substanțial radial, în acest caz fiind curbate pe laturile exterioare și interioare, formând o interfață între suprafața fundului 14 al primei băi 14 și suprafața fundului 18 al celei de-a doua băi 16. Acestea suprafețele radiale curbate 17 sunt în mod substanțial paralele cu suprafețele stiloului 4, urmând forma lor când sunt privite de sus (de-a lungul axei principale A a lamei 1) (vezi Fig. 4).

Cea de-a doua baie 16 este realizată în timpul turnării turnării (cu alte cuvinte, configurația matriței de înveliș care permite turnarea lamei 1 este adaptată pentru turnarea unei astfel de băi 16). Lama este realizata prin turnare folosind modele de ceara pierduta, asa cum este indicat mai sus in descriere.

Prezența celei de-a doua băi 16 evită grosimea excesivă în zona de interfață 15 dintre călcâiul 5 și pana 4. Datorită acestui fapt, în timpul turnării metalului în matrița coajă, metalul este distribuit mai uniform, ceea ce evită formarea de porozitatea, chiar dacă metalul este turnat doar la un punct de turnare.

Astfel, lama 1 poate fi produsă printr-o metodă de turnare prin investiție cu o singură intrare de umplere cu metal lichid pentru fiecare matriță de înveliș, iar această metodă este mai simplă și mai ieftină. Dacă formele sunt combinate în blocuri, metoda este și mai simplă. În plus, prin turnarea în matriță de coajă printr-un singur orificiu de turnare, lama fabricată conține doar o singură acumulare reziduală, care este îndepărtată prin prelucrare. Prelucrarea mecanică a unei astfel de piese este mai simplă.

În plus, masa și, prin urmare, costul lamei 1 este redusă prin prezența unei a doua tăvi 16, în timp ce solicitările asupra călcâiului 5, precum și solicitările asupra lamei 4, sunt mai bine distribuite și, prin urmare, sunt mai bine absorbite de către lama 1.

În acest caz, stiloul 4 este realizat sub forma unui perete solid, adică fără răcire folosind o manta sau o cavitate realizată în grosimea peretelui său. Este de preferat ca suprafețele periferice 17 și suprafața inferioară 18 a celei de-a doua băi 16 să fie proiectate astfel încât grosimea lamei 1 să fie substanțial constantă în zona de interfață 15 dintre călcâiul 5 și lama 4. Acest lucru semn distinctiv vizibil clar în fig. 3. În special, dacă desemnăm 15a, 15b suprafeţele curbe ale penei 4 la nivelul zonei de interfaţă 15 dintre pana 4 şi călcâiul 5, atunci în fig. 3 se poate observa că suprafeţele radiale curbate 17 ale celei de-a doua tăvi 16 sunt realizate în mod substanţial paralel cu suprafeţele curbe 15a, 15b ale penei 4, vizavi de care sunt situate. în exemplul de realizare ilustrat, raza suprafeţelor radiale curbate 17 ale celei de-a doua cuve 16 nu este identică cu raza suprafeţelor curbate opuse 15a, 15b ale penei 4, dar totuşi aceste suprafeţe sunt în esenţă paralele.

Partea celei de-a doua băi 16, situată în fig. 3 din stânga este caracterizată printr-o formă curbată continuă fără nicio porțiune plană între suprafața radială curbată 13 a primei băi 12, fundul 14 al primei băi 12 și suprafața radială curbată 17 a celei de-a doua băi 16. Totuși, pe partea celei de-a doua băi 16 situată în fig. 3 din dreapta, fiecare dintre aceste zone este clar vizibilă. Executarea diferitelor secțiuni între ele în zona luată în considerare (în secțiune) depinde de poziția suprafețelor călcâiului 5 în raport cu suprafețele penei 4.

Invenţia este descrisă pentru o paletă de turbină mobilă. Totodată, de fapt, poate fi folosit pentru orice lamă realizată prin turnare și care conține o pană, la capătul căreia se realizează un călcâi sub forma unei singure piese cu pană.

REVENDICARE

1. Paleta unui motor cu turbină cu gaz, realizată prin turnare, care conține o pană, la capătul căreia se află un călcâi, realizat sub forma unei singure piese cu o pană, cu care se leagă la nivelul zona de interfață, în timp ce călcâiul conține o platformă pe care cel puțin una este realizată o placă de etanșare, iar în platformă se realizează o primă baie, caracterizată prin aceea că se realizează o a doua baie în prima baie la nivelul zonei de interfață dintre pene. și călcâiul.

2. Lamă conform revendicării 1, în care prima baie este limitată de suprafeţe radiale şi fund, iar cea de-a doua baie este realizată în fundul primei băi.

3. Lamă conform revendicării 1, în care cea de-a doua baie este realizată de-a lungul axei principale (A) a lamei opusă zonei de interfaţă dintre călcâi şi pană.

4. Lama conform revendicării 3, în care pana este formată dintr-un perete solid și conține suprafețe curbate în zona de împerechere, iar a doua baie conține suprafețe radiale curbate și o suprafață de fund, în timp ce suprafețele radiale curbate ale celei de-a doua băi sunt situate practic paralel cu suprafețele curbate ale penei în zona de interfață, ceea ce asigură o grosime substanțial constantă a lamei în zona de interfață.

5. Turbină care conţine cel puţin o paletă conform revendicării 1.

6. Motor cu turbină cu gaz care conţine cel puţin o turbină conform revendicării 5.

1

Lucrarea discută metode de fabricare a palelor compresoarelor de înaltă presiune pentru motoarele cu turbină cu gaz. Prima metodă este de a procesa profilul profilului aerodinamic al lamei prin frezare pe mașini de coordonate cu control numeric urmată de modificare manuală. A doua metodă este prelucrarea electrochimică, care elimină prelucrarea mecanică și manuală a penelor lamei. Au fost studiate problemele de fabricare a paletelor de compresor folosind metoda de frezare. Sunt prezentate probleme curente, a căror soluție va îmbunătăți acuratețea, calitatea și va elimina lucrările manuale de șlefuire și lustruire. Sunt date avantajele prelucrării electrochimice. Sunt prezentate și analizate costurile și intensitatea forței de muncă pentru pregătirea producției, costurile și intensitatea forței de muncă pentru fabricarea lamelor. Lucrarea prezintă și rezultatele măsurătorilor palelor compresorului. Cele mai bune rezultate în ceea ce privește precizia și stabilitatea geometriei profilului penei au fost obținute în urma prelucrării electrochimice.

prelucrare electrochimică

frezarea

analiza comparativa

motor cu turbină cu gaz

1. Galiev V.E., Fatkullina D.Z. Proces tehnologic promițător pentru fabricarea palelor de compresoare de precizie [Text] / V.E. Galiev, D.Z. Fatkullina // Buletinul UGATU. – 2014. – Nr 3. – P. 9–105.

2. Nekhorosheev M.V. Utilizarea modelării volumetrice și plane a unei celule electrochimice cu doi electrozi în programul ANSYS [Text] / M.V. Nekhorosheev, N.D. Pronichev, G.V. Smirnov // Buletinul Universității Samara. Inginerie aerospațială, tehnologie și inginerie mecanică. – 2012. – Nr. 3–3. – p. 98–102.

3. Lunev A.N. Optimizarea parametrilor de frezare Lame GTE pe mașini CNC [Text] / A.N. Lunev, L.T. Moiseeva, M.V. Solomina // Știrile Celui Superior institutii de invatamant. Tehnologia aviației. – 2007. – Nr 2. – P. 52–55.

4. Nekhorosheev M.V. Automatizarea proiectării tehnologiei de prelucrare electrochimică a palelor motoarelor cu turbine cu gaz pe baza modelării computerizate a procesului de modelare [Text] / M.V. Nekhorosheev., N.D. Pronichev., G.V. Smirnov // Știrile Centrului Științific Samara al Academiei Ruse de Științe. – 2013. – T. 15, Nr. 4–6. – p. 897–900.

5. Pavlinich S.P. Perspective de utilizare a prelucrărilor electrochimice pulsate în producția de piese de motoare cu turbine cu gaz [Text] / S.P. Pavlinich // Buletinul UGATU. – 2008. – Nr 2. – P. 105–115.

6. Producția de motoare cu turbină cu gaz [Text]: manual de referință / A.M. Abramov, I.L. Zelikov, M.F. Idzon et al. - M.: Editura „INGINERIA MECANICA”, 1996. - 472 p.

7. Elaborarea unei strategii de creare a proceselor tehnologice inovatoare [Text]: Manual / N.D. Pronichev, A.P. Shulepov, L.A. Chempinsky, A.V. Meshcheryakov. – Samara: Samara State Aerospace University, 2011. – 166 p.

8. Tehnologia producerii motoarelor cu turbine cu gaz de aviație [Text]: Manual pentru universități / Yu.S. Eliseev, A.G. Boytsov, V.V. Krymov, L.A. Hvorostukhin. – M.: Mashinostroenie, 2003. – 512 p.

9. Tolkaciov A.V. Creșterea productivității lustruirii prin vibrații a palelor compresorului motorului cu turbină cu gaz cu granule abrazive: dis... cand. acestea. Sci. – Rybinsk, 2015. – 136 p.

10. Turanov A.V. La metoda de calcul a modurilor de frezare a suprafețelor palelor motoarelor cu turbine cu gaz pe mașini CNC [Text]/A.V. Turanov, L.T. Moiseeva, A.N. Lunev // Știri ale instituțiilor de învățământ superior. Tehnologia aviației. – 2005. – Nr 2. – P. 60–64.

Paletele compresorului sunt părți critice și masive ale unui motor cu turbină cu gaz. Durata de viață și costul final al motorului vor depinde de tehnologia de fabricație a lamei aleasă corect.

Asigurarea unei date de viață a lamei depinde în mare măsură de o serie de factori tehnologici. Starea stratului de suprafață al lamelor, prezența urmelor prelucrărilor anterioare (rugozitatea suprafeței), care sunt concentratoare de tensiuni, au un impact semnificativ asupra rezistenței pe termen lung și la oboseală a lamelor în timpul funcționării.

Prin urmare, fabricarea lamelor, chiar și în producția la scară mică, necesită utilizarea unor procese tehnologice moderne, echipamente performante și automatizarea procesului de fabricație și control.

Una dintre tehnologiile utilizate pe scară largă pentru fabricarea palelor de compresor ale unui motor cu turbină cu gaz este frezarea pe mașini de coordonate cu rafinare manuală ulterioară, în special operațiuni de finisare. Cu toate acestea, această tehnologie are o serie de dezavantaje:

Precizie și performanță scăzute;

Necesitatea utilizării operațiunilor manuale;

Muncitor cu inalta calificare in operatii manuale finale pentru finisarea profilului lamelor;

Condiții dăunătoare pentru lucrători la efectuarea lucrărilor manuale de șlefuire și lustruire;

Cost ridicat și uzură rapidă a sculelor de tăiere;

Control 100% necesar.

Sarcinile curente în fabricarea palelor compresoarelor motoarelor cu turbină cu gaz sunt:

Automatizarea operațiunilor de finisare pentru prelucrarea profilului stiloului. Eliminarea operațiunilor manuale va îmbunătăți calitatea și stabilitatea procesului tehnologic de fabricare a palelor motoarelor cu turbine cu gaz;

Utilizarea metodelor de prelucrare fizică și chimică va elimina utilizarea sculelor de tăiere scumpe și va crește productivitatea prelucrării;

Automatizarea inspecției paletelor motorului turbinei cu gaz.

Una dintre cele mai eficiente și promițătoare domenii pentru fabricarea lamelor este procesarea electrochimică. Avantajele prelucrării electrochimice sunt:

Timp de producție redus pentru lame și capacitatea de a prelucrare eficientă materiale dificil de prelucrat;

Calitatea suprafeței după tratarea electrochimică necesită o postfinisare minimă;

Durată mare de viață a sculei;

În plus, se observă că lamele după ECM au stabilitate gaz-dinamică crescută, o răspândire redusă a frecvențelor naturale de vibrație și o rezistență crescută la oboseală datorită scăderii tensiunilor reziduale.

Este cunoscut faptul că producătorii străini de motoare cu turbină cu gaz (cum ar fi General Electric Company, MTU Aero Engines GmbH, Volvo Aero Corporation etc.) utilizează cu succes ECM atât ca operație de modelare preliminară a canalului inter-lame al monoroților folosind non- electrozi profilaţi, iar pentru prelucrarea dimensională a profilului lamei cu cele profilate.electrozi şi instrumente.

S-au început lucrările în acest domeniu și s-au înregistrat progrese semnificative la școlile de prelucrare electrochimică NIID (Moscova), Kazan (KAI, KSTU), Samara (SAI) și Ufa (Institutul de Cercetare în Petrologie și Tehnologie ECHO de la UGATU).

Pentru analiză, au fost alese două metode pentru fabricarea palelor de compresor de înaltă presiune ale unui motor cu turbină cu gaz.

Prima cale. Fabricarea paletelor pe mașini de frezat coordonate, Fig. 1. Un paralelipiped frezat, fabricat cu o precizie de 0,1 mm, este folosit ca piesă inițială de prelucrat. Blocarea coadă de rândunică este formată pe o mașină de broșare orizontală. În continuare, frezarea complexă a tuturor elementelor părții de curgere a lamei este efectuată pe mașini coordonate controlate numeric, cu o alocație pentru finisare. În procesul complex de frezare, piesa de prelucrat este susținută de o coadă în coadă de rândunică. Etapa finală a fabricării lamelor este prelucrarea manuală sau prelucrarea curelei fără sfârșit.

A doua cale. Fabricarea lamelor pe mașini electrochimice, Fig. 2. Un paralelipiped lustruit, fabricat cu o precizie de 0,02 mm, este folosit ca piesă inițială de prelucrat. În procesul de prelucrare electrochimică, suprafețele tractului sunt formate cu o alocație pentru finisare. Apoi, tija coadă de rândunică este formată pe o mașină de broșare orizontală. Operația finală se efectuează pe o mașină de șlefuit cu vibrații.

Să analizăm ambele metode de fabricare a palelor compresorului. Imaginea cea mai completă poate fi obținută prin compararea costurilor și intensității forței de muncă a pregătirii producției, a costurilor și a intensității forței de muncă de fabricare a piesei, precum și a preciziei și stabilității fabricării lamelor. Pentru analiză, au fost fabricate două loturi de lame folosind metodele de mai sus.

Orez. 1. Principalele etape ale fabricației paletelor compresorului

Orez. 2. Principalele etape ale fabricației paletelor compresorului

tabelul 1

Costuri de bază pentru pregătirea producției

	Intensitatea muncii planificată n.h.		Cost 1 bucata. freca.		Incl. costuri materiale
	de fabricație	re-macinare	de fabricație	re-macinare
Frezarea
Freză nr. 1
Freză nr. 2
Freză nr. 3
Freză nr. 4
Freză nr. 5
Freza nr 6
Freza nr 7
Dispozitiv
Prelucrare electrochimică
Electrodul nr. 1
Electrodul nr. 2
Dispozitiv

Orez. 3. Costul de fabricație a echipamentelor tehnologice

Orez. 4. Intensitatea forței de muncă a echipamentelor tehnologice de fabricație

În procesul de proiectare a unui proces tehnologic, factori importanți sunt timpul și costurile pentru pregătirea producției (Tabelul 1). În tabel 1 a inclus principalele costuri pentru fabricarea echipamentelor pentru frezare (prima metodă) și prelucrarea electrochimică (a doua metodă) a sculelor așchietoare și a electrozilor pentru scule. Când luăm în considerare tabelul. 1 devine evident că costurile materialelor și intensitatea forței de muncă pentru pregătirea producției pentru prelucrarea electrochimică sunt mai mari decât pentru măcinare.

Intensitatea totală a forței de muncă și costul de fabricație a echipamentelor tehnologice sunt prezentate în Fig. 3 și 4.

Complexitatea și costul principalelor operațiuni pentru fabricarea lamelor sunt prezentate în Tabel. 2. Cerințele ridicate pentru precizia fabricării unei piese de prelucrat pentru prelucrare electrochimică duc la utilizarea de operație suplimentară„slefuire de suprafață”. Timpul petrecut pentru prelucrarea unui complex de suprafețe ale paletelor compresorului folosind metoda electrochimică este mai mic decât la frezare. Tot de la masă. 2 arată că tehnologia de „frezare” necesită utilizarea lucrărilor manuale de finisare, ceea ce crește costul produsului finit.

Intensitatea totală a forței de muncă și costul de fabricație a unei lame sunt prezentate în Fig. 4 și 5.

masa 2

Intensitatea muncii și costul principalelor operațiuni de fabricație a lamelor

		Intensitatea muncii, n.h.		Cost, freacă.
		Frezarea		Frezarea
	Frezarea			93 freacă. 90,3 cop.	93 freacă. 90,30 copeici
	Măcinare				26 frecați. 27,50 copeici
	Tragând încuietoarea			7 frecați. 43,10 cop.	7 frecați. 43,10 cop.
	Tratarea suprafețelor tractului			100 de ruble. 00 cop.	70 de freci. 00 cop.
	Operare manuală			40 de freci. 30,20 copeici
	Slefuire vibratorie				5 frecați. 40 de copeici

Orez. 5. Complexitatea totală a fabricării unei piese

Orez. 6. Costul total de fabricație a unei piese

În fig. Figura 7 prezintă o analiză comparativă a costurilor de fabricație a unei piese. La calcularea costurilor, am ținut cont de costurile de fabricație a echipamentelor tehnologice cu reașarea și repararea ulterioară a acestora. După cum se poate observa din figură, creșterea programului de producție a piesei reduce costul unei piese. Cu toate acestea, sunt suportate costuri semnificative pentru lamele fabricate folosind tehnologia de frezare. Acest fenomen se explică prin uzura rapidă a sculei de tăiere.

Absența virtuală a uzurii electrozilor în timpul procesării electrochimice reduce costul de fabricație a lamelor.

Precizia fabricării lamei și stabilitatea proceselor tehnologice Fig. 1 și 2 sunt rezumate în Fig. 8.

Măsurătorile lamelor finite au fost efectuate pe o mașină de măsurat de control. Măsurătorile au fost efectuate de-a lungul marginilor de intrare și de ieșire în patru secțiuni. Din figură rezultă că cea mai mare acuratețe și repetabilitate a obținerii dimensiunilor geometrice ale marginilor lamei se realizează prin metoda prelucrării electrochimice. O creștere semnificativă a stabilității și acurateței fabricării lamelor folosind prelucrarea electrochimică se datorează eliminării operațiilor manuale.

Luate împreună, având în vedere datele obținute, se pot trage următoarele concluzii.

Utilizarea unor echipamente mai complexe în procesul de prelucrare electrochimică crește semnificativ costurile și timpul de pregătire a producției. Astfel, măcinarea este o metodă de prelucrare mai flexibilă și mai rapid adaptabilă. Costurile și intensitatea forței de muncă pentru pregătirea producției de prelucrare de măcinare sunt mai mici decât cele de prelucrare electrochimică (Fig. 1 și 2).

Costul de fabricație a lamelor folosind tehnologia de frezare este mai mare decât utilizarea prelucrării electrochimice. Creșterea costului se datorează faptului că după operația de frezare sunt necesare operații manuale.

Orez. 7. Grafic comparativ al costurilor pentru fabricarea unei piese în funcție de numărul de lame produse

Orez. 8. Fabricare de precizie a marginilor

Costurile de fabricație a lamelor folosind tehnologia de frezare sunt mai mari decât cele care utilizează prelucrarea electrochimică (Fig. 7). Un cost semnificativ este achiziționarea de scule de tăiere scumpe.

Precizia și stabilitatea prelucrării electrochimice este mult mai mare.

Link bibliografic

Valiev A.I. ANALIZA COMPARATIVA A FABRICĂRII PÂLELOR COMPRESORULUI MOTOR TURBINELOR PE GAZ // Cercetare de baza. – 2017. – Nr 5. – P. 36-41;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41503 (data acces: 28/03/2019). Vă aducem în atenție reviste apărute la editura „Academia de Științe ale Naturii”

Probabil că toată lumea știe că, oricât de mult ar încerca chinezii, nu pot copia motoarele cu reacție moderne. Toate. au copiat ce au putut și și-au luat propriul SUSHKA, dar motorul mai trebuie cumpărat în Federația Rusă. Tocmai am citit un articol pe ViMe: http://www.warandpeace.ru/ru/news/view/74298/ „China încă nu poate copia un motor cu reacție modern.” Mai mult, înțeleg că există tehnologii ultramoderne, dezvoltări, matematică etc, etc, etc... Dar pentru a înțelege mai detaliat ce se întâmplă de fapt aici, recomand să citești următorul articol.

MOTOARE ȘI MATERIALE

Puterea oricărui motor termic este determinată de temperatura fluidului de lucru - în cazul unui motor cu reacție, aceasta este temperatura gazului care curge din camerele de ardere. Cu cât temperatura gazului este mai mare, cu atât motorul este mai puternic, cu atât este mai mare forța sa, cu atât eficiența este mai mare și caracteristicile de greutate sunt mai bune. Un motor cu turbină cu gaz conține un compresor de aer. Este antrenat în rotație de o turbină cu gaz așezată pe același arbore. Compresorul se comprimă aerul atmosferic până la 6-7 atmosfere și îl direcționează în camerele de ardere, unde se injectează combustibil - kerosen. Fluxul de gaz fierbinte care curge din camere - produse de ardere a kerosenului - rotește turbina și, zburând prin duză, creează tracțiune de jet și propulsează aeronava. Temperaturile ridicate apărute în camerele de ardere au necesitat crearea de noi tehnologii și utilizarea de noi materiale pentru construcția unuia dintre cele mai critice elemente ale motorului - statorul și paletele rotorului turbinei cu gaz. Ele trebuie să reziste la temperaturi enorme timp de multe ore, fără a pierde rezistența mecanică, la care se topesc deja multe oțeluri și aliaje. În primul rând, acest lucru se aplică palelor turbinei - ele percep un flux de gaze fierbinți încălzite la temperaturi de peste 1600 K. Teoretic, temperatura gazului în fața turbinei poate ajunge la 2200 K (1927 o C). La momentul nașterii aviației cu reacție – imediat după război – nu existau la noi materiale din care se putea realiza pale capabile să reziste mult timp la sarcini mecanice mari.
La scurt timp după încheierea Marelui Război Patriotic, un laborator special de la VIAM a început să lucreze la crearea aliajelor pentru fabricarea palelor de turbine. Acesta a fost condus de Serghei Timofeevici Kișkin.

ÎN ANGLIA PENTRU METAL

Primul design intern al unui motor turboreactor a fost creat la Leningrad de designerul de motoare de avioane Arkhip Mikhailovich Lyulka chiar înainte de război. La sfârşitul anilor 1930 a fost reprimat, dar, anticipând probabil arestarea sa, a reuşit să îngroape desenele motorului în curtea institutului. În timpul războiului, conducerea țării a aflat că germanii au creat deja avioane cu reacție (prima aeronavă cu motor turboreactor a fost Heinkel He-178 germană, proiectată în 1939 ca laborator zburător; prima aeronave de luptă de producție a fost bimotor Messerschmitt Me-262 Apoi Stalin l-a chemat pe L.P. Beria, care a supravegheat noile dezvoltări militare, și a cerut să-i găsească pe cei care lucrează la motoare cu reacție în țara noastră. A.M. Lyulka a fost eliberat rapid și i-a dat sediul la Moscova pe strada Galushkina pentru primul birou de proiectare motoare cu reacție. Arkhip Mihailovici și-a găsit și dezgropat desenele, dar motorul conform designului său nu a funcționat imediat. Apoi au luat pur și simplu un motor turborreactor cumpărat de la britanici și l-au repetat unul câte unul. Dar s-a ajuns la materiale care nu erau disponibile în Uniunea Sovietică, dar erau disponibile în Anglia, iar compoziția lor, desigur, a fost clasificată, dar au reușit totuși să o descifreze.
Ajuns în Anglia pentru a se familiariza cu producția de motoare, S. T. Kishkin a apărut peste tot purtând cizme cu tălpi groase microporoase. Și, după ce a vizitat uzina unde au fost prelucrate palele turbinei într-un tur, el, lângă mașină, a călcat ca din întâmplare pe așchii căzuți din piesă. O bucată de metal s-a prăbușit în cauciuc moale, a rămas blocată în ea, apoi a fost scoasă și supusă unei analize amănunțite la Moscova. Rezultatele analizei metalului englez și cercetărilor interne extinse efectuate la VIAM au făcut posibilă crearea primelor aliaje de nichel rezistente la căldură pentru paletele turbinelor și, cel mai important, dezvoltarea bazelor teoriei structurii și producției acestora. .

S-a constatat că principalul purtător al rezistenței la căldură a unor astfel de aliaje sunt particulele submicroscopice ale fazei intermetalice bazate pe compusul Ni3Al. Lamele din primele aliaje de nichel rezistente la căldură puteau funcționa mult timp dacă temperatura gazului în fața turbinei nu depășește 900-1000 K.

TURNARE ÎN LOC DE STAMPARE

Lamele primelor motoare au fost ștanțate dintr-un aliaj turnat într-o tijă, la o formă care amintește vag de produsul finit, și apoi prelucrate cu grijă și minuțios. Dar aici a apărut o dificultate neașteptată: pentru a crește temperatura de funcționare a materialului, i-au fost adăugate elemente de aliere - wolfram, molibden, niobiu. Dar au făcut aliajul atât de dur încât a devenit imposibil să-l ștampileze - nu a putut fi turnat folosind metode de deformare la cald.
Apoi Kishkin a sugerat să arunce lamele. Proiectanții motoarelor au fost indignați: în primul rând, după turnare, lama ar mai trebui prelucrată pe mașini și, cel mai important, cum poate fi instalată o lamă turnată în motor? Metalul lamelor ștanțate este foarte dens, rezistența sa este mare, dar metalul turnat rămâne mai liber și evident mai puțin durabil decât metalul ștanțat. Dar Kishkin a reușit să-i convingă pe sceptici, iar VIAM a creat aliaje speciale de turnare rezistente la căldură și tehnologie de turnare cu lame. Au fost efectuate teste, după care aproape toate motoarele cu turboreacție de aviație au început să fie produse cu pale de turbine turnate.
Primele lame au fost solide și au durat mult temperatura ridicata nu ar putea. A fost necesar să se creeze un sistem de răcire pentru ei. Pentru a face acest lucru, au decis să facă canale longitudinale în pale pentru a furniza aer de răcire din compresor. Această idee nu era atât de fierbinte: cu cât mai mult aer din compresor este folosit pentru răcire, cu atât mai puțin va intra în camerele de ardere. Dar nu era încotro - resursa turbinei trebuie mărită cu orice preț.

Au început să proiecteze lame cu mai multe canale de răcire situate de-a lungul axei lamei. Cu toate acestea, a devenit curând clar că acest design a fost ineficient: aerul curge prin canal prea repede, zona suprafeței răcite este mică și căldura nu este îndepărtată suficient. Au încercat să schimbe configurația cavității interne a lamei introducând acolo un deflector, care deviază și întârzie fluxul de aer, sau să facă canalele de o formă mai complexă. La un moment dat, specialiștii în motoare de avioane au fost captivați de o idee tentantă - de a crea o lamă în întregime ceramică: ceramica poate rezista la temperaturi foarte ridicate și nu trebuie să fie răcită. Au trecut aproape cincizeci de ani de atunci, dar până acum nimeni în lume nu a realizat un motor cu pale ceramice, deși încercările continuă.

CUM SĂ FACEȚI O LAmă turnată

Tehnologia de fabricare a palelor de turbine se numește turnare cu ceară pierdută. Mai întâi, se realizează un model de ceară al viitoarei lame, turnându-l într-o matriță, în care cilindrii de cuarț sunt plasați mai întâi în locul viitoarelor canale de răcire (mai târziu au început să folosească alte materiale). Modelul este acoperit cu masă ceramică lichidă. După ce se usucă, ceara se topește cu apă fierbinte și masa ceramica a arde. Rezultatul este o matriță care poate rezista la temperatura metalului topit de la 1450 la 1500 o C, în funcție de calitatea aliajului. Metalul este turnat în matriță, care se întărește sub forma unei lame finisate, dar cu tije de cuarț în loc de canale în interior. Tijele sunt îndepărtate prin dizolvarea în acid fluorhidric. Această operațiune este efectuată într-o încăpere închisă ermetic de către un muncitor în costum spațial cu furtun de alimentare cu aer. Tehnologia este incomodă, periculoasă și dăunătoare.
Pentru a elimina această operațiune, VIAM a început să producă tije din oxid de aluminiu cu adaos de 10-15% oxid de siliciu, care se dizolvă în alcali. Materialul lamelor nu reacționează cu alcalii, iar oxidul de aluminiu rămas este îndepărtat cu un jet puternic de apă.
ÎN Viata de zi cu zi Suntem obișnuiți să considerăm produsele turnate ca fiind foarte aspre și aspre. Dar am reușit să selectăm astfel de compoziții ceramice încât forma lor să fie complet netedă și turnarea nu necesită aproape nicio prelucrare mecanică. Acest lucru simplifică foarte mult munca: lamele au o formă foarte complexă și nu sunt ușor de prelucrat.
Materialele noi necesitau tehnologii noi. Indiferent cât de convenabilă a fost adăugarea de oxid de siliciu la materialul tijei, acesta a trebuit să fie abandonat. Punctul de topire al oxidului de aluminiu Al 2 O 3 este de 2050 o C, iar oxidul de siliciu SiO 2 este de numai aproximativ 1700 o C, iar aliajele noi rezistente la căldură au distrus tijele deja în timpul procesului de turnare.
Pentru a se asigura că matrița de oxid de aluminiu își păstrează rezistența, se arde la o temperatură mai mare decât temperatura metalului lichid care este turnat în ea. În plus, geometria internă a matriței nu trebuie să se schimbe la turnare: pereții lamelor sunt foarte subțiri, iar dimensiunile trebuie să corespundă exact cu cele calculate. De aceea valoare admisibilă contracția mucegaiului nu trebuie să depășească 1%.

DE CE AM REFUZAT LAME STAMPATATE

După cum sa menționat deja, după ștanțare, lama a trebuit să fie prelucrată. În acest caz, 90% din metal a intrat în așchii. Sarcina a fost stabilită: să se creeze o astfel de tehnologie de turnare de precizie care să producă imediat un anumit profil al lamei, iar produsul finit ar trebui doar să fie lustruit și aplicat un strat de protecție împotriva căldurii. Nu mai puțin importantă este structura care se formează în corpul lamei și îndeplinește sarcina de a o răcire.
Astfel, este foarte important să se realizeze o lamă care să se răcească eficient fără a reduce temperatura gazului de lucru și să aibă o rezistență ridicată pe termen lung. Această problemă a fost rezolvată prin aranjarea canalelor în corpul lamei și a orificiilor de evacuare din acesta, astfel încât în ​​jurul lamei să apară o peliculă subțire de aer. În acest caz, ucid două păsări dintr-o singură piatră: gazele fierbinți nu intră în contact cu materialul lamei și, prin urmare, nu îl încălzesc și nu se răcesc.
Există o analogie aici cu protecția termică a unei rachete spațiale. Când o rachetă intră în straturile dense ale atmosferei cu viteză mare, așa-numita acoperire sacrificială care acoperă focosul începe să se evapore și să ardă. Acesta preia fluxul principal de căldură, iar produsele arderii sale formează un fel de pernă de protecție. Designul unei pale de turbină se bazează pe același principiu, se folosește doar aer în loc de o acoperire sacrificială. Adevărat, lamele trebuie, de asemenea, protejate de eroziune și coroziune.

Procedura de realizare a unei lame este următoarea. În primul rând, se creează un aliaj de nichel cu parametri specificați pentru rezistența mecanică și rezistența la căldură, pentru care se introduc aditivi de aliere în nichel: 6% aluminiu, 6-10% wolfram, tantal, reniu și puțin ruteniu. Ele vă permit să obțineți performanța maximă la temperatură ridicată pentru aliajele pe bază de nichel turnat (este tentant să creșteți și mai mult acest lucru folosind mai mult reniu, dar este nebun de scump). Utilizarea siliciurului de niobiu este considerată o direcție promițătoare, dar aceasta este o chestiune de viitor îndepărtat.
Dar aliajul este turnat în matriță la o temperatură de 1450 o C și se răcește odată cu acesta. Metalul de răcire cristalizează, formând boabe individuale echiaxiale, adică aproximativ de aceeași dimensiune în toate direcțiile. Boabele în sine pot fi mari sau mici. Ele nu aderă în mod fiabil, iar lamele de lucru au fost distruse de-a lungul granițelor de cereale și sparte în bucăți. Nicio lamă nu ar putea dura mai mult de 50 de ore. Apoi am propus introducerea unui modificator în materialul matriței de turnare - cristale de aluminat de cobalt. Ele servesc ca centre, nuclee de cristalizare, accelerând procesul de formare a boabelor. Boabele sunt uniforme și mici. Lamele noi au început să funcționeze timp de 500 de ore. Această tehnologie, care a fost dezvoltată de E. N. Kablov, încă funcționează și funcționează bine. Și noi, cei de la VIAM, producem tone de aluminat de cobalt și îl furnizăm fabricilor.
Puterea motoarelor cu reacție a crescut, temperatura și presiunea jetului de gaz au crescut. Și a devenit clar că structura multi-granule a metalului lamei nu va putea funcționa în noile condiții. Era nevoie de alte idei. Au fost găsiți și aduși pe scenă dezvoltare tehnologicăși a devenit cunoscut sub numele de cristalizare direcțională. Aceasta înseamnă că metalul, la solidificare, nu formează granule echiaxiale, ci cristale lungi columnare alungite strict de-a lungul axei lamei. O lamă cu o astfel de structură va rezista foarte bine la fractură. Îmi amintesc imediat de vechea pildă despre o mătură care nu poate fi spartă, deși toate crengile ei individuale se sparg fără dificultate.

CUM SE PRODUCE CRISTALIZAREA DIRIJATĂ

Pentru a se asigura că cristalele care formează paleta cresc corespunzător, matrița care conține metalul topit este îndepărtată încet din zona de încălzire. În acest caz, matrița cu metal lichid stă pe un disc masiv de cupru răcit de apă. Creșterea cristalelor începe de jos și crește cu o viteză aproape egală cu viteza cu care matrița iese din încălzitor. La crearea tehnologiei de cristalizare direcțională, a fost necesar să se măsoare și să se calculeze mulți parametri - rata de cristalizare, temperatura încălzitorului, gradientul de temperatură dintre încălzitor și frigider etc. A fost necesar să se selecteze o astfel de viteză de mișcarea matriței pe care cristalele columnare ar crește pe toată lungimea lamei. Dacă toate aceste condiții sunt îndeplinite, pentru fiecare centimetru pătrat al secțiunii transversale a lamei cresc 5-7 cristale columnare lungi. Această tehnologie a permis crearea unei noi generații de motoare de aeronave. Dar am mers și mai departe.
După ce am studiat cristalele colonare crescute folosind metode cu raze X, ne-am dat seama că întreaga lamă poate fi făcută dintr-un singur cristal, care nu va avea limite între cereale - cele mai slabe elemente ale structurii de-a lungul cărora începe distrugerea. Pentru a face acest lucru, au făcut o sămânță care a permis doar unui cristal să crească într-o direcție dată (formula cristalografică a unei astfel de semințe este 0-0-1; asta înseamnă că cristalul crește în direcția axei Z, dar nu în direcția X-Y). Sămânța a fost pusă în partea inferioară a matriței și metalul a fost turnat, răcindu-l intens de jos. Cristalul unic în creștere a căpătat forma unei lame.
Inginerii americani au folosit pentru răcire un cristalizator de cupru răcit cu apă. Și după mai multe experimente, am înlocuit-o cu o baie de staniu topit la o temperatură de 600-700 K. Acest lucru a făcut posibilă selectarea mai precisă a gradientului de temperatură necesar și obținerea de produse Calitate superioară. VIAM a construit instalații cu băi pentru creșterea lamelor monocristaline - mașini foarte avansate cu control computerizat.
În anii 1990, când URSS s-a prăbușit, în teritoriu Germania de Est Au rămas avioanele sovietice, în principal avioane de luptă MiG. Motoarele lor aveau lame din producția noastră. Metalul lamelor a fost examinat de americani, după care destul de curând specialiștii lor au venit la VIAM și au cerut să arate cine l-a creat și cum. S-a dovedit că li s-a dat sarcina de a face lame monocristaline lungi de un metru, pe care nu le-au putut rezolva. Am proiectat o instalație pentru turnarea cu gradient înalt a palelor mari pentru turbine de putere și am încercat să oferim tehnologia noastră Gazprom și RAO UES din Rusia, dar nu s-au arătat interesați. Cu toate acestea, avem deja o instalație industrială aproape gata făcută pentru turnarea lamelor lungi de un metru și vom încerca să convingem conducerea acestor companii de necesitatea implementării acesteia.

Apropo, turbinele pentru sectorul energetic sunt o altă problemă interesantă pe care VIAM o rezolva. Motoarele de aeronave care au ajuns la sfârșitul duratei de viață au început să fie utilizate la stațiile de comprimare a conductelor de gaz și în centralele electrice care alimentează pompele pentru conductele de petrol. Acum a devenit urgent să creăm motoare speciale pentru aceste nevoi care să funcționeze la temperaturi mult mai scăzute și presiunea gazului de lucru, dar pentru mult mai mult timp. Dacă durata de viață a unui motor de avion este de aproximativ 500 de ore, atunci turbinele de pe conducta de petrol și gaze ar trebui să funcționeze timp de 20-50 de mii de ore. Unul dintre primii care a început să lucreze la ele a fost biroul de proiectare Samara sub conducerea lui Nikolai Dmitrievich Kuznetsov.

Aliaje rezistente la căldură

Lama monocristalină nu crește solid - în interiorul ei are o cavitate de formă complexă pentru răcire. Împreună cu CIAM, am dezvoltat o configurație de cavitate care asigură un coeficient de eficiență de răcire (raportul dintre temperaturile metalului lamei și gazul de lucru) de 0,8, de aproape o ori și jumătate mai mare decât cel al produselor de serie.

Acestea sunt lamele pe care le oferim pentru motoarele de nouă generație. Acum temperatura gazului din fața turbinei abia ajunge la 1950 K, iar la motoarele noi va ajunge la 2000-2200 K. Pentru ei, am dezvoltat deja aliaje rezistente la căldură, care conțin până la cincisprezece elemente ale tabelului periodic, inclusiv reniu și ruteniu și acoperiri de protecție termică, în care includ nichel, crom, aluminiu și ytriu, iar în viitor - ceramică din oxid de zirconiu stabilizat cu oxid de ytriu.

Aliajele din prima generație conțineau cantități mici de carbon sub formă de carburi de titan sau tantal. Carburele sunt situate de-a lungul limitelor cristalelor și reduc rezistența aliajului. Am scăpat de carbură și l-am înlocuit cu reniu, crescându-i concentrația de la 3% în primele probe la 12% în ultima. Avem puține rezerve de reniu în țara noastră; există zăcăminte în Kazahstan, dar după prăbușire Uniunea Sovietică a fost complet cumpărat de americani; Rămâne insula Iturup, care este revendicată de japonezi. Dar avem mult ruteniu, iar în aliajele noi am înlocuit cu succes reniul cu acesta.
Unicitatea VIAM constă în faptul că suntem capabili să dezvoltăm aliaje, tehnologia de producere a acestora și metoda de turnare a produsului finit. O cantitate imensă de muncă și cunoștințe ale tuturor angajaților VIAM a fost pusă în toate lamele.

Candidat la Stiinte Tehnice I. DEMONIS, Director General Adjunct VIAM

Subiectul „turbinei” este pe cât de complex, pe atât de vast. Prin urmare, desigur, nu este nevoie să vorbim despre dezvăluirea sa completă. Să ne ocupăm, ca întotdeauna, de „cunoștință generală” și „puncte interesante individuale”...

Mai mult, istoria turbinei de aviație este foarte scurtă în comparație cu istoria turbinei în general. Aceasta înseamnă că nu ne putem lipsi de un fel de excursie teoretică și istorică, al cărei conținut în cea mai mare parte nu se referă la aviație, ci este baza unei povești despre utilizarea unei turbine cu gaz în motoarele de avioane.

Despre zumzet și vuiet...

Să începem oarecum neconvențional și să ne amintim despre „”. Aceasta este o expresie destul de comună, folosită de obicei de autori fără experiență în mass-media atunci când descrie funcționarea aeronavelor puternice. Aici puteți adăuga „ruit, fluier” și alte definiții puternice pentru aceleași „turbine de aeronave”.

Cuvinte destul de cunoscute pentru mulți. Cu toate acestea, oamenii care înțeleg sunt bine conștienți că, de fapt, toate aceste epitete „sunete” caracterizează cel mai adesea funcționarea motoarelor cu reacție în ansamblu sau a părților sale, care au foarte puțin de-a face cu turbinele ca atare (cu excepția, desigur, a influența reciprocă în timpul funcționării lor comune în ciclul general al motorului turboreactor).

Mai mult decât atât, într-un motor cu turboreacție (acestea fac obiectul unor recenzii elogioase), ca motor cu reacție directă care creează tracțiune prin utilizarea reacției unui jet de gaz, turbina este doar o parte a acestuia și este mai degrabă indirect legată de „răbuitul zgomotos. ”.

Și pe acele motoare în care, ca unitate, joacă, într-un fel, un rol dominant (acestea sunt motoare cu reacție indirectă și nu degeaba sunt numite turbina de gaz), sunetul nu mai este atât de impresionant sau este creat de părți complet diferite ale centralei aeronavei, de exemplu, o elice.

Adică nici zumzet, nici bubuit, ca atare, să turbina aeronavei chiar nu aplica. Cu toate acestea, în ciuda unei astfel de ineficiențe de sunet, este o unitate complexă și foarte importantă a unui motor turborreactor modern (GTE), determinând adesea principalele sale caracteristici operaționale. Prin definiție, niciun motor cu turbină cu gaz nu se poate lipsi de o turbină.

Prin urmare, conversația, desigur, nu este despre sunete impresionante și utilizarea incorectă a definițiilor limbii ruse, ci despre o unitate interesantă și relația ei cu aviația, deși aceasta este departe de singura zonă de aplicare a acesteia. Ca dispozitiv tehnic, turbina a apărut cu mult înaintea conceptului de „aeronavă” (sau avion) ​​și cu atât mai mult a unui motor cu turbină cu gaz pentru aceasta.

Istorie + putina teorie...

Și chiar și pentru foarte mult timp. Încă de la inventarea mecanismelor care transformă energia forțelor naturale în acțiune utilă. Cei mai simpli în acest sens și deci unul dintre primii care au apărut au fost așa-zișii motoare rotative.

Această definiție în sine, desigur, a apărut doar în zilele noastre. Cu toate acestea, sensul său determină cu precizie simplitatea motorului. Energia naturală direct, fără dispozitive intermediare, este transformată în putere mecanică mișcarea de rotație a principalului element de putere un astfel de motor este un arbore.

Turbină– un reprezentant tipic al unui motor rotativ. Privind în viitor, putem spune că, de exemplu, într-un motor cu piston combustie interna(ICE) elementul principal este pistonul. Efectuează o mișcare alternativă, iar pentru a obține rotația arborelui de ieșire, trebuie să aveți un mecanism suplimentar de manivelă, care în mod natural complică și face designul mai greu. Turbina este mult mai profitabilă în acest sens.

Pentru un motor rotativ cu ardere internă, cum ar fi un motor termic, care, apropo, este un motor turboreactor, se folosește de obicei numele „rotativ”.

Roata turbinei morii de apa

Una dintre cele mai cunoscute și mai vechi aplicații ale turbinelor sunt morile mecanice mari, folosite de om din timpuri imemoriale pentru diverse nevoi economice (nu doar pentru măcinarea cerealelor). Sunt tratați ca apă, asa de vânt mecanisme.

Pentru o lungă perioadă de istorie antică (primele mențiuni din aproximativ secolul al II-lea î.Hr.) și istoria Evului Mediu, acestea au fost practic singurele mecanisme folosite de om în scopuri practice. Posibilitatea utilizării lor, în ciuda tuturor caracterului primitiv al circumstanțelor tehnice, constă în simplitatea transformării energiei fluidului de lucru utilizat (apă, aer).

O moară de vânt este un exemplu de roată de turbină.

În aceste motoare rotative, în esență adevărate, energia apei sau a fluxului de aer este convertită în puterea arborelui și, în cele din urmă, în muncă utilă. Acest lucru se întâmplă atunci când fluxul interacționează cu suprafețele de lucru, care sunt lamele roții cu apă sau aripi de moara de vant. Ambele, de fapt, sunt prototipuri de lame moderne mașini cu lame, care sunt turbinele folosite astăzi (și compresoarele, de altfel, de asemenea).

Este cunoscut un alt tip de turbină, documentată pentru prima dată (aparent inventată) de savantul, mecanicul, matematicianul și naturalistul grec antic Heron din Alexandria ( Heron ho Alexandreus,1 secolul I d.Hr.) în tratatul său „Pneumatică”. Invenția pe care a descris-o a fost numită eolipilă , care tradus din greacă înseamnă „mingea lui Aeolus” (zeul vântului, Αἴολος – Aeolus (greacă), pila - minge (lat.)).

Aeolipil of Heron.

În ea, mingea era echipată cu două tuburi de duză direcționate opus. Din duze ieșea abur, intrând în bila prin țevile din cazanul situat dedesubt și, astfel, făcând bila să se rotească. Acțiunea este clară din figura de mai jos. Era o așa-numită turbină inversă, care se rotește în direcția opusă ieșirii aburului. Turbine Acest tip are un nume special - reactiv (mai multe detalii mai jos).

Este interesant că Heron însuși cu greu și-a imaginat care era fluidul de lucru din mașina lui. În acea epocă, aburul era identificat cu aerul, chiar și numele mărturisește acest lucru, pentru că Aeolus comanda vântului, adică aerul.

Aeolipilul era, în general, un motor termic cu drepturi depline care transforma energia combustibilului ars în energie mecanică rotatie pe arbore. Poate că a fost unul dintre primele motoare termice din istorie. Adevărat, utilitatea sa a fost încă „nu completă”, deoarece muncă utilă nu a făcut invenția.

Aeolipilul, printre alte mecanisme cunoscute la acea vreme, făcea parte din așa-numitul „teatru de automate”, care a fost foarte popular în secolele următoare și era de fapt doar o jucărie interesantă cu un viitor neclar.

Din momentul creării sale și, în general, din epoca în care oamenii, în primele lor mecanisme, foloseau doar forțele naturii „manifestându-se în mod evident” (forța vântului sau forța gravitației apei în cădere) până la începutul încrezător. utilizarea energiei termice a combustibilului în motoarele termice nou create, au trecut mai mult de o sută de ani.

Primele astfel de unități au fost mașini cu abur. Exemple reale de lucru au fost inventate și construite în Anglia abia spre sfârșitul secolului al XVII-lea și au fost folosite pentru pomparea apei din minele de cărbune. Mai târziu, au apărut motoarele cu abur cu mecanism cu piston.

Ulterior, pe măsură ce s-au dezvoltat cunoștințele tehnice, motoarele cu piston cu ardere internă de diferite modele, mecanisme mai avansate cu o eficiență mai mare, „au apărut în scenă”. Ei foloseau deja gaz (produse de ardere) ca fluid de lucru și nu aveau nevoie de cazane de abur voluminoase pentru a-l încălzi.

Turbine ca componente principale ale motoarelor termice, au urmat, de asemenea, un drum similar în dezvoltarea lor. Și deși există mențiuni separate ale unor exemplare în istorie, unități demne de remarcat și, mai mult, documentate, inclusiv brevetate, au apărut abia în a doua jumătate a secolului al XIX-lea.

Totul a început cu un cuplu...

Cu ajutorul acestui fluid de lucru au fost dezvoltate aproape toate principiile de bază ale proiectării unei turbine (mai târziu, de asemenea, o turbină cu gaz) ca parte importantă a unui motor termic.

Turbină cu reacție patentată de Laval.

Evoluțiile unui inginer și inventator suedez talentat sunt destul de caracteristice în acest sens. Gustave de Laval(Karl Gustaf Patrick de Laval). Cercetările sale de la acea vreme au fost legate de ideea dezvoltării unui nou separator de lapte cu viteză crescută de acționare, care ar putea crește semnificativ productivitatea.

Obține o frecvență de rotație mai mare (rpm) folosind pistonul tradițional de atunci (într-adevăr, singurul existent). motor cu aburi Nu a fost posibil din cauza inerției mari a celui mai important element - pistonul. Dându-și seama de acest lucru, Laval a decis să încerce să nu mai folosească pistonul.

Ei spun că ideea în sine i-a venit în timp ce observa lucrarea mașini de sablare. În 1883 a primit primul său brevet (brevet englez nr. 1622) în acest domeniu. Dispozitivul patentat a fost numit " Turbina alimentata cu abur si apa».

Era un tub în formă de S, la capetele căruia se făceau duze conice. Tubul era montat pe un arbore tubular, prin care era furnizat abur la duze. În principiu, toate acestea nu erau diferite de eolipila lui Heron din Alexandria.

Dispozitivul fabricat a funcționat destul de fiabil cu viteze mari pentru tehnologia de atunci - 42.000 rpm. Viteza de rotație a ajuns la 200 m/s. Dar cu așa ceva parametri buni turbină avea o eficiență extrem de scăzută. Și încercările de a-l crește cu nivelul de tehnologie existent nu au dus la nimic. De ce s-a întâmplat asta?

——————-

Puțină teorie... Mai multe detalii despre caracteristici....

Eficiența menționată (pentru turbinele de aeronave moderne aceasta este așa-numita putere sau eficiență efectivă) caracterizează eficiența utilizării energiei cheltuite (disponibilă) pentru antrenarea arborelui turbinei. Adică, ce parte din această energie a fost cheltuită util pentru rotirea arborelui și ce parte " s-a dus la scurgere».

Pur și simplu a zburat. Pentru tipul de turbină descris, numită jet, această expresie este potrivită. Un astfel de dispozitiv primește mișcare de rotație pe arbore sub acțiunea forței de reacție a fluxului de gaz care scăpa (sau în acest caz abur).

O turbină, ca mașină de expansiune dinamică, spre deosebire de mașinile volumetrice (mașini cu piston), necesită pentru funcționarea sa nu numai comprimarea și încălzirea fluidului de lucru (gaz, abur), ci și accelerarea acestuia. Aici, dilatarea (creșterea volumului specific) și scăderea presiunii apar din cauza accelerației, în special în duză. Într-un motor cu piston, acest lucru se întâmplă din cauza creșterii volumului camerei cilindrului.

Ca urmare, energia potențială mare a fluidului de lucru, care s-a format ca urmare a furnizării de energie termică a combustibilului ars, se transformă în energie cinetică (minus diverse pierderi, desigur). Și cinetică (într-o turbină cu reacție) prin forțe de reacție - în munca mecanica pe ax.

Și eficiența ne spune cât de complet se transformă energia cinetică în energie mecanică într-o situație dată. Cu cât este mai mare, cu atât este mai mică energie cinetică în care iese duza mediu inconjurator. Această energie rămasă se numește „ pierderi cu viteza de iesire", și este direct proporțional cu pătratul vitezei fluxului de ieșire (toată lumea își amintește probabil mС 2/2).

Principiul de funcționare al unei turbine cu reacție.

Aici vorbim despre așa-numita viteză absolută C. La urma urmei, fluxul de ieșire, sau mai precis, fiecare dintre particulele sale, participă la o mișcare complexă: rectilinie plus rotațională. Astfel, viteza absolută C (relativă la sistemul de coordonate fix) este egală cu suma vitezei de rotație a turbinei U și a vitezei relative de curgere W (viteza relativă la duză). Suma este, desigur, vectorială, prezentată în figură.

roata Segner.

Pierderi minime (și eficienta maxima) corespund viteza minima C, în mod ideal, ar trebui să fie egal cu zero. Și acest lucru este posibil numai dacă W și U sunt egali (după cum se poate vedea din figură). Viteza periferică (U) în acest caz se numește optim.

O astfel de egalitate ar fi ușor de realizat la turbinele hidraulice (cum ar fi Roțile Segner), deoarece viteza de scurgere a lichidului din duze pentru ele (similar cu viteza W) este relativ mică.

Dar aceeași viteză W pentru gaz sau abur este mult mai mare datorită diferenței mari a densităților lichidului și gazului. Deci, la o presiune relativ scăzută de doar 5 atm. o turbină hidraulică poate produce o viteză de evacuare de numai 31 m/s, iar o turbină cu abur - 455 m/s. Adică, rezultă că și la presiuni destul de scăzute (doar 5 atm.), turbina cu jet Laval ar trebui, din motive de asigurare a randamentului ridicat, să aibă o viteză periferică peste 450 m/s.

Pentru nivelul de dezvoltare tehnologic de atunci, acest lucru era pur și simplu imposibil. Nu s-a putut face design fiabil cu acești parametri. De asemenea, nu avea sens să se reducă viteza periferică optimă prin reducerea vitezei relative (W), deoarece acest lucru se poate face doar prin reducerea temperaturii și presiunii și, prin urmare, a eficienței generale.

Turbina activă Laval...

Turbina cu reacție Laval nu se pretează pentru îmbunătățiri suplimentare. În ciuda încercărilor făcute, lucrurile au ajuns într-o fundătură. Apoi inginerul a luat o altă cale. În 1889, a brevetat un alt tip de turbină, care mai târziu a fost numită activă. În străinătate (în engleză) se numește acum turbină cu impuls, adică pulsată.

Dispozitivul revendicat în brevet a constat dintr-una sau mai multe duze fixe care furnizează abur lamelor în formă de găleată montate pe marginea unei roți (sau a unui disc) de turbină mobilă.

Turbină cu abur activă într-o singură treaptă patentată de Laval.

Procesul de lucru într-o astfel de turbină este următorul. Aburul accelerează în duze cu o creștere a energiei cinetice și o scădere a presiunii și cade pe lamele de lucru, pe partea concavă a acestora. Ca urmare a impactului asupra palelor rotorului, acesta începe să se rotească. Sau mai putem spune că rotația are loc datorită acțiunii de impuls a jetului. De aici și numele englezesc impulsturbină.

Mai mult, în canalele interscapulare, care au un aproape constant secțiune transversală, fluxul nu își modifică viteza (W) și presiunea, ci își schimbă direcția, adică se rotește la unghiuri mari (până la 180°). Adică la ieșirea din duză și la intrarea în canalul interlame: viteza absolută C 1, relativă W 1, viteza periferică U.

La ieșire, respectiv, C 2, W 2 și același U. În acest caz, 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.

Acest proces este prezentat în principiu într-o figură simplificată. De asemenea, pentru a simplifica explicarea procesului, aici se presupune că vectorii vitezelor absolute și periferice sunt aproape paraleli, curgerea își schimbă direcția în rotor cu 180°.

Flux de abur (gaz) în treapta activă a turbinei.

Dacă luăm în considerare vitezele în valori absolute, vedem că W 1 = C 1 – U, iar C 2 = W 2 – U. Astfel, pe baza celor de mai sus, pentru modul optim, când randamentul ia valori maxime, iar pierderile din viteza de ieșire tinde la minim (adică C 2 = 0), avem C 1 = 2U sau U = C 1 /2.

Găsim că pentru o turbină activă viteza periferică optimă jumătate din viteza de evacuare de la duză, adică o astfel de turbină este la jumătate mai încărcată decât o turbină cu reacție și sarcina de a obține o eficiență mai mare este mai ușoară.

Prin urmare, în viitor, Laval a continuat să dezvolte acest tip de turbină. Cu toate acestea, în ciuda reducerii vitezei periferice necesare, aceasta a rămas totuși destul de mare, ceea ce a implicat sarcini centrifuge și de vibrații la fel de mari.

Principiul de funcționare al unei turbine active.

Consecința acestui fapt au fost probleme structurale și de rezistență, precum și probleme de eliminare a dezechilibrelor, care de multe ori au fost rezolvate cu mare dificultate. În plus, au existat și alți factori nerezolvați și de nerezolvat în condițiile de atunci, care au redus în cele din urmă randamentul acestei turbine.

Acestea au inclus, de exemplu, imperfecțiunea aerodinamicii paletelor, provocând creșterea pierderi hidraulice, precum și efectul pulsatoriu al jeturilor individuale de abur. De fapt, doar câteva sau chiar o singură lamă ar putea fi lame active care percep acțiunea acestor jeturi (sau jeturi) la un moment dat. Restul s-a mișcat inactiv, creând rezistență suplimentară (în atmosferă de abur).

Acesta are turbine nu a existat nicio modalitate de a crește puterea prin creșterea temperaturii și a presiunii aburului, deoarece aceasta ar duce la o creștere a vitezei periferice, ceea ce era absolut inacceptabil din cauza acelorași probleme de proiectare.

În plus, o creștere a puterii (cu o creștere a vitezei periferice) a fost, de asemenea, nepotrivită dintr-un alt motiv. Consumatorii de energie a turbinei erau dispozitive cu viteză redusă în comparație cu aceasta (generatoarele electrice au fost planificate pentru aceasta). Prin urmare, Laval a trebuit să dezvolte cutii de viteze speciale pentru legătura cinematică a arborelui turbinei cu arborele consumatorului.

Raportul dintre masele și dimensiunile turbinei active Laval și cutia de viteze a acesteia.

Datorită diferenței mari de viteză a acestor arbori, cutiile de viteze erau extrem de voluminoase și erau adesea semnificativ mai mari ca dimensiune și greutate decât turbina în sine. O creștere a puterii sale ar presupune o creștere și mai mare a dimensiunii unor astfel de dispozitive.

În cele din urmă Turbină activă Laval era o unitate de putere relativ mică (unități de lucru de până la 350 CP), în plus, scumpă (datorită unui set mare de îmbunătățiri) și completă cu o cutie de viteze, era și destul de voluminoasă. Toate acestea l-au făcut necompetitiv și au exclus aplicarea în masă.

Un fapt interesant este că principiul constructiv Turbina activă a lui Laval nu a fost inventată de el. Chiar și cu 250 de ani înainte de apariția cercetărilor sale, o carte a inginerului și arhitectului italian Giovanni Branca intitulată „Le Machine” („Mașini”) a fost publicată la Roma în 1629.

Printre alte mecanisme, conținea o descriere a „roții cu abur”, care conținea toate componentele principale construite de Laval: un cazan cu abur, un tub de alimentare cu abur (duză), un rotor activ de turbină și chiar o cutie de viteze. Astfel, cu mult înainte de Laval, toate aceste elemente erau deja cunoscute, iar meritul lui era că le-a făcut pe toate să lucreze cu adevărat împreună și a fost extrem de implicat în probleme complexeîmbunătățirea mecanismului în ansamblu.

Turbină activă cu abur de Giovanni Branca.

Interesant, una dintre cele mai multe caracteristici cunoscute turbina lui a fost proiectarea duzei (a fost menționată separat în același brevet), care furnizează abur palelor rotorului. Aici a devenit duza, dintr-una obișnuită conică, așa cum era într-o turbină cu reacție contractare-extindere. Ulterior, acest tip de duză a început să se numească duze Laval. Acestea permit accelerarea fluxului de gaz (abur) la viteza supersonică cu pierderi destul de mici. Despre ele .

Astfel, principala problemă cu care s-a luptat Laval la dezvoltarea turbinelor sale și pe care nu a reușit să o depășească niciodată, a fost viteza mare periferică. Cu toate acestea, o soluție destul de eficientă a acestei probleme a fost deja propusă și chiar, destul de ciudat, de către Laval însuși.

În mai multe etape….

În același an (1889), când a fost brevetată turbina activă descrisă mai sus, inginerul a dezvoltat o turbină activă cu două rânduri paralele de pale de rotor montate pe un rotor (disc). A fost așa-zisa turbină în două trepte.

Lamelele de lucru erau furnizate cu abur, la fel ca la cea cu o singură treaptă, printr-o duză. Între cele două rânduri de lame de lucru a fost instalat un rând de lame fixe, care a redirecționat fluxul care ieșea din lamele primei trepte către lamele de lucru ale celei de-a doua.

Dacă folosim principiul simplificat propus mai sus pentru determinarea vitezei periferice pentru o turbină cu reacție cu o singură treaptă (Laval), rezultă că pentru o turbină în două trepte viteza de rotație nu mai este de două, ci de patru ori mai mică decât viteza de evacuare. din duza.

Principiul roții Curtis și modificarea parametrilor din aceasta.

Aceasta este cea mai eficientă soluție la problema vitezei periferice optime scăzute, care a fost propusă, dar nefolosită de Laval și care este utilizată activ în turbinele moderne, atât cu abur, cât și pe gaz. În mai multe etape…

Înseamnă că energia mare disponibilă a întregii turbine poate fi într-un fel împărțită în părți în funcție de numărul de trepte, iar fiecare astfel de parte este activată într-o etapă separată. Cu cât această energie este mai mică, cu atât viteza fluidului de lucru (abur, gaz) care intră în lamele de lucru este mai mică și, prin urmare, cu atât viteza periferică optimă este mai mică.

Adică, prin schimbarea numărului de trepte ale turbinei, puteți modifica viteza de rotație a arborelui său și, în consecință, puteți modifica sarcina pe acesta. În plus, funcționarea în mai multe etape face posibilă operarea turbinei cu diferențe mari de energie, adică creșterea puterii acesteia, menținând în același timp indicatorii de eficiență ridicată.

Laval nu și-a brevetat turbina în două trepte, deși a fost realizat un prototip, așa că poartă numele inginerului american Charles Curtis (roata Curtis (sau disc), care în 1896 a primit un brevet pentru un dispozitiv similar.

Cu toate acestea, mult mai devreme, în 1884, inginerul englez Charles Algernon Parsons a dezvoltat și brevetat primul turbină cu abur în mai multe etape. Au existat multe declarații ale diverșilor oameni de știință și ingineri despre utilitatea împărțirii energiei disponibile în etape înaintea lui, dar el a fost primul care a transpus ideea în hardware.

Turbină Parsons cu reacție activă în mai multe trepte (dezasamblată).

În același timp, a lui turbină avea o caracteristică care l-a apropiat de dispozitivele moderne. În ea, aburul s-a extins și a accelerat nu numai în duze formate din lame fixe, ci și parțial în canale formate din lame de lucru special profilate.

Acest tip de turbină este de obicei numit turbină cu reacție, deși numele este destul de arbitrar. De fapt, ocupă o poziţie intermediară între turbina Heron-Laval pur reactivă şi turbina Laval-Branca pur activă. Datorită designului lor, lamele de lucru combină active și principiul reactiv s în procesul general. Prin urmare, ar fi mai corect să se numească o astfel de turbină activ-reactiv, ceea ce se face adesea.

Diagrama unei turbine Parsons cu mai multe trepte.

Parsons a lucrat la diferite tipuri de turbine cu mai multe trepte. Printre modelele sale s-au numărat nu numai cele axiale descrise mai sus (fluidul de lucru se mișcă de-a lungul axei de rotație), ci și cele radiale (aburul se mișcă în direcția radială). Este destul de cunoscută turbina sa pur activă în trei trepte „Heron”, în care sunt folosite așa-numitele roți Heron (esența este aceeași cu cea a eolipilului).

Turbină cu reacție „Heron”.

Ulterior, de la începutul anilor 1900, construcția de turbine cu abur a câștigat rapid avânt și Parsons a fost în fruntea sa. Turbinele sale în mai multe etape au fost echipate cu nave navale, mai întâi experimentale (nava „Turbinia”, 1896, deplasare 44 tone, viteză 60 km/h – fără precedent pentru vremea respectivă), apoi cele militare (exemplu – cuirasatul „Dreadnought”, 18000). tone, viteza 40 km/h, putere turbină 24.700 CP) și pasager (exemplu - același tip „Mauritania” și „Lusitania”, 40.000 tone, viteza 48 km/h, putere turbo 70.000 CP). În același timp, construcția de turbine staționare a început, de exemplu, prin instalarea de turbine ca acționări în centralele electrice (Compania Edison din Chicago).

Despre turbinele cu gaz...

Cu toate acestea, să revenim la subiectul nostru principal - aviația și să remarcăm un lucru destul de evident: un astfel de succes vizibil în funcționarea turbinelor cu abur ar putea avea doar o semnificație structurală și fundamentală pentru aviație, care progresa rapid în dezvoltarea sa exact în același timp.

Aplicație turbină cu abur din motive evidente, era extrem de îndoielnic ca centrală electrică pe aeronave. Turbină de aviație ar putea fi doar o turbină cu gaz similară, dar mult mai profitabilă. Totuși, nu totul a fost atât de simplu...

Potrivit lui Lev Gumilyovsky, autorul cărții populare „Creatorii de motoare” în anii 60, într-o zi, în 1902, în perioada de început a dezvoltării rapide a construcției de turbine cu abur, Charles Parsons, de fapt, unul dintre principalii ideologi ai acestei afaceri la acea vreme, i s-a pus, în general, o întrebare plină de umor: „ Este posibil să „parsonizezi” un motor pe gaz?„(implicând o turbină).

Răspunsul a fost exprimat într-o formă absolut decisivă: „ Cred că nu se va crea niciodată o turbină cu gaz. Nu există două moduri despre asta." Inginerul nu a reușit să devină profet, dar avea, fără îndoială, motive să spună asta.

Folosirea unei turbine cu gaz, mai ales dacă ne referim la utilizarea ei în aviație în locul unei turbine cu abur, a fost desigur tentantă, deoarece aspectele sale pozitive sunt evidente. Cu toate capabilitățile sale de putere, nu necesită dispozitive uriașe, voluminoase pentru generarea de abur - cazane, sau dispozitive și sisteme la fel de mari pentru răcirea sa - condensatoare, turnuri de răcire, iazuri de răcire etc.

Incalzitorul pentru un motor cu turbina cu gaz este unul mic, compact, situat in interiorul motorului si care arde combustibil direct in fluxul de aer. Și pur și simplu nu are frigider. Sau, mai degrabă, există, dar există parcă virtual, pentru că gazele de evacuare sunt evacuate în atmosferă, care este frigiderul. Adică tot ce este necesar pentru un motor termic este disponibil, dar în același timp totul este compact și simplu.

Adevărat, o instalație de turbină cu abur se poate face și fără un „frigider adevărat” (fără condensator) și eliberează abur direct în atmosferă, dar apoi poți uita de eficiență. Un exemplu în acest sens este o locomotivă cu abur - eficiența reală este de aproximativ 6%, 90% din energia sa zboară în coș.

Dar cu astfel de avantaje tangibile, există și dezavantaje semnificative, care, în general, au devenit baza răspunsului categoric al lui Parsons.

Comprimarea fluidului de lucru pentru implementarea ulterioară a ciclului de lucru, incl. si in turbina...

În ciclul de funcționare al unei instalații cu turbină cu abur (ciclul Rankine), munca de comprimare a apei este mică și cerințele pentru pompa care îndeplinește această funcție și eficiența acesteia sunt, prin urmare, mici. În ciclul motorului cu turbină cu gaz, în care aerul este comprimat, această muncă, dimpotrivă, este foarte impresionantă și cea mai mare parte a energiei disponibile a turbinei este cheltuită pe ea.

Acest lucru reduce proporția de lucru util pentru care poate fi proiectată turbina. Prin urmare, cerințele pentru o unitate de compresie a aerului în ceea ce privește eficiența și economia sa sunt foarte mari. Compresoarele din motoarele moderne cu turbină cu gaz de aviație (în principal axiale), precum și din unitățile staționare, împreună cu turbinele, sunt dispozitive complexe și costisitoare. Despre ele .

Temperatura…

Aceasta este principala problemă pentru turbinele cu gaz, inclusiv pentru cele aviatice. Faptul este că, dacă într-o instalație de turbină cu abur temperatura fluidului de lucru după procesul de expansiune este apropiată de temperatura apei de răcire, atunci într-o turbină cu gaz ajunge la câteva sute de grade.

Aceasta înseamnă că o cantitate mare de energie este eliberată în atmosferă (ca într-un frigider), ceea ce, desigur, afectează negativ eficiența întregului ciclu de funcționare, care se caracterizează prin eficiență termică: η t = Q 1 – Q 2 / Q 1 . Aici Q 2 este aceeași energie eliberată în atmosferă. Q 1 – energia furnizată procesului de la încălzitor (în camera de ardere).

Pentru a crește acest randament, este necesară creșterea Q 1, ceea ce echivalează cu creșterea temperaturii în fața turbinei (adică în camera de ardere). Dar adevărul este că nu este întotdeauna posibilă creșterea acestei temperaturi. Valoarea sa maximă este limitată de turbina însăși, iar condiția principală aici este rezistența. Turbina funcționează în condiții foarte dificile, când temperaturile ridicate sunt combinate cu sarcini centrifuge mari.

Acesta este factorul care a limitat întotdeauna puterea și capacitățile de tracțiune ale motoarelor cu turbine cu gaz (în mare parte dependente de temperatură) și a devenit adesea motivul complexității și creșterii costului turbinelor. Această situație a continuat în vremea noastră.

Și la vremea lui Parsons, nici industria metalurgică, nici știința aerodinamică nu puteau oferi încă o soluție la problemele creării unui compresor eficient și economic și a unei turbine de temperatură înaltă. Nu exista nici o teorie adecvată, nici materialele necesare rezistente la căldură și la căldură.

Și totuși au existat încercări...

Cu toate acestea, așa cum se întâmplă de obicei, au fost oameni cărora nu le era frică (sau poate nu înțelegeau :-)) posibile dificultăți. Încercările de a crea o turbină cu gaz nu s-au oprit.

Mai mult, este interesant că însuși Parsons, în zorii activității sale de „turbină”, în primul său brevet pentru o turbină în mai multe trepte, a remarcat posibilitatea funcționării acesteia, pe lângă abur, și pe produsele de ardere a combustibilului. A fost considerat și acolo varianta posibila motorul cu turbină cu gaz pornit combustibil lichid cu compresor, cameră de ardere și turbină.

Scuipat de fum.

Exemple de utilizare a turbinelor cu gaz fără nicio teorie în spate sunt cunoscute de mult timp. Aparent, chiar și Heron a folosit principiul unei turbine cu jet de aer în „teatru de automate”. Așa-numitele „frigărui de fum” sunt destul de cunoscute.

Și în cartea deja amintită a italianului (inginer, arhitect, Giovanni Branca, Le Machine) Giovanni Branca există un desen „ Roata de foc" În ea, o roată a turbinei se rotește cu produsele de ardere dintr-un foc (sau vatră). Interesant este că Branca însuși nu și-a construit majoritatea mașinilor, ci doar și-a exprimat ideile pentru crearea lor.

„Roata focului” de Giovanni Branca.

În toate aceste „roți de fum și foc” nu a existat o etapă de compresie a aerului (gaz) și nu a existat nici un compresor ca atare. Conversia energiei potențiale, adică a energiei termice furnizate de arderea combustibilului, în energie cinetică (accelerare) pentru rotația turbinei cu gaz s-a produs numai datorită acțiunii gravitației atunci când masele calde s-au ridicat în sus. Adică s-a folosit fenomenul de convecție.

Desigur, astfel de „unități” sunt pentru mașini reale, de exemplu, pentru conducere Vehicul nu a putut fi folosit. Cu toate acestea, în 1791, englezul John Barber a brevetat o „mașină de transport fără cai”, una dintre cele mai importante componente ale căreia era o turbină cu gaz. Acesta a fost primul brevet înregistrat oficial pentru o turbină cu gaz.

Motor John Barber cu turbină cu gaz.

Mașina folosea gaz obținut din lemn, cărbune sau ulei, încălzit în generatoare speciale de gaz (retorte), care, după răcire, intra într-un compresor cu piston, unde era comprimat împreună cu aerul. Apoi, amestecul a fost alimentat în camera de ardere, iar apoi produsele de ardere au fost rotite turbină. Pentru răcirea camerelor de ardere se folosea apă, iar aburul rezultat era trimis și la turbină.

Nivelul de dezvoltare a tehnologiei la acea vreme nu a permis ca ideea să fie adusă la viață. Modelul actual al mașinii Barber cu turbină cu gaz a fost construit abia în 1972 de Kraftwerk-Union AG pentru Târgul Industrial de la Hanovra.

De-a lungul secolului al XIX-lea, dezvoltarea conceptului de turbină cu gaz a progresat extrem de lent din motivele descrise mai sus. Au fost puține exemple demne de atenție. Compresorul și temperatura ridicată au rămas o piatră de poticnire de netrecut. Au existat încercări de a folosi un ventilator pentru a comprima aerul, precum și de a folosi apă și aer pentru a răci elementele structurale.

Motor F. Stolze. 1 - compresor axial, 2 - turbină axială, 3 - schimbător de căldură.

Există un exemplu binecunoscut de motor cu turbină cu gaz de către inginerul german Franz Stolze, patentat în 1872 și foarte asemănător ca design cu motoarele moderne cu turbină cu gaz. În acesta, pe același arbore erau amplasate un compresor axial cu mai multe trepte și o turbină axială cu mai multe trepte.

Aerul după trecerea prin schimbătorul de căldură regenerativ a fost împărțit în două părți. Unul a intrat în camera de ardere, al doilea a fost amestecat cu produsele de ardere înainte de a intra în turbină, reducându-le temperatura. Acesta este așa-numitul aer secundar, iar utilizarea sa este o tehnică utilizată pe scară largă în motoarele moderne cu turbină cu gaz.

Motorul Stolze a fost testat în 1900-1904, dar s-a dovedit a fi extrem de ineficient din cauza calității scăzute a compresorului și a temperaturii scăzute din fața turbinei.

În cea mai mare parte a primei jumătăți a secolului al XX-lea, turbina cu gaz nu a fost niciodată capabilă să concureze activ cu turbina cu abur sau să devină parte a motorului cu turbină cu gaz, care ar putea înlocui în mod adecvat motorul cu piston cu ardere internă. Utilizarea sa pe motoare a fost în principal auxiliară. De exemplu, ca unități de încărcare la motoarele cu piston, inclusiv cele de aviație.

Dar de la începutul anilor 40 situația a început să se schimbe rapid. În cele din urmă, au fost create noi aliaje rezistente la căldură, care au făcut posibilă creșterea radicală a temperaturii gazului din fața turbinei (până la 800˚C și mai mult), și au apărut unele destul de economice cu randament ridicat.

Acest lucru nu numai că a făcut posibilă construirea de motoare eficiente cu turbine cu gaz, dar și, datorită combinației dintre puterea lor cu ușurința și compactitatea relativă, să le folosească pe aeronave. A început epoca aviației cu reacție și a motoarelor cu turbine cu gaz pentru avioane.

Turbine în motoarele cu turbină cu gaz de aviație...

Deci... Principala zonă de aplicare a turbinelor în aviație este motoarele cu turbine cu gaz. Turbina de aici face munca grea - rotește compresorul. Mai mult, într-un motor cu turbină cu gaz, ca în orice motor termic, munca de dilatare este mai mare decât munca de compresie.

Și turbina este tocmai o mașină de expansiune și cheltuiește doar o parte din energia disponibilă a fluxului de gaz pe compresor. Partea rămasă (uneori numită energie gratis) pot fi utilizate în scopuri utile în funcție de tipul și designul motorului.

Schema TVAD Makila 1a1 cu turbină liberă.

Motor cu turboax AMAKILA 1A1.

Pentru motoarele cu reacție indirectă, cum ar fi (motoarele cu turbină cu gaz elicopter), se cheltuiește pentru rotirea elicei. În acest caz, turbina este cel mai adesea împărțită în două părți. Primul este turbina compresorului. Al doilea, acționând șurubul, este așa-numitul turbină liberă. Se rotește independent și este conectat la turbina compresorului doar gazdinamic.

În motoarele cu reacție directă (motoare cu reacție sau motoare cu reacție), turbina este utilizată doar pentru a antrena compresorul. Energia liberă rămasă, care rotește turbina liberă în TVAD, este activată în duză, transformându-se în energie cinetică pentru a produce tracțiunea jetului.

La mijloc între aceste extreme sunt situate. În ele, o parte din energia liberă este cheltuită pentru a antrena elicea, iar o parte formează un jet în dispozitivul de ieșire (duză). Adevărat, ponderea sa în forța totală a motorului este mică.

Diagrama unui motor turbopropulsor cu un singur arbore DART RDa6. Turbină pe un arbore comun al motorului.

Motor cu un singur arbore turbopropulsor Rolls-Royce DART RDa6.

Prin proiectare, motoarele cu turbopropulsoare pot fi cu un singur arbore, în care turbina liberă nu este separată structural și, fiind o unitate, antrenează atât compresorul, cât și elicea simultan. Un exemplu de teatru Rolls-Royce DART RDa6, precum și faimosul nostru teatru AI-20.

Poate exista și un motor turbopropulsor cu o turbină liberă separată care antrenează elicea și nu este conectată mecanic la restul componentelor motorului (cuplaj gaz-dinamic). Un exemplu este motorul PW127 cu diverse modificări (avioane), sau motorul turbopropulsor Pratt & Whitney Canada PT6A.

Schema Pratt & Whitney Canada PT6A cu o turbină liberă.

Motor Pratt & Whitney Canada PT6A.

Schema unui motor turbopropulsor PW127 cu o turbină liberă.

Desigur, în toate tipurile de motoare cu turbină cu gaz, sarcina utilă include și unități care asigură funcționarea motorului și a sistemelor aeronavei. Acestea sunt de obicei pompe, generatoare de combustibil și hidraulice, generatoare electrice etc. Toate aceste dispozitive sunt cel mai adesea conduse de la arborele turbocompresorului.

Despre tipuri de turbine.

De fapt, există destul de multe tipuri. Doar de exemplu, câteva denumiri: axial, radial, diagonal, radial-axial, rotary-blade etc. În aviație se folosesc doar primele două, iar radial este destul de rar. Ambele turbine au fost denumite în conformitate cu natura fluxului de gaz din ele.

Radial.

În radial curge de-a lungul unei raze. Mai mult, în radial turbina aeronavei se folosește o direcție de curgere centripetă, care asigură o eficiență mai mare (în practica non-aviație există și o direcție centrifugă).

Etapa de turbină radială este formată dintr-un rotor și pale fixe care formează fluxul la intrarea sa. Lamele sunt profilate astfel încât canalele inter-lame să aibă o configurație conică, adică sunt duze. Toate aceste lame, împreună cu elementele de caroserie pe care sunt montate, sunt numite aparat cu duze.

Diagrama unei turbine centripete radiale (cu explicatii).

Rotorul este un rotor cu palete special profilate. Rotorul se rotește atunci când gazul trece prin canalele de îngustare dintre pale și acționează asupra palelor.

Rotorul unei turbine centripete radiale.

Turbine radiale Sunt destul de simple, rotoarele lor au un număr mic de pale. Vitezele circumferențiale posibile ale unei turbine radiale la aceleași solicitări în rotor sunt mai mari decât cele ale unei turbine axiale, deci poate genera cantități mai mari de energie (diferențe de căldură).

Cu toate acestea, aceste turbine au o zonă de curgere mică și nu asigură un debit suficient de gaz cu aceleași dimensiuni în comparație cu turbinele axiale. Cu alte cuvinte, au dimensiuni diametrale relative prea mari, ceea ce complică aranjarea lor într-un singur motor.

În plus, este dificil să se creeze turbine radiale cu mai multe etape din cauza pierderilor hidraulice mari, ceea ce limitează gradul de expansiune a gazului în ele. De asemenea, este dificil să răciți astfel de turbine, ceea ce reduce posibilele temperaturi maxime ale gazului.

Prin urmare, utilizarea turbinelor radiale în aviație este limitată. Ele sunt utilizate în principal în unități de putere redusă cu consum redus de gaz, cel mai adesea în mecanisme și sisteme auxiliare sau în motoarele aeronavelor model și aeronavelor mici fără pilot.

Primul avion cu reacție Heinkel He 178.

Motor turborreactor Heinkel HeS3 cu turbină radială.

Unul dintre puținele exemple de utilizare a unei turbine radiale ca componentă a unui motor cu reacție a aeronavei de propulsie este motorul primei aeronave cu reacție reale, turbojet Heinkel He 178 Heinkel HeS 3. Fotografia arată clar elementele de scenă ale unei astfel de turbine. Parametrii acestui motor au fost pe deplin în concordanță cu posibilitatea utilizării acestuia.

Axial turbina aeronavei.

Acesta este singurul tip de turbină utilizat în prezent în motoarele cu turbină cu gaz aeronavelor aflate la mijlocul zborului. Principala sursă de lucru mecanic asupra arborelui obținută dintr-o astfel de turbină în motor o reprezintă rotoarele, sau mai exact paletele rotorului (RL), instalate pe aceste rotoare și interacționând cu fluxul de gaz încărcat energetic (comprimat și încălzit).

Coroanele lamelor staționare instalate în fața lucrătorilor organizează direcția corectă a fluxului și participă la conversia energiei potențiale a gazului în energie cinetică, adică o accelerează în procesul de expansiune cu o scădere a presiune.

Aceste lame, complete cu elementele de carcasă pe care sunt montate, sunt numite aparat cu duze(SA). Aparatul de duză complet cu lame de lucru este treapta turbinei.

Esența procesului... Generalizarea celor spuse...

În procesul interacțiunii menționate mai sus cu paletele de lucru, energia cinetică a fluxului este convertită în energie mecanică, care rotește arborele motorului.O astfel de transformare într-o turbină axială poate avea loc în două moduri:

Un exemplu de turbină activă cu o singură treaptă. Este afișată modificarea parametrilor de-a lungul căii.

1. Fără a modifica presiunea și, prin urmare, mărimea vitezei relative de curgere (numai direcția acesteia se schimbă semnificativ - rotația debitului) în treapta turbinei; 2. Cu o scădere a presiunii, o creștere a vitezei relative de curgere și o anumită modificare a direcției acesteia în treaptă.

Turbinele care funcționează folosind prima metodă sunt numite active. Fluxul de gaz în mod activ (pulsuri) afectează paletele din cauza unei schimbări a direcției sale pe măsură ce curge în jurul lor. Cu a doua metodă - turbine cu reacție. Aici, pe lângă efectul de impuls, fluxul afectează și paletele rotorului în mod indirect (pentru a spune simplu), folosind forța reactivă, care crește puterea turbinei. Acțiunea reactivă suplimentară este realizată prin profilarea specială a palelor rotorului.

Conceptele de activitate și reactivitate în general, pentru toate turbinele (nu doar cele de aviație) au fost menționate mai sus. Cu toate acestea, motoarele moderne cu turbină cu gaz de aviație folosesc doar turbine cu reacție axiale.

Modificarea parametrilor în etapa unei turbine axiale cu gaz.

Deoarece efectul de forță asupra radarului este dublu, astfel de turbine axiale sunt numite și activ-reactiv, ceea ce este poate mai corect. Acest tip de turbină este mai avantajos aerodinamic.

Paletele fixe ale aparatului de duză incluse în treapta unei astfel de turbine au o curbură mare, datorită căreia secțiunea transversală a canalului inter-lame scade de la intrare la ieșire, adică secțiunea transversală f 1 este mai mică. decât secțiunea transversală f 0 . Rezultatul este un profil al unei duze cu jet conic.

Lamele de lucru care le urmează au, de asemenea, o curbură mai mare. În plus, în ceea ce privește fluxul care se apropie (vector W 1), acestea sunt amplasate astfel încât să se evite defalcarea acestuia și să asigure un flux corect în jurul lamei. La anumite raze, RL formează și canale interscapulare conice.

Munca de scena turbină de aviație.

Gazul se apropie de aparatul duzei cu o direcție de mișcare apropiată de axială și o viteză C 0 (subsonică). Presiunea în flux P 0, temperatura T 0. Trecând prin canalul interscapular, fluxul accelerează până la viteza C 1 cu o întoarcere la unghiul α 1 = 20°-30°. În acest caz, presiunea și temperatura scad la valorile P 1 și, respectiv, T 1. O parte din energia potențială a fluxului este transformată în energie cinetică.

Imagine a mișcării fluxului de gaz în treapta turbinei axiale.

Deoarece paletele de lucru se deplasează cu o viteză periferică U, fluxul intră în canalul interlame al RL cu o viteză relativă W 1, care este determinată de diferența dintre C 1 și U (vectoral). Trecând prin canal, fluxul interacționează cu paletele, creând asupra lor forțe aerodinamice P, a căror componentă circumferențială P u face ca turbina să se rotească.

Datorită îngustării canalului dintre lame, fluxul se accelerează până la viteza W 2 (principiu reactiv), în timp ce se rotește și (principiu activ). Viteza absolută de curgere C 1 scade la C 2 - energia cinetică a curgerii este convertită în energie mecanică pe arborele turbinei. Presiunea și temperatura scad la valorile P 2 și, respectiv, T 2.

Viteza absolută a curgerii pe măsură ce trece prin treaptă crește ușor de la C 0 la proiecția axială a vitezei C 2 . La turbinele moderne această proiecție are o valoare de 200 - 360 m/s pentru o treaptă.

Treapta este profilată astfel încât unghiul α 2 să fie aproape de 90°. Diferența este de obicei de 5-10°. Acest lucru se face pentru a se asigura că valoarea lui C 2 este minimă. Acest lucru este important în special pentru ultima treaptă a turbinei (la prima etapă sau la mijloc, abateri de la unghi drept până la 25°). Motivul pentru aceasta este pierdere cu viteza de ieșire, care depind doar de mărimea vitezei C 2.

Sunt aceleași pierderi care la un moment dat nu i-au oferit lui Laval posibilitatea de a crește eficiența primei sale turbine. Dacă motorul este cu reacție, atunci energia rămasă poate fi folosită în duză. Dar, de exemplu, pentru un motor de elicopter care nu folosește propulsia cu jet, este important ca viteza de curgere din spatele ultimei trepte a turbinei să fie cât mai mică posibil.

Astfel, în etapa unei turbine activ-reactive, dilatarea gazului (o scădere a presiunii și a temperaturii), conversia și activarea energiei (diferența de căldură) are loc nu numai în SA, ci și în rotor. Distribuția acestor funcții între RC și SA este caracterizată de un parametru al teoriei motorului numit gradul de reactivitate ρ.

Este egal cu raportul dintre căderea de căldură din rotor și căderea de căldură în întreaga etapă. Dacă ρ = 0, atunci treapta (sau întreaga turbină) este activă. Dacă ρ > 0, atunci stadiul este reactiv sau, mai precis, pentru cazul nostru, activ-reactiv. Deoarece profilarea lamelor de lucru variază de-a lungul razei, acest parametru (precum și alții) este calculat în funcție de raza medie (secțiunea B-B din figura modificărilor parametrilor într-o etapă).

Configurația paletei de lucru a unei turbine cu reacție activă.

Modificarea presiunii de-a lungul lungimii lamei radarului unei turbine activ-reactive.

Pentru motoarele moderne cu turbină cu gaz, gradul de reactivitate al turbinelor este în intervalul 0,3-0,4. Aceasta înseamnă că doar 30-40% din căderea totală de căldură a etapei (sau a turbinei) este acţionată în rotor. 60-70% este activat în aparatul duzei.

Ceva despre pierderi.

După cum sa menționat deja, orice turbină (sau treapta sa) transformă energia de curgere furnizată acesteia în lucru mecanic. Cu toate acestea, într-o unitate reală, acest proces poate avea eficiențe diferite. O parte din energia disponibilă este neapărat risipită, adică se transformă în pierderi, de care trebuie luate în considerare și luate măsuri pentru a le minimiza pentru a crește eficiența turbinei, adică a crește randamentul acesteia.

Pierderile constau din hidraulice si pierdere cu viteza de ieșire. Pierderile hidraulice includ pierderile de profil și de capăt. Profilul este, de fapt, pierderi prin frecare, deoarece gazul, având o anumită vâscozitate, interacționează cu suprafețele turbinei.

De obicei, astfel de pierderi în rotor sunt de aproximativ 2-3%, iar în aparatul cu duze - 3-4%. Măsurile de reducere a pierderilor constau în „îmbunătățirea” porțiunii de curgere prin calcul și experiment, precum și în calcularea corectă a triunghiurilor de viteză pentru debitul în treapta turbinei, sau mai precis, alegerea celei mai avantajoase viteze periferice U la o viteză dată C 1 . Aceste acțiuni sunt de obicei caracterizate de parametrul U/C 1. Viteza periferică la raza medie într-un motor turboreactor este de 270 – 370 m/s.

Perfecțiunea hidraulică a căii de curgere a unei trepte de turbină ia în considerare un astfel de parametru ca eficienta adiabatica. Uneori se mai numește și lame, deoarece ține cont de pierderile prin frecare în paletele scenei (SA și RL). Există un alt factor de eficiență pentru o turbină, care o caracterizează în mod specific ca o unitate pentru generarea de energie, adică gradul în care energia disponibilă este utilizată pentru a crea lucru pe arbore.

Acesta este așa-numitul eficienta de putere (sau eficienta).. Este egal cu raportul dintre lucrul pe arbore și căderea de căldură disponibilă. Această eficiență ia în considerare pierderile cu viteza de ieșire. Ele se ridică, de obicei, la aproximativ 10-12% pentru motoarele cu turboreacție (la motoarele cu turboreacție moderne C 0 = 100-180 m/s, C 1 = 500-600 m/s, C 2 = 200-360 m/s).

Pentru motoarele moderne cu turbină cu gaz, valoarea eficienței adiabatice este de aproximativ 0,9 - 0,92 pentru turbinele nerăcite. Dacă turbina este răcită, atunci această eficiență poate fi mai mică cu 3-4%. Eficiența energetică este de obicei 0,78 - 0,83. Este mai mic decât adiabatic prin cantitatea de pierderi cu viteza de ieșire.

În ceea ce privește pierderile finale, acestea sunt așa-numitele „ pierderi de curgere" Partea de curgere nu poate fi complet izolată de restul motorului din cauza prezenței componentelor rotative în combinație cu cele staționare (carcase + rotor). Prin urmare, gazul din zonele de presiune ridicată tinde să curgă în zonele de presiune scăzută. În special, de exemplu, din zona din fața paletei de lucru până în zona din spatele acesteia, prin spațiul radial dintre paleta paletă și carcasa turbinei.

Un astfel de gaz nu participă la procesul de transformare a energiei curgerii în energie mecanică, deoarece nu interacționează cu paletele în acest sens, adică apar pierderi finale (sau pierderi de clearance radial). Ele se ridică la aproximativ 2-3% și afectează negativ atât eficiența adiabatică, cât și eficiența energetică, reduc eficiența motoarelor cu turbină cu gaz și destul de vizibil.

Se știe, de exemplu, că o creștere a jocului radial de la 1 mm la 5 mm într-o turbină cu diametrul de 1 m poate duce la o creștere consum specific combustibil în motor cu mai mult de 10%.

Este clar că este imposibil să scapi complet de jocul radial, dar încearcă să-l minimizeze. Este destul de dificil pentru că turbina aeronavei– unitatea este foarte încărcată. Contabilitatea corectă a tuturor factorilor care influențează dimensiunea decalajului este destul de dificilă.

Modurile de funcționare ale motorului se schimbă adesea, ceea ce înseamnă cantitatea de deformare a palelor de lucru, a discurilor pe care sunt montate și a carcaselor turbinei se modifică ca urmare a modificărilor de temperatură, presiune și forțe centrifuge.

Sigiliu labirint.

Aici este necesar să se ia în considerare cantitatea de deformare reziduală în timpul funcționării pe termen lung a motorului. În plus, evoluțiile efectuate de aeronavă afectează deformarea rotorului, ceea ce modifică și dimensiunea golurilor.

De obicei, decalajul este evaluat după oprirea motorului cald. În acest caz, carcasa exterioară subțire se răcește mai repede decât discurile masive și arborele și, scăzând în diametru, atinge lamele. Uneori, valoarea jocului radial este pur și simplu selectată în intervalul 1,5-3% din lungimea lamei lamei.

Principiul compactării fagurelor.

Pentru a evita deteriorarea palelor în cazul în care acestea ating corpul turbinei, în el sunt adesea plasate inserții speciale dintr-un material mai moale decât materialul palelor (de exemplu, ceramică metalică). În plus, se folosesc sigilii fără contact. De obicei acestea sunt labirintice sau sigilii labirint fagure.

În acest caz, lamele de lucru sunt bandate la capetele penei și sigilii sau pene (pentru faguri) sunt deja așezate pe rafturile de bandaj. La etanșările fagure, datorită pereților subțiri ai fagurelui, zona de contact este foarte mică (de 10 ori mai mică decât un labirint convențional), astfel încât unitatea este asamblată fără gol. După rodare, distanța este de aproximativ 0,2 mm.

Aplicarea sigiliului de tip fagure. Comparația pierderilor la utilizarea fagurelor (1) și a unui inel neted (2).

Metode similare de etanșare a golurilor sunt utilizate pentru a reduce scurgerea de gaz din partea de curgere (de exemplu, în spațiul inter-disc).

SOURZ…

Acestea sunt așa-numitele metode pasive controlul jocului radial. În plus, multe motoare cu turbine cu gaz dezvoltate (și în curs de dezvoltare) de la sfârșitul anilor 80 sunt echipate cu așa-numitele „ sisteme active de control al jocului radial» (SAURZ - metoda activă). Acestea sunt sisteme automate, iar esența muncii lor este controlul inerției termice a carcasei (statorului) unei turbine de avion.

Rotorul și statorul (carcasa exterioară) ale turbinei diferă unul de celălalt ca material și „masivitate”. Prin urmare, în condiții tranzitorii se extind diferit. De exemplu, atunci când un motor trece de la un mod de funcționare redus la unul crescut, o carcasă cu pereți subțiri la temperatură ridicată se încălzește mai repede (decât un rotor masiv cu discuri) și se extinde, crescând jocul radial dintre el și lame. Plus la acestea modificări de presiune în conductă și evoluția aeronavei.

Pentru a evita acest lucru, un sistem automat (de obicei un regulator principal de tip FADEC) organizează alimentarea cu aer de răcire către carcasa turbinei la cantitățile necesare. Încălzirea carcasei este astfel stabilizată în limitele cerute, ceea ce înseamnă că mărimea expansiunii sale liniare și, în consecință, mărimea jocurilor radiale se modifică.

Toate acestea vă permit să economisiți combustibil, ceea ce este foarte important pentru aviația civilă modernă. Sistemele SAURZ sunt utilizate cel mai eficient în turbine presiune scăzută pe motoare cu turboreacție, cum ar fi GE90, Trent 900 și altele.

Mult mai rar, dar destul de eficient, pentru a sincroniza ratele de încălzire ale rotorului și statorului, se folosește fluxul de aer forțat al discurilor turbinei (nu al carcasei). Astfel de sisteme sunt utilizate pe motoarele CF6-80 și PW4000.

———————-

Jocurile axiale din turbină sunt de asemenea reglementate. De exemplu, între marginile de ieșire ale SA și RL-urile de intrare, există de obicei un spațiu de 0,1-0,4 față de coarda RL la raza medie a lamelor. Cu cât acest decalaj este mai mic, cu atât mai putina pierdere energie de curgere în spatele SA (pentru frecare și alinierea câmpului de viteză în spatele SA). Dar, în același timp, vibrația radarului crește din cauza impactului alternativ al SA din zonele din spatele corpurilor lamelor în zonele interscapulare.

Un pic general despre design...

Axial turbine de aviație motoarele moderne cu turbină cu gaz pot avea un design diferit forma părții de curgere.

Dav = (Din + Dn) /2

1. Formă cu diametrul corpului constant (Dн). Aici scad diametrele interne și medii de-a lungul tractului.

Diametru exterior constant.

Acest design se potrivește bine cu dimensiunile motorului (și fuselajului aeronavei). Are o bună distribuție a muncii pe etape, în special pentru motoarele cu turboreacție cu doi arbori.

Cu toate acestea, în această schemă, așa-numitul unghi al clopotului este mare, ceea ce este plin de separarea fluxului de pereții interiori ai carcasei și, în consecință, de pierderi hidraulice.

Diametru interior constant.

Când proiectați, încercați să nu permiteți unghiului prizei să depășească 20°.

2. Matriță cu diametru interior constant (Dв).

Diametrul mediu și diametrul corpului cresc de-a lungul tractului. Această schemă nu se potrivește bine cu dimensiunile motorului. Într-un motor cu turboreacție, din cauza „divergenței” debitului din carcasa interioară, este necesar să se rotească mai departe pe SA, ceea ce atrage după sine pierderi hidraulice.

Diametru mediu constant.

Schema este mai potrivită pentru utilizarea în motoarele cu turboventilator.

3. Formă cu diametru mediu constant (Davg). Diametrul corpului crește, diametrul intern scade.

Schema are dezavantajele celor două anterioare. Dar, în același timp, calculul unei astfel de turbine este destul de simplu.

Turbinele moderne de avioane sunt cel mai adesea în mai multe etape. Motivul principal pentru aceasta (așa cum sa menționat mai sus) este energia mare disponibilă a turbinei în ansamblu. Pentru a asigura o combinație optimă a vitezei periferice U și a vitezei C 1 (U/C 1 - optimă) și, prin urmare, eficiență generală ridicată și economie bună, este necesar să se distribuie toată energia disponibilă pe etape.

Un exemplu de turbină cu turboreacție în trei trepte.

În același timp, însă, ea însăși turbină structural devine mai complicat și mai greu. Datorită diferenței mici de temperatură la fiecare etapă (este distribuită în toate etapele), un număr mai mare de primele etape sunt expuse la temperaturi ridicate și necesită adesea răcire suplimentară.

Turbină cu turbină axială în patru trepte.

În funcție de tipul de motor, numărul de trepte poate varia. Pentru motoarele cu turboreacție, de obicei până la trei, pentru motoarele cu dublu circuit până la 5-8 trepte. De obicei, dacă motorul este cu mai multe arbori, atunci turbina are mai multe (în funcție de numărul de arbori) cascade, fiecare dintre acestea antrenând propria sa unitate și poate fi ea însăși în mai multe etape (în funcție de raportul de bypass).

Turbină axială de aeronavă cu două arbori.

De exemplu, la motorul Rolls-Royce Trent 900 cu trei arbori, turbina are trei trepte: o singură treaptă pentru a antrena compresorul de înaltă presiune, o singură treaptă pentru a antrena compresorul intermediar și una în cinci trepte pentru a antrena ventilatorul. Funcționarea în comun a cascadelor și determinarea numărului necesar de etape în cascade este descrisă separat în „teoria motorului”.

Se turbina aeronavei, simplu spus, este o structură formată dintr-un rotor, stator și diverse elemente structurale auxiliare. Statorul este format dintr-o carcasă exterioară, carcase dispozitive cu duzeși carcase lagăre ale rotorului. Rotorul este de obicei o structură de disc în care discurile sunt conectate la rotor și între ele folosind diferite elemente suplimentare și metode de fixare.

Un exemplu de turbină cu turbojet cu o singură treaptă. 1 - ax, 2 - pale SA, 3 - disc rotor, 4 - pale de lucru.

Pe fiecare disc, ca bază a rotorului, există palete de lucru. Atunci când proiectează lamele, încearcă să le facă cu o coardă mai mică datorită lățimii mai mici a marginii discului pe care sunt instalate, ceea ce îi reduce masa. Dar, în același timp, pentru a menține parametrii turbinei, este necesară creșterea lungimii profilului aerodinamic, ceea ce poate presupune bandajarea palelor pentru a crește rezistența.

Posibile tipuri de încuietori pentru fixarea palelor de lucru în discul turbinei.

Lama este atașată la disc folosind blocați conexiunea. O astfel de conexiune este unul dintre cele mai încărcate elemente structurale dintr-un motor cu turbină cu gaz. Toate sarcinile percepute de lamă sunt transferate discului prin încuietoare și ating valori foarte mari, mai ales că, din cauza diferenței de materiale, discul și lamele au coeficienți de dilatare liniară diferiți și, în plus, datorită neuniformității temperaturii. câmp, se încălzesc diferit.

Pentru a evalua posibilitatea de a reduce sarcina în conexiunea de blocare și, prin urmare, de a crește fiabilitatea și durata de viață a turbinei, lucrări de cercetare, printre care experimente pe lame bimetalice sau utilizarea rotoarelor blisk în turbine.

La utilizarea lamelor bimetalice, sarcinile în încuietorile de fixare a acestora pe disc sunt reduse datorită fabricării părții de blocare a lamei dintr-un material similar cu materialul disc (sau similar în parametri). Lama lamei este realizată dintr-un alt metal, după care se îmbină folosind tehnologii speciale (se obține un bimetal).

Blisk-urile, adică rotoarele în care paletele sunt integrate cu discul, elimină în general prezența unei conexiuni de blocare și, prin urmare, stresul inutil în materialul rotorului. Componentele de acest tip sunt deja utilizate în compresoarele motoarelor moderne cu turboventilator. Cu toate acestea, pentru ei problema reparației este semnificativ complicată și posibilitățile de utilizare și răcire la temperaturi ridicate în turbina aeronavei.

Un exemplu de fixare a palelor rotorului pe un disc folosind încuietori în schelet.

Cea mai obișnuită metodă de atașare a palelor la discuri de turbină puternic încărcate este așa-numita schelet. Dacă încărcările sunt moderate, atunci pot fi utilizate alte tipuri de încuietori care au un design mai simplu, de exemplu, cilindrice sau în formă de T.

Control…

Din condiţiile de muncă turbină de aviație extrem de grea, iar problema fiabilității, ca cea mai importantă componentă a unei aeronave, este de primă prioritate, atunci problema monitorizării stării elementelor structurale este pe primul loc în operarea la sol. Acest lucru este valabil mai ales pentru monitorizarea cavităților interne ale turbinei, unde se află cele mai încărcate elemente.

Inspecția acestor cavități este desigur imposibilă fără utilizarea echipamentelor moderne. inspecție vizuală de la distanță. Pentru motoarele cu turbină cu gaz pentru avioane, în această calitate servesc diferite tipuri de endoscoape (boroscoape). Dispozitive moderne Acest tip este destul de avansat și are capacități mari.

Inspecția tractului gaz-aer al unui turboreactor utilizând un endoscop Vucam XO.

Un exemplu izbitor este videoendoscopul portabil de măsurare Vucam XO de la compania germană ViZaar AG. posedând de dimensiuni miciși greutate (mai puțin de 1,5 kg), acest dispozitiv este totuși foarte funcțional și are capacități impresionante atât pentru inspecția, cât și pentru procesarea informațiilor primite.

Vucam XO este complet mobil. Întregul său set se află într-o carcasă mică de plastic. Sonda video cu o cantitate mare adaptoarele optice ușor de înlocuit au o articulație completă la 360°, cu un diametru de 6,0 mm și pot avea lungimi diferite (2,2 m; 3,3 m; 6,6 m).

Inspecția boroscopică a unui motor de elicopter folosind un endoscop Vucam XO.

Inspecțiile boroscopice folosind astfel de endoscoape sunt prevăzute în reglementările pentru toate motoarele de aeronave moderne. La turbine, partea de curgere este de obicei inspectată. Sonda endoscopului pătrunde în cavitățile interne turbină de aviație prin special porturi de control.

Porturi de inspecție boroscopică pe carcasa turbinei cu turbojet CFM56.

Sunt orificii în carcasa turbinei, închise cu dopuri sigilate (de obicei filetate, uneori cu arc). În funcție de capacitățile endoscopului (lungimea sondei), poate fi necesară rotirea arborelui motorului. Paletele (SA și RL) ale primei trepte a turbinei pot fi inspectate prin ferestrele de pe carcasa camerei de ardere, iar cele din ultima treaptă - prin duza motorului.

Care va ridica temperatura...

Una dintre direcțiile generale pentru dezvoltarea motoarelor cu turbină cu gaz din toate schemele este creșterea temperaturii gazului în fața turbinei. Acest lucru face posibilă creșterea semnificativă a tracțiunii fără creșterea consumului de aer, ceea ce poate duce la o scădere a zonei frontale a motorului și la o creștere a tracțiunii frontale specifice.

La motoarele moderne, temperatura gazului (dupa flacara) la iesirea din camera de ardere poate ajunge la 1650°C (cu tendinta de crestere), deci pt. operatie normala Turbinele cu sarcini termice atât de mari necesită adoptarea unor măsuri speciale, adesea de siguranță.

Primul (și cel mai mare timp de nefuncționare a acestei situații)- utilizare materiale rezistente la căldură și rezistente la căldură, atât aliaje metalice, cât și (în viitor) materiale speciale compozite și ceramice, care sunt utilizate pentru fabricarea celor mai încărcate părți ale turbinei - duze și palete de lucru, precum și discuri. Cele mai încărcate dintre ele sunt, poate, lamele de lucru.

Aliajele metalice sunt în principal aliaje pe bază de nichel (punct de topire - 1455 ° C) cu diverși aditivi de aliere. Până la 16 elemente de aliere diferite sunt adăugate aliajelor moderne rezistente la căldură și rezistente la căldură pentru a obține caracteristici maxime de temperatură ridicată.

Exotic chimic...

Acestea includ, de exemplu, crom, mangan, cobalt, wolfram, aluminiu, titan, tantal, bismut și chiar reniu sau, în schimb, ruteniu și altele. Deosebit de promițător în acest sens este reniul (Re – reniu, folosit în Rusia), care acum este folosit în locul carburilor, dar este extrem de scump și rezervele sale sunt mici. Utilizarea siliciurului de niobiu este, de asemenea, considerată promițătoare.

În plus, suprafața lamei este adesea acoperită cu un strat special aplicat folosind o tehnologie specială. strat protector termic(acoperire anti-termica - acoperire cu barieră termică sau ansamblu combustibil) , reducând semnificativ cantitatea de flux de căldură în corpul lamei (funcții de barieră termică) și protejând-o de coroziunea gazelor (funcții rezistente la căldură).

Un exemplu de acoperire de protecție termică. Este prezentată natura schimbării de temperatură pe secțiunea transversală a lamei.

Figura (microfotografie) prezintă stratul de protecție împotriva căldurii de pe paleta turbinei de înaltă presiune a unui motor turboventilator modern. Aici TGO (Thermally Grown Oxide) este un oxid cu creștere termică; Substratul – materialul principal al lamei; Stratul de aderență este un strat de tranziție. Compoziția ansamblurilor de combustibil include acum nichel, crom, aluminiu, ytriu etc. Se efectuează, de asemenea, lucrări experimentale privind utilizarea acoperiri ceramice pe baza de oxid de zirconiu stabilizat de oxid de zirconiu (dezvoltat de VIAM).

De exemplu…

Aliajele de nichel termorezistente de la Special Metals Corporation - SUA, care conțin cel puțin 50% nichel și 20% crom, precum și titan, aluminiu și multe alte componente adăugate în cantități mici, sunt destul de cunoscute în industria motoarelor, începând de la perioada postbelică și în prezent...

În funcție de scopul profilului lor (RL, SA, discuri de turbină, piese de curgere, duze, compresoare etc., precum și aplicații non-aviație), compoziția și proprietățile lor, acestea sunt combinate în grupuri, fiecare dintre acestea incluzând diferite opțiuni de aliaj. .

Paletele turbinei motorului Rolls-Royce Nene din aliaj Nimonic 80A.

Unele dintre aceste grupuri sunt: ​​Nimonic, Inconel, Incoloy, Udimet/Udimar, Monel și altele. De exemplu, aliajul Nimonic 90, dezvoltat încă din 1945 și folosit pentru fabricarea elementelor turbine de aeronave(în principal lame), duze și părți de aeronave, are compoziția: nichel - 54% minim, crom - 18-21%, cobalt - 15-21%, titan - 2-3%, aluminiu - 1-2%, mangan – 1%, zirconiu -0,15% și alte elemente de aliere (în cantități mici). Acest aliaj este produs și astăzi.

În Rusia (URSS), dezvoltarea acestui tip de aliaje și a altor materiale importante pentru motoarele cu turbină cu gaz a fost și este realizată cu succes de VIAM (Institutul de Cercetare a Materialelor Aviației All-Russian). În perioada postbelică, institutul a dezvoltat aliaje deformabile (tip EI437B), iar de la începutul anilor 60 a creat o serie întreagă de aliaje turnate de înaltă calitate (mai multe despre asta mai jos).

Cu toate acestea, aproape toate sunt rezistente la căldură materiale metalice rezista la temperaturi de până la aproximativ ≈ 1050°C fără răcire.

De aceea:

A doua măsură, utilizată pe scară largă, aceasta este o aplicație diverse sisteme de răcire lame si altele elemente structurale turbine de aeronave. Este încă imposibil să faci fără răcire în motoarele moderne cu turbină cu gaz, în ciuda utilizării de noi aliaje rezistente la temperatură înaltă și a metodelor speciale de fabricare a elementelor.

Printre sistemele de răcire, există două domenii: sisteme deschisȘi închis. Sistemele cu buclă închisă pot utiliza circulație forțată lichid de răcire în sistemul de lame - un radiator sau utilizați principiul „efectului termosifon”.

În această din urmă metodă, mișcarea lichidului de răcire are loc sub influența forțelor gravitaționale, atunci când straturile mai calde le înlocuiesc pe cele mai reci. Lichidul de răcire aici poate fi, de exemplu, sodiu sau un aliaj de sodiu și potasiu.

Cu toate acestea, sistemele închise, din cauza numărului mare de probleme greu de rezolvat, nu sunt folosite în practica aviației și se află în stadiul cercetării experimentale.

Diagrama aproximativă de răcire a unei turbine cu turboreacție în mai multe trepte. Sunt prezentate garniturile dintre CA și rotor. A - o rețea de profile pentru aerul învolburat în scopul pre-răcirii acestuia.

Dar ele sunt utilizate pe scară largă în practică sisteme de răcire deschise. Agentul frigorific aici este aer, de obicei furnizat la presiuni diferite datorită diferitelor trepte ale compresorului în paletele turbinei. În funcție de temperatura maximă a gazului la care se recomandă utilizarea acestor sisteme, acestea pot fi împărțite în trei tipuri: convective, film-convectiv(sau barieră) și poroase.

În timpul răcirii convective, aerul este furnizat în interiorul lamei prin canale speciale și, spălând zonele cele mai încălzite din interiorul acesteia, iese în flux în zonele cu presiune mai mică. În acest caz, pot fi utilizate diverse scheme de organizare a fluxului de aer în pale, în funcție de forma canalelor pentru acesta: longitudinal, transversal sau în formă de buclă (mixt sau complicat).

Tipuri de răcire: 1 - convectivă cu deflector, 2 - peliculă convectivă, 3 - poroasă. Lama 4 - înveliș de protecție împotriva căldurii.

Cea mai simplă schemă este cu canale longitudinale de-a lungul penei. Aici, orificiul de evacuare a aerului este de obicei organizat în partea superioară a lamei prin raftul de bandaj. Într-o astfel de schemă, există o neuniformitate destul de mare a temperaturii de-a lungul penei lamei - până la 150-250˚, ceea ce afectează negativ proprietățile de rezistență ale lamei. Circuitul este utilizat pe motoarele cu temperaturi ale gazului de până la ≈ 1130ºС.

Altă cale răcire convectivă(1) presupune prezența unui deflector special în interiorul penei (în interiorul penei se introduce o carcasă cu pereți subțiri), care facilitează alimentarea cu aer de răcire mai întâi în zonele cele mai încălzite. Deflectorul formează un fel de duză care sufla aer în partea din față a lamei. Acest lucru are ca rezultat răcirea cu jet a celei mai fierbinți părți. În continuare, aerul, spălând suprafețele rămase, iese prin găuri longitudinale înguste din pană.

Paleta turbinei motorului CFM56.

Într-o astfel de schemă, neuniformitatea temperaturii este mult mai mică, în plus, deflectorul în sine, care este introdus în lamă sub tensiune de-a lungul mai multor curele transversale de centrare, datorită elasticității sale, servește ca amortizor și atenuează vibrațiile lamelor. Această schemă este utilizată la o temperatură maximă a gazului de ≈ 1230°C.

Așa-numitul design cu jumătate de buclă face posibilă realizarea unui câmp de temperatură relativ uniform în lamă. Acest lucru se realizează prin selectarea experimentală a locației diferitelor nervuri și știfturi care direcționează fluxurile de aer în interiorul corpului lamei. Această schemă permite o temperatură maximă a gazului de până la 1330°C.

Lamele duzei sunt răcite convectiv în același mod ca și lamele de lucru. Ele sunt de obicei realizate cu dublă cavitate cu nervuri și știfturi suplimentare pentru a intensifica procesul de răcire. Aerul cu presiune mai mare este furnizat în cavitatea frontală la marginea anterioară decât în ​​spate (datorită diferitelor etape ale compresorului) și este eliberat în diferite zone ale tractului pentru a menține diferența de presiune minimă necesară pentru a asigura aerul necesar. viteza în canalele de răcire.

Exemple de metode posibile pentru răcirea palelor rotorului. 1 - convectiv, 2 - convectiv-film, 3 convectiv-film cu canale complicate de buclă în lamă.

Răcirea filmului convectiv (2) este utilizată la temperaturi și mai mari ale gazului – până la 1380°C. Cu această metodă, o parte din aerul de răcire este eliberat prin găuri speciale din lamă pe suprafața sa exterioară, creând astfel un fel de peliculă barieră, care protejează lama de contactul cu fluxul de gaz fierbinte. Această metodă este utilizată atât pentru lamele de lucru, cât și pentru duze.

A treia metodă este răcirea poroasă (3). În acest caz, tija de putere a lamei cu canale longitudinale este acoperită cu un material poros special, care permite o eliberare uniformă și dozată a lichidului de răcire pe întreaga suprafață a lamei spălate de fluxul de gaz.

Aceasta este încă o metodă promițătoare, care nu este utilizată în practica de masă a utilizării motoarelor cu turbină cu gaz din cauza dificultăților de selectare a materialului poros și a probabilității mari de înfundare destul de rapidă a porilor. Cu toate acestea, dacă aceste probleme sunt rezolvate, temperatura posibilă a gazului cu acest tip de răcire poate ajunge la 1650°C.

Discurile turbinei și carcasele CA sunt, de asemenea, răcite cu aer datorită diferitelor etape ale compresorului pe măsură ce acesta trece prin cavitățile interne ale motorului, spălând piesele răcite și apoi eliberându-le în partea de curgere.

Datorită gradului destul de ridicat de creștere a presiunii în compresoarele motoarelor moderne, aerul de răcire în sine poate avea o temperatură destul de ridicată. Prin urmare, pentru a crește eficiența răcirii, se iau măsuri pentru a reduce mai întâi această temperatură.

Pentru a face acest lucru, înainte de alimentarea turbinei la palete și discuri, aerul poate fi trecut prin grile de profil speciale, similare cu turbina SA, unde aerul este răsucit în sensul de rotație al rotorului, extinzându-se și răcind în același timp. . Cantitatea de răcire poate fi de 90-160°.

Pentru aceeași răcire, pot fi utilizate radiatoare aer-aer răcite cu aer din circuitul secundar. La motorul AL-31F, un astfel de radiator reduce temperatura la 220° în zbor și 150° la sol.

Pentru nevoi de racire turbină de aviație Din compresor se ia o cantitate destul de mare de aer. Pe diverse motoare - până la 15-20%. Acest lucru crește semnificativ pierderile, care sunt luate în considerare în calculul termogazdinamic al motorului. Unele motoare sunt echipate cu sisteme care reduc furnizarea de aer pentru răcire (sau chiar o opresc) în condiții reduse de funcționare a motorului, ceea ce are un efect pozitiv asupra eficienței.

Diagrama de răcire a primei trepte a turbinei turboventilatoare NK-56. Sunt prezentate, de asemenea, garnituri de tip fagure și o bandă de închidere a răcirii la condiții reduse de funcționare a motorului.

Atunci când se evaluează eficiența unui sistem de răcire, se iau în considerare de obicei pierderile hidraulice suplimentare pe palete din cauza modificărilor formei acestora la eliberarea aerului de răcire. Eficiența unei turbine adevărate răcite este cu aproximativ 3-4% mai mică decât cea a uneia nerăcite.

Ceva despre fabricarea lamelor...

Pe motoarele cu reacție din prima generație, paletele turbinei au fost fabricate în principal metoda de ștanțare urmată de prelucrare pe termen lung. Cu toate acestea, în anii 50, specialiștii VIAM au demonstrat în mod convingător că este vorba de aliaje turnate și nu forjate care ofereau perspectiva creșterii nivelului de rezistență la căldură a lamelor. Treptat, s-a făcut o tranziție către această nouă direcție (inclusiv în Occident).

În prezent, producția folosește tehnologia de turnare de precizie fără deșeuri, ceea ce face posibilă producerea de lame cu cavități interne profilate special, care sunt utilizate pentru operarea sistemului de răcire (așa-numita tehnologie turnare cu ceară pierdută).

Aceasta este, de fapt, singura modalitate de a obține acum lame răcite. De asemenea, s-a îmbunătățit în timp. În primele etape ale tehnologiei de turnare, au fost produse lame cu dimensiuni diferite boabe de cristalizare, care nu au aderat sigur unul de celălalt, ceea ce a redus semnificativ rezistența și durata de viață a produsului.

Ulterior, folosind modificatori speciali, au început să producă lame turnate răcite cu granule structurale omogene, echiaxiale, fine. În acest scop, în anii 60, VIAM a dezvoltat primele aliaje domestice rezistente la căldură în serie pentru turnarea ZhS6, ZhS6K, ZhS6U, VZHL12U.

Temperatura lor de funcționare a fost cu 200° mai mare decât cea a aliajului deformabil (de ștanțare) comun EI437A/B (KhN77TYu/YUR). Lamele realizate din aceste materiale au funcționat cel puțin 500 de ore fără semne vizibile de distrugere. Acest tip de tehnologie de fabricație este folosit și astăzi. Cu toate acestea, granițele de cereale rămân punctul slab al structurii lamei și de-a lungul lor începe distrugerea acesteia.

Prin urmare, odată cu creșterea caracteristicilor de sarcină ale moderne turbine de aeronave(presiune, temperatură, încărcări centrifuge) a fost nevoie să se dezvolte noi tehnologii pentru fabricarea palelor, deoarece structura multi-granule în multe privințe nu mai satisfacea condițiile severe de funcționare.

Exemple de structură a materialului termorezistent al lamelor de lucru. 1 - mărime echiaxială a granulelor, 2 - cristalizare direcțională, 3 - monocristal.

Așa este „ metoda de cristalizare direcțională" Cu această metodă, în turnarea de solidificare a unei lame, nu se formează granule de metal echiaxiale individuale, ci cristale lungi columnare alungite strict de-a lungul axei lamei. Acest tip de structură crește semnificativ rezistența la rupere a lamei. Seamănă cu o mătură, care se rupe foarte greu, deși fiecare dintre crenguțele care o alcătuiesc se rupe fără probleme.

Această tehnologie a fost ulterior perfecționată la o versiune și mai avansată " metoda de turnare a monocristalelor„, când o lamă este practic un cristal întreg. Acest tip de lamă este acum instalat și în modern turbine de aeronave. Pentru fabricarea lor se folosesc aliaje speciale, inclusiv așa-numitele aliaje care conțin reniu.

În anii 70 și 80, VIAM a dezvoltat aliaje pentru turnarea palelor de turbine cu solidificare direcțională: ZhS26, ZhS30, ZhS32, ZhS36, ZhS40, VKLS-20, VKLS-20R; iar în anii 90 - aliaje rezistente la coroziune de lungă durată: ZhSKS1 și ZhSKS2.

În plus, lucrând în această direcție, de la începutul anului 2000 până în prezent, VIAM a creat aliaje rezistente la căldură cu reniu ridicat de a treia generație: VZhM1 (9,3% Re), VZhM2 (12% Re), ZhS55 (9% Re). ) și VZhM5 (4% ​​​​Re). Pentru a îmbunătăți și mai mult caracteristicile, au fost efectuate studii experimentale în ultimii 10 ani, care au dus la aliaje care conțin reniu-ruteniu din a patra - VZhM4 și a cincea generație VZhM6.

Ca asistenti...

După cum sa menționat mai devreme, doar turbinele reactive (sau activ-reactive) sunt utilizate în motoarele cu turbină cu gaz. Cu toate acestea, în concluzie, merită amintit că printre cele folosite turbine de aeronave Sunt și activi. Ei îndeplinesc în principal sarcini secundare și nu participă la funcționarea motoarelor de propulsie.

Și totuși rolul lor este adesea foarte important. În acest caz vorbim despre demaroare de aer folosit pentru a lansa. Există diferite tipuri de dispozitive de pornire utilizate pentru a învârti rotoarele motoarelor cu turbine cu gaz. Demarorul de aer ocupă poate cel mai proeminent loc dintre ele.

Pornitorul de aer al unui motor turboventilator.

Această unitate, de fapt, în ciuda importanței funcțiilor sale, este fundamental destul de simplă. Unitatea principală aici este o turbină activă cu una sau două trepte, care rotește rotorul motorului (într-un motor turboventilator, de obicei un rotor de joasă presiune) printr-o cutie de viteze și cutie de transmisie.

Amplasarea demarorului cu aer și a liniei sale de lucru pe motorul turboventilator,

Turbina în sine este învârtită de un flux de aer care vine de la o sursă de sol, fie un APU la bord, fie de la un alt motor de avion care funcționează deja. La un anumit punct al ciclului de pornire, demarorul este oprit automat.

În unitățile de acest fel, în funcție de parametrii de ieșire solicitați, se pot utiliza și ele. turbine radiale. De asemenea, pot fi utilizate în sistemele de aer condiționat din cabinele de aeronave ca element al unui turbo-frigider, în care efectul de dilatare și scădere a temperaturii aerului asupra turbinei este utilizat pentru răcirea aerului care intră în cabine.

În plus, atât turbinele axiale active, cât și cele radiale sunt utilizate în sistemele de turboalimentare ale motoarelor de aeronave cu piston. Această practică a început chiar înainte ca turbina să fie transformată în cel mai important nod GTD continuă până în prezent.

Un exemplu de utilizare a turbinelor radiale și axiale în dispozitivele auxiliare.

Sisteme similare care utilizează turbocompresoare sunt utilizate în mașini și în general diverse sisteme alimentare cu aer comprimat.

Astfel, turbina aeronavei servește bine oamenilor și în sens auxiliar.

———————————

Ei bine, asta este probabil tot pentru azi. De fapt, mai sunt multe despre care se poate scrie aici, atât în ​​ceea ce privește informațiile suplimentare, cât și în ceea ce privește mai multe descriere completa ceea ce s-a spus deja. Subiectul este foarte larg. Cu toate acestea, nu se poate îmbrățișa imensitatea :-). Pentru informații generale, poate, este suficient. Vă mulțumesc că ați citit până la capăt.

Pana data viitoare...

În cele din urmă, există imagini care „nu se potrivesc” în text.

Un exemplu de turbină cu turbojet cu o singură treaptă.

Model al eolipilului lui Heron în Muzeul de Cosmonautică Kaluga.

Articularea sondei video a endoscopului Vucam XO.

Ecranul endoscopului multifuncțional Vucam XO.

Endoscop Vucam XO.

Un exemplu de acoperire de protecție termică pe lamele CA ale unui motor GP7200.

Plăci de tip fagure utilizate pentru etanșări.

Opțiuni posibile pentru elementele de etanșare labirint.

Sigiliu de tip fagure labirint.