التكنولوجيا الرئيسية، التكنولوجيا الساخنة والتكنولوجيا الأساسية لتصنيع المحركات الجوية المتقدمة

نسبة الدفع إلى الوزن ونسبة القوة إلى الوزن هي أهم المؤشرات الفنية لقياس وتقييم تقدم محركات الطائرات النفاثة. من أجل السعي لتحقيق نسبة دفع إلى وزن تتجاوز 10، يتم استخدام مواد جديدة واستخدام هياكل جديدة في محركات الطائرات لتقليل وزن مكونات المحرك النفاث مع زيادة كبيرة في درجة حرارة التوربين الأمامية للمحرك. وهذا يضع متطلبات تقنية أعلى على تصنيع المحرك، ويدفع نحو ظهور وتطوير تقنيات جديدة في تصنيع محركات الطائرات. سلسلة من التقنيات المفتاحية التي تم تطويرها لأجل تطوير محركات الطائرات ذات الأداء العالي ستكون أو أصبحت اتجاهًا لتطوير تقنيات التصنيع المتقدمة. هذا البحث يقدم التقنية المفتاحية لتصنيع محركات الطائرات من ثلاث جوانب: التقنية الرئيسية، التقنية الساخنة، والتقنية الأساسية. التقنية المفتاحية للتصنيع ضرورية لتطوير محرك الطائرة المتقدم. التقنية الساخنة للتصنيع هي التقنية التي يجب دراستها لتحسين كفاءة تصنيع المحرك وجودته. أما التقنية الأساسية للتصنيع فهي التقنية التي يجب تطويرها تدريجيًا وتحصيلها أثناء تطوير المحرك وإنتاجه الضخم، وهي تمثل القوة الناعمة لمستوى تقنية تصنيع المحرك وقدرته الإنتاجية.

التقنية الرئيسية لتصنيع محركات الطائرات النفاثة

تكنولوجيا تصنيع شفرات التوربين الأحادية البلورية

ارتفعت درجة حرارة مقدمة التوربين في محركات الطائرات النفاثة الحديثة بشكل كبير، حيث تصل درجة حرارة مقدمة التوربين في محرك F119 إلى حوالي 1900-2050 كلفن، والشفرات المسبوكه باستخدام العمليات التقليدية ببساطة لا يمكنها تحمل مثل هذه الحرارة العالية وقد تذوب حتى لا تعمل بكفاءة. نجحت شفرات التوربين الأحادية البلورية في حل مشكلة مقاومة درجات الحرارة العالية لشفرات التوربين في المحركات ذات نسبة الدفع إلى الوزن 10 مراحل. تعتمد المقاومة العالية للحرارة في الشفرات الأحادية البلورية بشكل رئيسي على وجود بلورة واحدة فقط في الشفرة بأكملها، مما يمّ الحد من العيوب في الأداء العالي الناتجة عن الهياكل البلورية المتعددة في الشفرات ذات البلورة الموجهة والمتوازنة.

الشفرة الدوارة ذات البلورة الواحدة هي جزء المحرك الذي يحتوي على أكثر العمليات التصنيع تعقيدًا، وأطول دورة تصنيع، وأقل معدل تأهيل، وأشد حظر واحتكار أجنبي. تتضمن عملية تصنيع الشفرات الدوارة ذات البلورة الواحدة ضغط النواة، إصلاح النواة، تسخين النواة، فحص النواة، مطابقة النواة مع القالب، حقن القالب الشمعي، فحص الشمع بالأشعة السينية، كشف سمك جدار القالب الشمعي، تسوية القالب الشمعي، دمج القوالب الشمعية، نظام استخراج البلورة ودمج بوابة الصب، إزالة الرمل بالطلاء، تجفيف القشرة، إذابة الشمع من القشرة، شوي القشرة، صب الورقة، تصلب البلورة الواحدة، نفخ القشرة، الفحص الأولي، الفحص الفلوري، إزالة النواة، الطحن، قياس عرض الوتر، فحص الشفرة بالأشعة السينية، فحص الأفلام الشعاعية، الفحص الملفقي، تحسين الشفرة، كشف سمك جدار الشفرة، والفحص النهائي لعملية التصنيع. بالإضافة إلى ذلك، يجب إكمال تصميم وتصنيع قوالب الصب بالإستثمار للشفرات الدوارة.

في الوقت الحالي، يمكن فقط لبضعة دول في العالم مثل الولايات المتحدة، روسيا، المملكة المتحدة، فرنسا والصين تصنيع شفرات التوربينات أحادية البلورة. في السنوات الأخيرة، تم إحراز تقدم كبير في تصنيع شفرات التوربينات أحادية البلورة في الصين. تم تطوير شفرات التوربينات أحادية البلورة لأجهزة ذات نسبة دفع إلى وزن تصل إلى المرحلة العاشرة، كما تم إنتاج شفرات التوربينات أحادية البلورة للمحركات الدوارة ذات القوة العالية بالنسبة إلى الوزن بشكل جماعي.

تكنولوجيا تصنيع عالية الكفاءة، دقيقة وذات تكلفة منخفضة للقرص الشفرات المتكامل

تطبيق تقنية الشفرة المتكاملة مع القرص يعزز الابتكار في تصميم هيكل المحرك النفاث وقفزة في عملية التصنيع، ويحقق هدف تقليل وزن المحرك وزيادة الكفاءة، ويعزز من موثوقية تشغيل المحرك. في الوقت نفسه، فإن السماكة الرقيقة للشفرات، والانحناء الكبير وكفاءة التصميم الهوائي يجعل من الصعب تحقيق صلابة الشفرات، مما يؤدي إلى سهولة التشوه وعدم قابلية التحكم؛ القناة الجوية الضيقة والعميقة بين الشفرات تجعل تقنية معالجة القرص الشفرة غير فعالة. المواد عالية القوة مثل التيتانيوم والسبائك الفائقة صعبة القطع وكفاءتها منخفضة. بدأت الولايات المتحدة وبريطانيا في تطبيق تقنية القرص الموحدة للمحركات الجديدة في الثمانينيات، بينما بدأ تطوير التقنية الموحدة في الصين حوالي عام 1996.

قدّمت تقنية الشفرة المتكاملة مع القرص تطور تقنية دمج الهياكل المكونة للمحرك. تم تطبيق التوأم من الشفرة المتكاملة مع القرص ذو الطبل، القرص المدمج مع المحور، مزيج القرص والطبل والمحور، القرص المغلق مع الحلقة، القرص المزود بشفرات المُستقيم الثابت، ومزيج الشفرات ثنائية أو متعددة المراحل تباعًا في تطوير محركات الطائرات الجديدة. وعلى أساس القرص ذي التدفق المحوري والمروحة الطرد المركزي، تم تطوير قرص بنية الشفرات الكبيرة والصغيرة وقرص الشفرات المائلة.

منذ تطبيق القرص الشفراتي الأحادي في المحركات النفاثة عالية الأداء، تطورت وتحسنت تقنية تصنيع القرص الشفراتي الأحادي. وفي الوقت الحالي، تتضمن عملية معالجة القرص الشفراتي الأحادي بشكل أساسي الخمس طرق العملية التالية: قرص الشفرة الأحادية المصنوع باستخدام الصب الدقيق بخسارة الشمع، قرص الشفرة الأحادية المصنوع باستخدام لحام الإلكترونات، قرص الشفرة الأحادية المصنوع باستخدام التشغيل الكهروكيميائي، قرص الشفرة الأحادية المصنوع باستخدام اللحام بالاحتكاك الخطي، وقرص الشفرة الأحادية المصنوع باستخدام أداة تشغيل CNC ذات الإحداثيات الخمس.

عملية تصنيع الأقراص الشفرات المتكاملة باستخدام أداة CNC ذات التنسيقات الخمس هي الأقدم، والأكثر انتشارًا من حيث التطبيقات الهندسية ولديها نضج تقني عالٍ في عملية تصنيع أقراص الشفرات المتكاملة لمحركات الطائرات المحلية. ومن بينها، يكمن المفتاح لتطوير وتطبيق هذه التقنية في تقنية الحفر والتثقيب، وتقنية تشطيب الملف اللولبي المتماثل لملف الشفرة، وتقنية تعويض الخطأ في معالجة حواف الشفرة الأمامية والخلفية، وتقنية المعالجة التكيفية لشكل القرص الشامل [1]. تستخدم المحركات الأجنبية مثل T700 و BR715 و EJ200 هذه الطريقة في المعالجة والإنتاج لأقراص الشفرات المتكاملة الخاصة بها، كما أن محركات الطائرات الصينية مثل CJ1000A و WS500 تُصنع أيضًا باستخدام تقنية CNC ذات التنسيقات الخمس. يظهر الشكل 1 القرص الشفري المتكامل للمرحلة الأولى لمضغوط الضغط العالي في المحرك النفاث التجاري الذي تم تصنيعه في الصين.

تكنولوجيا تصنيع الشفرات المجوفة

مروحة المحرك التوربيني بعيدة عن غرفة الاحتراق، وحمل الحرارة منخفض، لكن متطلبات المحرك النفاث المتقدم فيما يتعلق بكفاءته الديناميكية وقدرته على منع أضرار الأجسام الغريبة تتحسن باستمرار. يعتمد مروحة المحرك النفاث ذي الأداء العالي على شفرات مروحة ذات وتر واسع، بدون كتف وهي مجوفة.

الشفرة المروحة المجوفة ذات هيكل العارضة المثلثية التي طورتها شركة لو لو هي تحسين للشفرة المركبة النحلية الأصلية. تسميها شركة لو لو الشفرة المروحة المجوفة الجيل الثاني. العملية هي استخدام تقنية التشكيل الفائق/الاتصال بالانتشار (SPF/DB) لتحويل اللوحة الثلاثية من سبائك التيتانيوم إلى شفرة مروحة مجوفة ذات وتر عريض. الجزء المجوف من الشفرة هو هيكل عارضة مثلثية، والتي تُستخدم بالفعل على محركات ترنت في طائرات بوينغ 777 وطائرات A330. كما حققت تقنية تصنيع الشفرة المروحة المجوفة ذات هيكل العارضة المثلثية في الصين اختراقًا (يظهر الشكل 2 الشفرة المروحة المجوفة والهيكل الداخلي المثلث)، ولكن لتحقيق التطبيقات الهندسية، يجب إجراء الكثير من البحوث حول القوة، الاهتزاز، الإجهاد التعبوي وتحسين العملية.

عملية تصنيع الشفرة المجوفة كالتالي: أولاً، يجب إعداد 3 ألواح من سبيكة التيتانيوم ووضعها في الطبقات العلوية والوسطى والسفلية، حيث يكون الطبقة الوسطى هي اللوحة الأساسية، والطبقات العلوية والسفلية هي لوحة حوض الورقة ولوحة ظهر الورقة على التوالي. بعد ذلك، يتم تشكيل الشفرات المجوفة للماجدة من ثلاث ألواح من سبيكة التيتانيوم بعد إزالة الزيت والتخلص من الحمض، ثم طلاء الطبقة الوسطى بمادة لحام فحص، ولحام ألواح التيتانيوم، تسخين القالب، تنقية الأرجون، ربط انتشاري، تشكيل فوق بلاستيكي، تبريد مع الفرن، غسل السطح، معالجة جذر الشفرة وأطراف المدخل والمخرج، فحص الشفرة وغيرها من الإجراءات [2] تشكيل فوق بلاستيكي / ربط انتشاري (SPF / DB).

تكنولوجيا تصنيع الدبابة عالية الجودة

المحمل هو أحد المكونات الرئيسية لمحرك الطيران، حيث يعمل المحمل عند سرعات عالية تصل إلى عشرات الآلاف من دورة في الدقيقة لفترة طويلة، كما يجب أن يتحمل القوة الطرد المركزي الهائلة الناتجة عن دوران زوائد المحرك بسرعة فائقة والضغوط المختلفة، والتآكل، وتأثير درجات الحرارة الفائقة. تؤثر جودة وأداء المحامل بشكل مباشر على أداء المحرك، وعمره، وموثوقيته، وأمان الرحلة. تطوير وإنتاج المحامل المتقدمة مرتبط ارتباطًا وثيقًا بالأبحاث متعددة التخصصات مثل ميكانيكا الاتصال، ونظرية التشحيم، وعلم الاحتكاك، والإجهاد والضرر، ومعالجة الحرارة وتنظيم المواد، وما إلى ذلك، ويجب أيضًا حل مجموعة كبيرة من المشكلات التقنية في التصميم، والمواد، والتصنيع، ومعدات التصنيع، واختبارات التشغيل، والشحوم والتشحيم.

في الوقت الحالي، تُعتبر أبحاث وتطوير وإنتاج وبيع الدب|array عالية الانتهاء محتكرة بشكل أساسي من قبل شركات تصنيع الدب|array في الدول الغربية مثل تيمكن (Timken)، إن إس كي (NSK)، إس كي إف (SKF)، وفا جي (FAG). تقنية تصنيع محركات الطائرات في الصين متخلفة، ولا يمكن لشركات تصنيع الدب|array المحلية توفير دب|array عالية الانتهاء مناسبة لمحركات الطائرات المتقدمة على المدى القصير. أصبحت الدب|را "جبل إيفرست" الصعب عبوره في تطوير محركات الطائرات في الصين، مما يقيّد بشدة تطور محركات الطائرات عالية الأداء في الصين.

تقنية تصنيع قرص التوربين المسحوق

تُعرض قرص توربين المحرك النفاث للتوتر العالي والحرارة العالية، مما يجعل ظروف العمل صعبة للغاية، بالإضافة إلى عملية إعداد معقدة وصعوبات تقنية، مما جعلها واحدة من الصعوبات في تطوير المحركات في الصين. يتم استخدام السبائك الفائقة المصنوعة من المسحوق على نطاق واسع في المحركات النفاثة عالية الأداء في الدول الأجنبية بسبب خواصها الميكانيكية الممتازة وأدائها الجيد في العمليات الحرارية والباردة. يتضمن تصنيع قرص التوربين المسحوق سلسلة من التقنيات التصنيعية الرئيسية مثل تطوير المواد، ذوبان السبائك الأساسية، إعداد المسحوق ومعالجته، الضغط المتساوي الساخن، التشكيل بالتنجيد عند درجة حرارة ثابتة، المعالجة الحرارية، والكشف والتقييم بدقة عالية، وما إلى ذلك. يحمل هذا التصنيع تقنيات تصنيع أساسية لا غنى عنها لتصنيع المحرك النفاث المتقدم. الاتجاه في البحث الأجنبي حول قرص التوربين المسحوق هو التطور من قرص توربين عالي القوة إلى قرص مقاوم للتلف من حيث الأداء الخدمي، وكذلك تحسين عملية التحويل إلى مسحوق نقي فائق الدقة. بالإضافة إلى الضغط المتساوي الساخن، تم تطوير عمليات التشكيل مثل تشكيل الضغط والإذابة بالتنجيد عند درجة حرارة ثابتة. في الصين، طور معهد بكين للمواد الجوية أنواعًا مختلفة من أقراص التوربين المسحوق المستخدمة في المحركات النفاثة، مما حل المشاكل التقنية الرئيسية لتصنيع أقراص التوربين المسحوق للمحركات النفاثة المتقدمة، لكن مشكلة التصنيع الهندسي لأقراص التوربين المسحوق لم تحل بشكل كامل بعد.

تكنولوجيا تصنيع المواد المركبة

تم استخدام تقنية المواد المركبة على نطاق واسع في المحركات النفاثة عالية الأداء. لمواكبة احتياجات تطوير محرك LEAP، اعتمد Sniema تقنية النسج ثلاثي الأبعاد مع نقل القالب الراتينجي (RTM) لتصنيع أغطية المراوح المركبة والشفرات المروحة المركبة. تتميز أجزاء محرك LEAP المصنوعة باستخدام تقنية RTM بقوة عالية، ووزنها يعادل نصف وزن أجزاء السبيكة التيتانيوم ذات الهيكل نفسه. أثناء تطوير محرك F119، طورت شركة Pratt & Whitney شفرات مروحة ذات وتر عريض من سبيكة التيتانيوم المدعمة بألياف SiC المستمرة. تتميز هذه الشفرات المركبة بالمرونة العالية، الوزن الخفيف، وقدرتها على مقاومة التأثير، وتُعرف بالجيل الثالث من شفرات المروحة ذات الوتر العريض. جميع مراحل دوارات المروحة الثلاثة في محرك F119 التوربيني صنعت من هذا المادة. في الصين، تم أيضًا تطبيق تقنية تصنيع المواد المركبة في تصنيع أجزاء المحركات الجوية، حيث حققت شفرات المروحة المدعمة بجسيمات TiB2 والمصنوعة بطريقة الذوبان الذاتي تقدمًا كبيرًا. لكن معالجة كفاءة شفرات المروحة المدعمة بجسيمات TiB2، وتعزيز سطح المعالجة، والأداء المقاوم للإجهاد والتكنولوجيا المقاومة للتلف بسبب الأجسام الغريبة هي النقاط الرئيسية والصعبة لتحقيق تطبيق هندسي لهذه المادة.