Какой материал используется для изготовления горячих секций реактивных двигателей?

Короткий ответ

• Вентилятор: алюминий, титан или нержавеющая сталь

• Компрессор: сплавы на основе никеля, кобальта или железа. Добавкой являются алюминий и/или титан, хром, а также редкоземельные элементы, такие как иттрий.

• Камера сгорания: Суперсплавы с тугоплавкими металлами, такими как вольфрам, молибден, ниобий, тантал. Керамика и металлокерамические смеси.

• Турбина: суперсплав на основе никеля, наружный воздух циркулирует через каналы внутри лопаток турбины. Для лопаток турбин низкого давления используется суперсплав на основе железа или даже нержавеющая сталь. Металлы, используемые для лопаток турбин, часто выращивают в виде монокристалла.

• Выхлопное сопло: никель-инконель и сплавы нержавеющей стали.

• Корпус: алюминий или полимерные матричные материалы.

Турбина высокого давления с камерой сгорания очень горячая (больше, чем выхлопное сопло). Вы можете прочитать эту статью в Википедии , в которой есть краткий список материалов, используемых для лопаток турбины (с названиями сплавов и методами охлаждения).

^{Рисунок из приведенного выше резюме, опубликованного в Airbuz SP за октябрь 2020 г. Двойной вентилятор?!} .

Вентилятор проталкивает около одной тонны холодного воздуха в двигатель каждую секунду в турбовентиляторных двигателях большой мощности. Вот почему температуры и давления могут быть такими большими после сжатия и после сгорания.

Все цитаты взяты из Nasa Guide To Engines , 2007.

В 1903 году братья Райт построили двигатель с алюминиевым блоком из-за его легкого веса по сравнению с чугуном. Его температура плавления 660 ° C была намного выше рабочей температуры двигателя, поэтому для них это был хороший выбор. Однако алюминий нельзя использовать в более горячих частях газотурбинного двигателя, где температура достигает 1800 ° C и выше, потому что он расплавится.

Поклонник

Обычно он не сильно нагревается (<150 °C), поэтому для лопастей вентилятора подходят алюминий, титан или нержавеющая сталь. В большинстве двигателей используется титан, потому что он имеет высокое отношение прочности к весу, устойчив к коррозии и усталости, а также может выдержать удар птицы.

Пример вентилятора (с отсутствующей лопастью вентилятора после того, как двигатель взорвался).

Секция компрессора

Давление воздуха можно поднять до 30 раз, а температуру, в зависимости от количества ступеней компрессора, поднять до 1000 °С. Здесь материалы должны обладать высокой прочностью при высоких температурах; должен противостоять усталости, растрескиванию и окислению; а также должны сопротивляться «ползанию». Ползучесть — это тенденция материала медленно изменять форму при воздействии на него высокой температуры. Поскольку ни один металл не обладает всеми желаемыми свойствами, используется сплав (смесь металлов). Жаропрочные сплавы называются суперсплавами и обычно представляют собой сплавы на основе никеля, кобальта или железа. Алюминий и/или титан добавляются для прочности, а хром, а также редкоземельные элементы, такие как иттрий, добавляются для повышения коррозионной стойкости.

Пример компрессора (роторы высокого давления)

Камера сгорания

Температура может превышать 1800 ° C, и снова используются суперсплавы, но без титана или алюминия для прочности, поскольку нет движущихся частей. Вместо этого в суперсплав часто добавляют тугоплавкие металлы. Это металлы с необычайно высокой устойчивостью к нагреву, коррозии и износу, такие как вольфрам, молибден, ниобий, тантал и рений. Они используются в сплавах, а не в виде чистых металлов, потому что они являются одними из самых плотных из всех элементов, что является отрицательным свойством, когда речь идет о самолетах, которым необходимо свести вес к минимуму. Керамика и металлокерамические смеси также используются здесь из-за их высокой термостойкости. Мы знакомы с глиняной посудой, плиткой, тиглями и огнеупорным кирпичом как с видами керамики. У них очень высокая температура плавления, и они не требуют систем охлаждения, подобных тем, которые необходимы для предотвращения плавления металлов, поэтому они легче. менее сложные детали двигателя. Недостатком является то, что они склонны к разрушению под нагрузкой, поэтому инженеры стремятся создавать новые керамические композиты, которые включают другие материалы для улучшения свойств.

Пример камеры сгорания

Турбина

^{Лопатка турбины высокого давления (источник: Википедия )}

Первый набор лопаток турбины находится в самой горячей части газового потока с самым высоким давлением и обычно изготавливается из суперсплава на основе никеля или керамических лопаток. Ненагретый наружный воздух циркулирует по каналам внутри лопаток турбины, чтобы они не расплавились в этих экстремальных условиях. Дальше по двигателю часто сидят лопатки турбины более низкого давления. Поскольку к этому моменту газы несколько остыли, лопасти могут быть изготовлены из суперсплава на основе железа или даже из нержавеющей стали. Интересно отметить, что для прочности металлы, используемые для лопаток турбин, часто выращивают в виде монокристалла. При внимательном рассмотрении большинства металлов и сплавов видно, что они состоят из кристаллов (также называемых «зернами»), а места, где встречаются кристаллы, называются границами зерен.

См. Монокристаллический материал (известный как монокристаллический материал в электронике).

Пример турбины (статор высокого давления)

выхлоп

^{Выхлоп двигателя Boeing 787 (GEnx, один из крупнейших в мире реактивных двигателей - Источник )}

Из Справочника техника по техническому обслуживанию авиации FAA - FAA-8083-30 :

Инконель и сплавы нержавеющей стали. Сплавы инконель [никель-хром-железо] часто используются в газотурбинных двигателях из-за их способности сохранять свою прочность и коррозионную стойкость в условиях чрезвычайно высоких температур.

См . подробности об инконеле .

Корпус

Хотя он не должен выдерживать высокие температуры, как сердцевина турбины, материалы здесь должны быть достаточно прочными, чтобы в случае поломки лопасти она осталась внутри корпуса, а не попала в крыло или кабину самолета и не вызвала дальнейшего наносить ущерб. В качестве корпусов двигателей используется алюминий или некоторые полимерные матричные материалы.

Во-первых, горячая часть — это не сопло, а камера сгорания и турбина высокого давления.

Во-вторых, 650°C — это ничто для современных жаропрочных сплавов, таких как Inconel . Верхняя температура газа в современной реактивной турбине составляет около 1500°C, а лопатки турбины выдерживают температуру около 1200°C. Для военных турбин и температуры в камере сгорания добавьте к этому несколько сотен градусов. Пленочное охлаждение позволяет эксплуатировать высокопроизводительные турбины при температуре на несколько сотен градусов ниже температуры газа. Сталь расплавится, а другие материалы, такие как титан , быстро окислятся, и только никелевые сплавы или керамика подходят для этой цели. Будучи все еще слишком хрупкой для повседневного использования, керамика не смогла покинуть лабораторию, поэтому пока у нас есть только никелевые сплавы.

Популярным выбором для газовых турбин является Inconel 792 .

Интересная презентация, размещенная на SlideShare, показывает зависимость прочности материала от температуры. Презентации не числятся в свободном доступе на Викискладе, поэтому я их оцифровал.

Удельная прочность в зависимости от температуры, без ед. Никелевый сплав является самым прочным только при высоких температурах.

Затем в другом слайд-шоу материалы перечислены следующим образом:

• Вентилятор: титановый сплав
• Компрессор низкого давления: титановый сплав
• Компрессор промежуточного давления: титановый сплав
• Компрессор высокого давления: никелевый сплав
• Камера сгорания: частично стабилизированный иттрием диоксид циркония с температурой плавления от 2700 до 2850 °C.
• Турбина HP: монокристаллический никелевый сплав с керамическим покрытием
• Турбина низкого давления: монокристаллический никелевый сплав
• Выхлоп: монокристаллический никелевый сплав.

Лопасти турбины выращены в виде монокристалла и установлены в среде, температура которой на 400 градусов выше, чем температура плавления лопасти. Охлаждается воздухом от компрессора.