História de desenvolvimento e tendências de pás de turbina
As pás da turbina são divididas em duas categorias: pás guia da turbina e pás de trabalho da turbina.
A principal função das palhetas guia da turbina é ajustar a direção do fluxo dos gases de exaustão da câmara de combustão. A temperatura operacional do material pode atingir mais de 1.100 graus, e a tensão suportada pelas palhetas guia da turbina é geralmente inferior a 70MPa. Este componente é frequentemente descartado devido a distorções causadas por grandes tensões térmicas, rachaduras por fadiga térmica causadas por mudanças bruscas de temperatura e queimaduras causadas por temperaturas excessivas locais.
As pás da turbina estão localizadas no motor da turbina com a temperatura mais alta, as tensões mais complexas e o pior ambiente. Este componente precisa suportar altas temperaturas e grandes tensões centrífugas e térmicas. A temperatura que suporta é 50-100 grau inferior à das pás guia da turbina correspondentes, mas ao girar em alta velocidade, devido aos efeitos da força aerodinâmica e da força centrífuga, a tensão no corpo da pá atinge 140MPa e a raiz atinge { {2}}MPa. A melhoria contínua da estrutura e dos materiais das pás das turbinas tornou-se um dos fatores-chave na melhoria do desempenho dos motores das aeronaves.
As pás da turbina, o eixo da turbina, o disco da turbina e outros componentes juntos formam a turbina de um motor de aeronave. A turbina é a fonte de energia que aciona o compressor e outros acessórios. A turbina pode ser dividida em dois componentes: o rotor e o estator:
Rotor da turbina: É um conjunto composto por pás da turbina, rodas, eixos e outras peças rotativas montadas no eixo. É responsável por sugar o fluxo de ar de alta temperatura e alta pressão para o queimador para manter o funcionamento do motor. O rotor da turbina funciona em alta temperatura e alta velocidade e transmite alta potência, por isso suas condições de trabalho são extremamente adversas. Ao trabalhar em alta temperatura, o rotor da turbina deve suportar força centrífuga extremamente alta e também está sujeito ao efeito do torque aerodinâmico, etc. O ambiente de alta temperatura reduzirá a resistência máxima do material da pá da turbina e também causará fluência e erosão do material da pá da turbina.
Estator da turbina: É composto por lâminas guia da turbina, anel externo e anel interno. Ele é fixado na carcaça e tem como principal função difundir e retificar o fluxo de ar para que o rotor da turbina do próximo estágio atenda ao triângulo de velocidade das pás de trabalho da turbina.
A fim de melhorar os indicadores de desempenho, como a relação empuxo-peso, os requisitos para a tolerância dos motores das aeronaves e das pás das turbinas a gás a altas temperaturas e altas velocidades do vento estão aumentando constantemente. Nos motores turbofan de aeronaves convencionais, o compressor acionado por turbina tem um máximo de
O ar que entra no motor da turbina gira a uma alta velocidade de milhares de rotações por segundo. O ar é pressurizado passo a passo no compressor. A relação de pressão do compressor multiestágio pode chegar a mais de 25. O ar pressurizado entra na câmara de combustão do motor, mistura-se com o combustível e queima. A chama do combustível precisa queimar de forma estável no fluxo de ar de alta pressão que flui a uma alta velocidade de mais de 100 m/s.
O fluxo de gás de alta temperatura e alta pressão da câmara de combustão faz com que as pás da turbina girem a uma velocidade de milhares a dezenas de milhares de rotações por minuto. Normalmente, a temperatura antes da turbina excede o ponto de fusão do material da pá da turbina. Durante a operação, as pás das turbinas dos motores modernos geralmente precisam suportar temperaturas de 1.600 a 1.800 graus, velocidades do vento de cerca de 300 m/s e a enorme pressão do ar causada por elas.
As pás da turbina precisam funcionar de forma confiável por milhares a dezenas de milhares de horas em um ambiente de trabalho extremamente severo. As pás da turbina têm perfis complexos e usam um grande número de tecnologias de fabricação avançadas, como solidificação direcional, metalurgia do pó, fundição complexa de lâminas ocas, fabricação complexa de núcleos cerâmicos e processamento de microfuros.
As pás da turbina são um dos componentes das “duas máquinas” que possuem mais processos de fabricação, ciclo mais longo e menor taxa de passagem. A fabricação de pás de turbina ocas complexas tornou-se a tecnologia central no desenvolvimento atual das “duas máquinas”.
Status do mercado e tendências de desenvolvimento
As pás dos motores de aeronaves e turbinas a gás incluem principalmente pás de ventiladores, pás de turbinas e pás de compressores, das quais o valor das pás da turbina representa cerca de 60% do custo total das pás. Em comparação com as pás do ventilador, as matérias-primas das pás da turbina são mais valiosas e mais difíceis de processar.
Como um importante componente hot-end do motor, as pás da turbina requerem o uso de materiais de liga de alta temperatura. Sua tecnologia de fundição exige altos requisitos e alguns recursos minerais metálicos são escassos. Em termos de processo de fabricação, as pás da turbina geralmente usam fundição para obter paredes finas e estruturas de resfriamento complexas. A dificuldade de fabricação é significativamente maior que a de outras lâminas.
Por exemplo, os motores de aeronaves CFM56 amplamente utilizados nas séries Boeing 737 e Airbus 320 têm mais de mil pás de turbina, cada uma custando mais de 10,{4}} yuans. O preço unitário das pás da turbina em certas peças ultrapassa até 100,{6}} yuans.
