تاريخ تطور واتجاهات شفرات التوربينات
تنقسم شفرات التوربينات إلى فئتين: شفرات توجيه التوربينات وشفرات عمل التوربينات.
تتمثل الوظيفة الرئيسية لدوارات التوجيه التوربينية في ضبط اتجاه تدفق غاز العادم من غرفة الاحتراق. يمكن أن تصل درجة حرارة تشغيل المواد إلى أكثر من 1100 درجة، ويكون الضغط الذي تتحمله دوارات التوجيه التوربينية عمومًا أقل من 70MPa. غالبًا ما يتم التخلص من هذا المكون بسبب التشوه الناتج عن الإجهاد الحراري الكبير، وشقوق التعب الحراري الناتجة عن التغيرات المفاجئة في درجات الحرارة، والحروق الناجمة عن درجات الحرارة المحلية المفرطة.
توجد شفرات التوربين في المحرك التوربيني الذي يتمتع بأعلى درجة حرارة، وأكثر الإجهاد تعقيدًا، وأسوأ بيئة. يحتاج هذا المكون إلى تحمل درجات الحرارة العالية وإجهاد الطرد المركزي الكبير والإجهاد الحراري. درجة الحرارة التي تتحملها هي 50-100 درجة أقل من شفرات توجيه التوربين المقابلة، ولكن عند الدوران بسرعة عالية، وبسبب تأثيرات القوة الديناميكية الهوائية وقوة الطرد المركزي، يصل الضغط على جسم الشفرة إلى 140 ميجا باسكال ويصل الجذر إلى 50-100 {2}}ميجا باسكال. أصبح التحسين المستمر لهيكل ومواد شفرات التوربينات أحد العوامل الرئيسية في تحسين أداء محركات الطائرات.
تشكل شفرات التوربينات وعمود التوربينات وقرص التوربينات والمكونات الأخرى معًا توربين محرك الطائرة. التوربين هو مصدر الطاقة الذي يحرك الضاغط والملحقات الأخرى. يمكن تقسيم التوربين إلى مكونين: الجزء الدوار والجزء الثابت:
دوار التوربين: هو عبارة عن مجموعة مكونة من شفرات التوربينات والعجلات والأعمدة وأجزاء دوارة أخرى مثبتة على العمود. وهو مسؤول عن امتصاص تدفق الهواء عالي الحرارة والضغط العالي إلى الموقد للحفاظ على تشغيل المحرك. يعمل دوار التوربين عند درجة حرارة عالية وسرعة عالية وينقل طاقة عالية، وبالتالي فإن ظروف عمله قاسية للغاية. عند العمل في درجة حرارة عالية، يجب أن يتحمل دوار التوربين قوة طرد مركزية عالية للغاية، ويخضع أيضًا لتأثير عزم الدوران الديناميكي الهوائي، وما إلى ذلك. سوف تقلل بيئة درجة الحرارة المرتفعة من القوة النهائية لمادة شفرة التوربين، وسوف تسبب أيضًا زحفًا و تآكل مادة شفرة التوربين.
الجزء الثابت للتوربين: يتكون من شفرات توجيه التوربينات والحلقة الخارجية والحلقة الداخلية. يتم تثبيته على الغلاف وتتمثل وظيفته الرئيسية في نشر وتصحيح تدفق الهواء للدوار التوربيني للمرحلة التالية لتلبية مثلث السرعة لشفرات عمل التوربين.
من أجل تحسين مؤشرات الأداء مثل نسبة الدفع إلى الوزن، فإن متطلبات تحمل محرك الطائرة وشفرات توربينات الغاز لدرجات الحرارة المرتفعة وسرعة الرياح العالية تتزايد باستمرار. في المحركات التوربينية المروحية السائدة في الطائرات، يبلغ الحد الأقصى للضاغط الذي يعمل بالتوربين
يدور الهواء الداخل إلى المحرك التوربيني بسرعة عالية تصل إلى آلاف الدورات في الثانية. يتم ضغط الهواء خطوة بخطوة في الضاغط. يمكن أن تصل نسبة الضغط للضاغط متعدد المراحل إلى أكثر من 25. ويدخل الهواء المضغوط إلى غرفة احتراق المحرك ويختلط بالوقود ويحترق. يحتاج لهب الوقود إلى الاحتراق بشكل ثابت في تدفق الهواء عالي الضغط المتدفق بسرعة عالية تزيد عن 100 متر في الثانية.
يدفع تدفق الغاز عالي الحرارة والضغط العالي من غرفة الاحتراق شفرات التوربين إلى الدوران بسرعة تتراوح بين آلاف وعشرات الآلاف من الثورات في الدقيقة. عادة، تتجاوز درجة الحرارة قبل التوربين نقطة انصهار مادة شفرة التوربين. أثناء التشغيل، عادةً ما يتعين على شفرات التوربينات للمحركات الحديثة أن تتحمل درجات حرارة تتراوح من 1600 إلى 1800 درجة، وسرعة رياح تبلغ حوالي 300 متر في الثانية، وضغط الهواء الضخم الناتج عنها.
تحتاج شفرات التوربينات إلى العمل بشكل موثوق لآلاف إلى عشرات الآلاف من الساعات في بيئة العمل القاسية للغاية. تتميز ريش التوربينات بملامح معقدة وتستخدم عددًا كبيرًا من تقنيات التصنيع المتقدمة مثل التصلب الاتجاهي، وتعدين المساحيق، وصب استثمار الشفرات المجوفة المعقدة، وتصنيع قلب السيراميك المعقد، ومعالجة الثقوب الدقيقة.
تعتبر شفرات التوربينات أحد مكونات "الآلتين" اللتين تتمتعان بأكبر عمليات تصنيع، وأطول دورة، وأقل نسبة نجاح. أصبح تصنيع شفرات التوربينات المجوفة المعقدة هو التكنولوجيا الأساسية في التطوير الحالي لـ "الآلتين".
حالة السوق واتجاهات التنمية
تشتمل الشفرات الموجودة في محركات الطائرات وتوربينات الغاز بشكل أساسي على شفرات المروحة وشفرات التوربينات وشفرات الضاغط، والتي تمثل قيمة شفرات التوربينات حوالي 60% من إجمالي تكلفة الشفرات. بالمقارنة مع شفرات المروحة، فإن المواد الخام لشفرات التوربينات أكثر قيمة وأكثر صعوبة في المعالجة.
باعتبارها مكونًا مهمًا للمحرك الساخن، تتطلب شفرات التوربينات استخدام مواد سبائكية ذات درجة حرارة عالية. تتطلب تكنولوجيا الصهر الخاصة بهم متطلبات عالية، كما أن بعض الموارد المعدنية المعدنية نادرة. فيما يتعلق بعملية التصنيع، تستخدم شفرات التوربينات عمومًا صب الاستثمار لتحقيق جدران رقيقة وهياكل تبريد معقدة. صعوبة التصنيع أعلى بكثير من الشفرات الأخرى.
على سبيل المثال، محركات الطائرات CFM56 المستخدمة على نطاق واسع في سلسلة Boeing 737 وسلسلة Airbus 320 تحتوي على أكثر من ألف شفرة توربينية، كلفة كل منها أكثر من 10,000 يوان. سعر الوحدة لشفرات التوربينات في أجزاء معينة يتجاوز 100،000 يوان.
