叶片在航空发动机中起着最重要的作用,没有叶片航空发动机就没办法产生推力。航空发动机的叶片又分为涡轮叶片,风扇叶片,压气机叶片。而涡轮叶片又分为“高压涡轮叶片”,“低压涡轮叶片”,“导向涡轮叶片”。压气机叶片分为“高压压气机叶片”,“低压压气机叶片”。其中决定发动机推力大小的因素之一就是高压涡轮叶片的性能,从此可见,叶片在航空发动机中的地位有多么的重要。
导向涡轮叶片
导向叶片并不是转动的,而是静止的。虽说导向叶片是静止的,但其作用也相当的大。导向叶片的主要作用:让从燃烧室喷出的高温高速气流顺着一定的角度进行偏转,从而冲向涡轮的高压和低压叶片。通过涡轮高低压叶片的高速旋转,通过涡轮轴带动压气机的旋转。进行往复的循环,并不断的产生推力。由于涡轮导向叶片直面高温高速气流,所以其工作环境极为苛刻。导向叶片主要在以下的环境中工作:1000度以上的高温,极大的热应力,热应变,复杂腐蚀,气动负荷,燃气应力等。
高压涡轮叶片
而高压涡轮叶片需要承受1500度以上的高温,相当于叶片自重2千倍的离心力和气动力,腐蚀,载荷等等。所以要求高压涡轮叶片具有耐高温,高强度,耐腐蚀等特点。为了使高压涡轮叶片具有以上的性能,在制造时要使用特殊的材料。
早些时候,制造涡轮叶片的材料主要是变形高温合金,该合金的承受温度在1000度以下,早期的航空发动机推力并不大,所以对涡轮叶片的耐高温性能要求也没有今天那么严格。随着发动机推力的增大,变形高温合金已经无法满足要求了。紧接着,又出现了铸造高温合金,而铸造高温合金中又包括了:“单晶高温合金”,“定向凝固合金”,“一般铸造合金”等。
当今先进航空发动机的涡轮叶片主要使用的就是单晶耐高温合金。到目前为止,单晶耐高温合金已经发展了五代。第一代主要以美国的“PWA1480”,“CMSX-2/3”,英国的“SRR99”,我国的“DD403”为代表。第二代主要以美国的“CMSX-4”,“PWA1484”,“reneN1”,“reneN5”,我国的“DD406”为代表。第三代主要以美国的“CMSX-10”,“Rene6”,我国的“DD409”,日本的“TMS-75”为代表。
目前来说,仅有日本研发出了第四代“TMS-138”,第五代“TMS-162”,“TMS-192”。可见日本在单晶耐高温合金的发展上是一骑绝尘,其技术十分先进。
第三代单晶耐高温合金普遍可以在1100度,140Mpa的环境下持续稳定使用220小时以上。而TMS-138可以在1100度,137Mpa的环境下稳定工作399小时。TMS-162则可以在相同条件下工作959个小时。
除了单晶耐高温合金之外,还有金属间化物。我国主要以NI3AL为材料,研发了IC6,IC10。IC10主要用于涡扇-15发动机的高低压涡轮叶片和导向叶片,估计低压涡轮叶片和导向叶片还是用了DD406单晶耐高温合金。IC10高温合金在1100℃达到完全抗氧化级,涂覆NiCoCrAlY涂层后1150℃达到抗氧化级。
其实单靠单晶合金是无法使涡前温度达到1700度甚至1800度的,除了高温合金自身的耐高温能力之外。还相继研发出来了隔热涂层技术,复合气冷技术。
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