Historique de développement et tendances des aubes de turbine
Les aubes de turbine sont divisées en deux catégories : les aubes de guidage de turbine et les aubes de travail de turbine.
La fonction principale des aubes directrices de turbine est d’ajuster la direction d’écoulement des gaz d’échappement provenant de la chambre de combustion. La température de fonctionnement du matériau peut atteindre plus de 1 100 degrés et la contrainte supportée par les aubes directrices de la turbine est généralement inférieure à 70 MPa. Ce composant est souvent mis au rebut en raison de distorsions provoquées par des contraintes thermiques importantes, de fissures de fatigue thermique provoquées par des changements brusques de température et de brûlures provoquées par des températures locales excessives.
Les aubes de turbine sont situées dans le turbomoteur présentant la température la plus élevée, les contraintes les plus complexes et le pire environnement. Ce composant doit résister à des températures élevées et à des contraintes centrifuges et thermiques importantes. La température à laquelle elle résiste est inférieure de 50-100 degrés à celle des aubes de guidage de turbine correspondantes, mais lors d'une rotation à grande vitesse, en raison des effets de la force aérodynamique et de la force centrifuge, la contrainte sur le corps de l'aube atteint 140 MPa et la racine atteint { {2}}MPa. L'amélioration continue de la structure et des matériaux des aubes de turbine est devenue l'un des facteurs clés de l'amélioration des performances des moteurs d'avion.
Les aubes de turbine, l'arbre de turbine, le disque de turbine et d'autres composants forment ensemble la turbine d'un moteur d'avion. La turbine est la source d'énergie qui entraîne le compresseur et les autres accessoires. La turbine peut être divisée en deux éléments : le rotor et le stator :
Rotor de turbine : C'est un ensemble composé d'aubes de turbine, de roues, d'arbres et autres pièces tournantes montées sur l'arbre. Il est chargé d’aspirer un flux d’air à haute température et haute pression dans le brûleur pour maintenir le fonctionnement du moteur. Le rotor de la turbine fonctionne à haute température et à grande vitesse et transmet une puissance élevée, ses conditions de travail sont donc extrêmement difficiles. Lorsqu'il fonctionne à haute température, le rotor de la turbine doit résister à une force centrifuge extrêmement élevée et est également soumis à l'effet du couple aérodynamique, etc. L'environnement à haute température réduira la résistance ultime du matériau de l'aube de la turbine et provoquera également un fluage et érosion du matériau des aubes de turbine.
Stator de turbine : il est composé d'aubes de guidage de turbine, d'une bague extérieure et d'une bague intérieure. Il est fixé sur le carter et sa fonction principale est de diffuser et de rectifier le flux d'air du rotor de la turbine de l'étage suivant afin de répondre au triangle de vitesse des aubes de travail de la turbine.
Afin d'améliorer les indicateurs de performance tels que le rapport poussée/poids, les exigences en matière de tolérance des pales des moteurs d'avion et des turbines à gaz aux températures élevées et aux vitesses de vent élevées augmentent constamment. Dans les turboréacteurs à double flux des avions traditionnels, le compresseur entraîné par turbine a un maximum de
L'air entrant dans la turbomachine tourne à une vitesse élevée de plusieurs milliers de tours par seconde. L'air est mis sous pression étape par étape dans le compresseur. Le rapport de pression du compresseur à plusieurs étages peut atteindre plus de 25. L'air sous pression pénètre dans la chambre de combustion du moteur, se mélange au carburant et brûle. La flamme du combustible doit brûler de manière stable dans le flux d’air à haute pression circulant à une vitesse élevée de plus de 100 m/s.
Le flux de gaz à haute température et haute pression provenant de la chambre de combustion entraîne la rotation des aubes de la turbine à une vitesse de plusieurs milliers à plusieurs dizaines de milliers de tours par minute. Habituellement, la température avant la turbine dépasse le point de fusion du matériau des aubes de turbine. Pendant le fonctionnement, les aubes de turbine des moteurs modernes doivent généralement résister à des températures de 1 600 à 1 800 degrés, à des vitesses de vent d'environ 300 m/s et à l'énorme pression atmosphérique qu'elles provoquent.
Les aubes de turbine doivent fonctionner de manière fiable pendant des milliers, voire des dizaines de milliers d'heures, dans un environnement de travail aussi extrêmement difficile. Les aubes de turbine ont des profils complexes et utilisent un grand nombre de technologies de fabrication avancées telles que la solidification directionnelle, la métallurgie des poudres, le moulage de précision complexe à pales creuses, la fabrication complexe de noyaux en céramique et le traitement des micro-trous.
Les aubes de turbine sont l'un des composants des « deux machines » qui ont le plus de processus de fabrication, le cycle le plus long et le taux de réussite le plus bas. La fabrication d'aubes creuses complexes de turbine est devenue la technologie de base dans le développement actuel des « deux machines ».
État du marché et tendances de développement
Les aubes des moteurs d'avion et des turbines à gaz comprennent principalement les aubes de soufflante, les aubes de turbine et les aubes de compresseur, dont la valeur des aubes de turbine représente environ 60 % du coût total des aubes. Par rapport aux pales de ventilateur, les matières premières des pales de turbine sont plus précieuses et plus difficiles à traiter.
En tant que composant important du moteur, les aubes de turbine nécessitent l’utilisation de matériaux en alliage à haute température. Leur technologie de fusion nécessite des exigences élevées et certaines ressources minérales métalliques sont rares. En termes de processus de fabrication, les aubes de turbine utilisent généralement le moulage à modèle perdu pour obtenir des parois minces et des structures de refroidissement complexes. La difficulté de fabrication est nettement supérieure à celle des autres lames.
Par exemple, les moteurs d'avion CFM56 largement utilisés dans les séries Boeing 737 et Airbus 320 comportent plus d'un millier d'aubes de turbine, coûtant chacune plus de 10 000 yuans. Le prix unitaire des aubes de turbine dans certaines pièces dépasse même 100 000 yuans.
