جنس پره ها – چالش ها و راه کارها

منتشرشده توسط صادق صالحی در تاریخ

مواد مدرن مورد استفاده در پره های فن

موادی که برای ساخت پره های فن بکار برده می شوند شبیه به موادی هستند که در دیگر ماشین های دوار مورد استفاده قرار می گیرند. بنابراین پره های فن از ترکیب موادی که هم دارای عمومیت در کارهای گسترده مهندسی را داشته باشند و هم داده های این مواد در حیطه کاری مهندسی موجود باشند، ساخته می شوند.
دسته بندی این مواد با توجه به تلرانس تخریبی (damage tolerance)، هدایت پذیری (ductility)، خستگی های دور بالا (high cycle fatigue) ، استحکام و استحکام تسلیم آنها صورت می گیرد.ممکن است که تنش های پسماند در هنگام ساخت پره های فن افزایش یابد که می توان با در نظر گرفتن یک ماده قوی تر این تنش را خنثی کرد.
در واقع باید دانست که یک پوند کم کردن وزن از پره فن به این معنی ست که ساپورت ها و دیسک سبکتری می توان داشت  و در نتیجه آن یاتاقان ها و پایه های یاتاقان های سبکتر و با استحکام کمتر استفاده کرد. که این مهم میتواند در بالها و بدنه وپایه های اصلی هواپیماها تاثیر بسزایی داشته باشد.در کنار این برای مهندسان ساخت،در دسترس بودن و دقیق بودن اطلاعات علمی مواد بسیار مهم و حائز اهمیت است.در این گزارش با تاکید  بر موادی که بر مواد دیگر غالبند و یا اینکه آینده خوبی برای ساخت پره های فن دارند موادی انتخاب و مورد بررسی قرار می گیرد.
جنرال الکتریک (GE)،پرث اند ویثنی (PW) و رولز رویز (RR)  سه شرکت بزرگ تولید کننده تجهیزات اصلی موتور های توربو فن از پایه تیتانیم برای ساخت فن استفاده می کردند. اخیرا شرکت جنرال الکتریک مواد کامپوزیتی و شرکت پرث اند ویسنی  ساختار (Hybrid -metallic)  برای ساخت فن را به خدمت گرفتند.
تیتانیوم بدلیل ویژگی های ذاتی متالورژی،در دسترس بودن،هزینه کم در هر دور وتغییر شکل آسان برای ساخت، ماده ای تطبیق پذیر برای ساخت پره فن است.تاریخچه پره های فن تیتانیومی عملکرد خوب این نوع پره را نشان می دهد که این بسبب  آن است که تیتانیوم تنها فلز داری سه ویژگی مکانیکی وخوردگی و فیزیکی  بالاست.در بعضی از موارد تیتانیوم بشدت عملکرد را بهبود می بخشد که از دید مالی بسیار با ارزش  و مقرون به صرفه تر در مقایسه با سایر مواد است.استحکام تسلیم و کشش عالی تیتانیوم در کنار چگالی کم این ماده باعث می شود نسبت استحکام به وزن آن بالاتر از هر ساختار فلز امروزی باشد. مخصوصا که آلیاژ های تیتانیوم محکم تر از بعضی از فولاد هاست در  حالی که چگالی آن تنها 56 % از آن فولاد است. این ویژگی های تیتانیوم است که باعث می شود در توربین گاز مورد استفاده قرار گیرد.
علاوه بر این، چگالی کم در کنار خاصیت ذاتی ضد خوردگی تیتانیوم باعث میشود تیتانیوم ماده ای بسیار مفید در محیط های خورنده باشد. تیتانیوم ماده ای بسیار واکنش پذیری است و در حضور اکسیژن بصورت خود به خودی با آن ترکیب می شود و (TiO2) را تشکیل می دهد. زمانی که هوا یا آب در مسیر جریان یا محیط وجود داشته باشد این لایه اکسید شده در سطح جسم(TiO2) ، جسم را از لحاظ خوردگی در محیط محافظت می کند. و هر وقت که این لایه آسیب ببیند یا از بین برود دوباره تیتانیوم با اکسیژن موجود در محیط واکنش انجام می دهد و لایه (TiO2) به صورت خود به خودی باز تولید میشود.با این حال بعد از هزار ساعت کار، تیتانیوم می تواند چند نوع آسیب(accumulate damage)  ببیند. آسیب های رایج دیده شده شامل خستگی دور پایین (LCF) ، آسیب برخورد جسم خارجی (FOD)  وساییدگی است.FOD نقش بسزا و موثری در آسیب پره های فن دارد و در اثر FOD  ها با ضربه کم ، و تنش های پسماند باقی مانده در جسم حتی بعد از تعمیر پره، با حضور خستگی ها دور پایین، منجر به خرابی پره می شود.
مواد کامپوزیتی به دلیل نسبت استحکام به چگالی بالا که بسیار زیاد می تواند وزن پره فن را کاهش دهد خیلی سریع در لیست مواد انتخابی جهت ساخت پره فن قرار گرفت.پره های فن کامپوزیتی می توانند تا 453.59 کیلوگرم (1000 lbs) از وزن موتور را کم کنند. که این دستاورد پرمعنی و مهمی است.
شرکت جنرال الکتریک در موتور GEnx پره های فن با مواد کامپوزیتی را بکار برده است . دراین پره مواد کامپوزیتی با روکشی از تیتانیوم تقویت شده اند که در نتیجه از لحاظ استحکامی و مقاومت در برابر آسیب دیدگی ارتقاء قابل ملاحظه ای دارد. واضح است که این پره به دلیل وزن کم، نیروی شعاعی کمتر و در نتیجه آن تنش شعاعی کمتری را متحمل میشود.نسبت سختی به چگالی مواد کامپوزیتی بیش از سه برابر فلزاتی مثل فولاد ، آلومینیوم و تیتانیوم است. در تحقیقات جدید نیز نشان داده شده است که شکل پذیری این مواد نیز تا حد خوبی به تیتانیوم نزدیک شده است . که این از لحاظ توسعه آیرودینامیکی ماده بسیار حائز اهمیت است.
برای اجزایی که محدودیت شکست یا محدودیت ارتعاش دارند اخیرا عرصه خوبی برای طراحی بوجود آمده است. MMC  ها (Metal matrix composite) هر چند برای استفاده در پره های فن بسیار گران قیمتند اما ویژگی های بسیار خوبی را برای ساخت فن فراهم می کند.در این ارتباط تحقیقات نشان میدهدکه ماده تیتانیوم بعنوان ماتریکس کامپوزیت، بخوبی توانسته ویژگی های ماده جهت ساخت فن را فراهم کند. این نتایج نشان دادند که پره های فن با این ساختار وزن بیشتر اما فرکانس پایین تری دارند.
ساختار hybrid-metallic که نقش برجسته و ویژگی های متفاوتی نسبت به سایر مواد در جهت ساخت بی عیب  پر های فن در نقاط حساس مانند لبه حمله  را دارد در حال عمومیت یافتن در ساخت پره های فن و سایر ساختار های هواپیما  هستند. این نوع مواد به عنوان پیشرفته ترین دستاورد علم مواد و مرز این دانش در حیطه پره های فن است.
این ماده با صحت و دقت بالا دو پارامتر وزن و ساختار با استحکام را پوشش می دهد بطوری که شرکت پرث اند ویسنی در جدیدترین موتور توربو فن خود از این ماده در طراحی فن استفاده کرده است. این ماده ترکیبی از سختی لبه حمله پره های تیتانیومی و سبکی پره های کامپوزیتی یا پره های تیتانیومی میان تهی را داراست.
بر خلاف مواد کامپوزیتی، مواد hybrid-metallic  راحتتر تغییر شکل می دهند و برای ساخت هر نوع شکل و یا اندازه ای بسیار مناسب هستند. پره های hybrid-metallic نسبت به سایر مواد ذکر شده حاشیه امنیت بیشتری جهت خرابی در اثر برخورد اجسام خارجی دارند و همچنین بصورت قابل ملاحظه ای قیمت تمام شده پره را کاهش می دهند. با این حال مهم ترین نکته تلاش برای ساخت مطمئن پره های فن با استقامت بالا و عمر بالا با این ماده خاص است.
دور نما و چالش های پیش رو با مقایسه پارمترهای مهم قابل استخراج است. مهمترین پارامتر های موجود برای انتخاب مواد در طراحی فن عبارت است از:
  1. قیمت تمام شده فن
  2. وزن نهایی فن
  3. بازدهی آیرودینامیکی در طول ساخت پره فن
استحکام و سختی بالای مواد کامپوزیتی در کنار توانایی طراحی پره برای نیروهای آیرودینامیکی مشخص باعث شده است که طراحان به سمت استفاده از این مواد در طراحی پره فن تمایل بیشتری داشته باشند. بدلیل ویژگی های وزنی و سفتی ساختاری دو ماده کربن و الیاف شیشه می توان آینده کامپوزیت ها را از آن این دو ماده دید. همچنین بدلیل افت شدید این ماده کامپوزیتی ساخت پره های توربین های بادی با این مواد افزایش یافته است.
پی بردن به همه پتانسیل و فایده های بالقوه مواد hybrid-metallic  نیازمند اصلاح ویژگی هایش، و توسعه راه های جدید در جهت به خدمت گرفتن مواد با ویژگی های یکتا و ساختار مقاوم در محیط های سخت و طاقت فرسا در کنار هزینه های کم است.

0 دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *