Ключовата технология, горещата технология и основната технология за производство на moden авиен двигател

Отношението тегло-тяга и отношението тегло-мощност са най-важните технически индекси за измерване и оценка на напредъка на авиационните двигатели. За да се постигне отношение тегло-тяга на двигателя над 10, авиационният двигател постоянно използва нови материали и внася нови конструкции, за да намали теглото на компонентите на двигателя, докато значително увеличава температурата пред турбината на двигателя. Това предлага по-високи технически изисквания за производството на двигателя и насърчава непрекъснатото появяване и развитие на нови технологии в производството на авиационни двигатели. Редица от ключовите производствени технологии, разработени за развитието на високопроизводителни авиационни двигатели, ще станат или вече са станали посока за развитие на напреднали производствени технологии. В тази статия се представя ключовата производствена технология на авиационния двигател от три аспекта: ключова технология, гореща технология и основна технология. Ключовата производствена технология е необходимата технология за разработване на напреднал авиационен двигател. Горещата производствена технология е технология, която трябва да се проучи, за да се подобри производствената ефективност и качеството на производството на двигателя. Основната производствена технология е технологията, която трябва постепенно да се натрупва и развива при разработването и масовото производство на двигателя, и представлява софтуерната мощ на нивото на производствените технологии и производствената капацитет на двигателите.

Ключова технология за производство на авиен двигател

Технология за производство на еднокристални турбинни лопатки

Фронтовата температура на турбина в съвременните авиен двигатели е значително повишена, а фронтовата температура на двигател F119 достига до 1900~2050K. Турбинните лопатки, откастени по традиционния процес, просто не могат да издържат такава висока температура и дори биха се плавили, като не могат да работят ефективно. Еднокристалните турбинни лопатки успешно решават проблема с устойчивостта при високи температури на турбинните лопатки на двигатели с тягово число от 10 стъпени. Отличната устойчивост при високи температури на еднокристалните турбинни лопатки главно се дължи на факта, че има само един кристъл за цялата лопатка, което премахва дефектите във високотемпературната производителност между зърна, причинени от поликристалната структура на изотропните и насоченокристалните лопатки.

Единичната кристална турбинова лопатка е част от двигателите, която изисква най-много производствени процеси, най-дълъг цикъл, най-нисък процент на квалификация и най-строг чужден блокиратор и монопол. Процесът на производство на единични кристални турбинови лопатки включва притискане на ядро, поправка на ядрото, спаяване на ядрото, проверка на ядрото, съчетаване на ядрото и формата, инжекция на воскова форма, рентгенов контрол на восковата форма, детекция на стена на восковата форма, обработка на восковата форма, комбиниране на восковите форми, комбиниране на система за извличане на кристал и градивен канал, премахване на боя, премахване на песък, сушене на обвивката, разтопяне на воска, печене на обвивката,ливане на листа, едино kristalna консолидация, премахване на обвивката, начална проверка, флуоресцентна проверка, премахване на ядрото, шлифуване, измерване на широчината на хорда, рентгенов контрол на лопатката, проверка на рентгеновите снимки, профилна проверка, точна обработка на лопатката, детекция на стена на лопатката и крайна проверка на производствения процес. Освен това трябва да се завърши проектирането и производството на инвестиционна форма за турбиновите лопатки.

В момента само няколко страни в света, като Съединените американски щати, Русия, Великобритания, Франция и Китай могат да произвеждат еднокристални турбинни лопasti. През последните години в Китай се постигнаха значителни напредъци в производството на еднокристални турбинни лопasti. Разработени са еднокристални турбинни лопasti за двигатели с отношение тегло-тяга от 10-та стъпка, а еднокристалните турбинни лопasti за турбовалахтни двигатели с висока мощност спрямо теглото са започнали масовото си производство.

Технология за високоэффективно, точно и с ниска цена обработване на интегрални лопастни дискове

Приложението на интегралната технология на лопастен дисков promotе иновациите в конструкционния дизайн на авиен двигател и скокът на производствения процес, постига целта за намаляване на теглото на двигателя и повишаване на ефективността, както и подобрява надеждността на функционирането на двигателя. Едновременно тънката лопасна деформация, голямото изкривяване и високоэффективният аеродинамичен дизайн водят до липса на жесткост на лопастта, лесна деформация и трудности в контрола; Узкото и дълбоко воздушно каналче между лопастите прави реализацията на технологията за обработка на лопастните дискове проблематична. Материалите с висока твърдост, като титаниев сплав и свръхсплав, са трудни за резане и имат ниска ефективност. САЩ и Великобритания започнаха да прилагат новата монолитна дискова технология за двигатели през 80-те години, докато монолитната дискова технология в Китай стартира около 1996 г.

Приложението на интегралната технология за лопастен диск е стимулирало развитието на технологията за интеграция на конструкцията на двигателите компоненти. Последователно са били приложени тандемни интегрални лопастни дискове с bubul, лопастен диск с вала, комбинация от диск, bubul и вал, затворен лопастен диск с обръч, регулиращ кръгозарен лопастен диск и двустепен или многостепенен лопастен диск в разработката на нови авиационни двигатели. Върху базата на аксиалния диск и центробежния вентилатор са разработени големи и малки лопастни конструкции на диска и наклоненият поток на котилевидния диск.

Откакто монолитното лопастно дисково устройство беше приложено в високопроизводителните аеродинамични двигатели, технологията за производство на монолитни лопастни дискове се развива и подобрява. В момента процесът на обработка на монолитните лопастни дискове включва предимно следните 5 метода: изгубен восък с прецизно отливане на монолитен лопастен диск, електронно-лъчев сваруване на монолитен лопастен диск, електрохимично обработване на монолитен лопастен диск, линейно тривало сваряване на монолитен лопастен диск и обработка чрез петокоординатна CNC машинна верига за монолитен лопастен диск.

Процесът на обработка с петкоординатна CNC машина за производство на интегрални листови дискове е най-рано приложен, има най-широко инженерно приложение и висока техническа зрелост в процеса на производство на интегрални листови дискове за домашните аero двигатели. Сред тях, ключът за развитието и приложението на тази технология е слотинг и технологията за фрезиране, симетричната спирална фрезиране на профила на лопастта, компенсационната технология за грешки при обработката на предната и задната ръбова част на лопастта и адаптивната технология за обработка на целия листов диск [1]. Заграждането на чуждестранните двигатели T700, BR715 и бустерната стадия на двигател EJ200 използват този метод за обработка и производство, както и китайските двигатели CJ1000A и WS500, които също използват петкоординатна CNC технология за производство на интегрални листови дискове. Следващата фигура показва първата стадия на интегралния листов диск на високонатискания компресор на комерсиален авиационен двигател, произведена в Китай.

Технология за производство на празни лопasti

Вентилаторът на турбовентилаторния двигател е далеч от камера за горене, а термичната тегловна теглота е ниска, но изискванията на modenия авиационен двигател към аеродинамичната му ефективност и способността да предотвратява повреди от чужди предмети постоянно се подобряват. Високопроизводителният авиационен двигател с вентилатор използва лопаст с широка хорда, без рамки и празнолистна конструкция.

Празнинната вентилаторна лопатка с триъгна трусова конструкция, разработена от компания Луо Луо, е подобрение на оригиналната меденовидна сандвич лопатка. Компанията Луо Луо я нарича второ поколение празнинни вентилаторни лопатки. Процесът е да се използва комбинация от суперплостичното формиране/дифузияното свързване (SPF/DB), за да се направи 3-слойна титанова плоча в широка хорда празнинна вентилаторна лопатка. Празнинната част на лопастта е триъгна трусова конструкция, която вече се използва в моторите Trent на самолетите Boeing 777 и A330. Технологията за производство на празнинни вентилаторни лопатки с триъгна трусова конструкция в Китай също постига прорив (Фигура 2 показва празнинната вентилаторна лопатка и вътрешната триъгна структура), но за да бъде приложима инженерно, трябва да се проведе много работа по проучване на силата, вибрациите, умората и оптимизацията на процеса.

Процесът на производство на празнотелни лопasti е следния: Първоначално трябва да се подготвят 3 титанови алойни плочки, които трябва да бъдат поставени в горен, среден и долен слой. Средният слой е ядрената плочка, а горния и долния слой са съответно чашата на листа и задната плочка на листа. След това празнотелните лопasti на вентилатора се формират от три титанови алойни плочки след процедури като премахване на масло, пиклиноване, обработка на средния слой с флюс за проверка, сваряване на титановите плочки, нагряване на формата, аргоново очистяване, дифузен свързващ процес, суперпластична форминг, охлаждане във фурната, измиване на повърхността, обработка на корена на лопастта и входните/изходните ръбове, проверка на лопастта и други процедури [2] суперпластична форминг/дифузен свързващ процес (SPF/DB).

Технология за производство на висококачествени подшипници

Подлагането е един от ключовите компоненти на авиен двигател. Подлагането работи с хиляди обороти в минута за продължително време, докато същевременно издръжва огромната центробежна сила и различните видове стресове, трение и свръхвисоките температури, причинени от високоскоростното въртене на ротора на двигателя. Качеството и характеристиките на подлаганията директно влияят върху характеристиките, 生命周期a, надеждността и полетната безопасност на двигателя. Разработването и производството на висококласни подлагания са тясно свързани с междудисциплинарните проучвания в областта на контактната механика, теорията за смазване, трибологията, умората и повредата, термичната обработка и материалите, и трябва също да се решат голямото число технически проблеми в дизайна, материалите, производството, производствените машини, тестовете и смазките.

В момента разработката, производството и продажбите на висококачествени подшипници са основно монополизирани от предприятия за производство на подшипници в западните страни, като Timken, NSK, SKF и FAG. Технологията за производство на самолетни двигатели в Китай е отстъпваща, а производствената капацитет и нивото на развитие на китайските предприятия за производство на подшипници не могат да предоставят висококачествени подшипници, подходящи за modenите самолетни двигатели в краткосрочен план. Подшипникът е станал "Майскин Еверест", който е труден за преодоляне в китайската разработка на авиационни двигатели, което сериозно ограничава развитието на високорезултатните авиационни двигатели в Китай.

Технология за производство на турбинен диск от прах

Турбинния диск на реактивния двигател е подложен на суперпозиция от висока температура и висока механична напреженост, тежки условия за работа, сложен процес на подготовка и техническа трудност, което го прави едно от предизвиканията при развитието на двигателите в Китай. Порошните свръхалойни са широко използвани в високопроизводителните авиационни двигатели в чужбина поради техните отлични механични свойства и добра производителност при гореща и студена обработка. Производството на порошен турбинен диск включва серия от ключови технологии за производство като разработка на материал, плавене на основен сплав, подготовк приготвяне и обработка на прах, горещо изостатично притискане, изотермично ковалче, термична обработка и високопrecизна детекция и оценка и др. Това носи ключовата производствена технология, която е необходима за производството на висококласни авиационни двигатели. Съвременната тенденция в чужбина за порошен турбинен диск е да се развива от високопрочен турбинен диск към диск с устойчивост срещу повреди по отношение на служебните характеристики, а процесът на превръщане да става свръхчист и мелъчен. Освен горещото изостатично притискане, се развива и формуването чрез екструзия и изотермично ковалче. В Китай, Институтът по авиационни материали в Пекин е разработил различни типове авиационни турбинни дискове от прах, които са решили ключовите технически проблеми при производството на висококласни турбинни дискове, но инженерните проблеми при производството на порошни турбинни дискове все още не са напълно решени.

Технология за производство на композитни материали

Технологията на композитните материали вече е широко използвана във високопроизводителните авиационни двигатели. За да отговори на нуждите за разработка на двигател LEAP, Sniema прилага 3D плетена технология на трансферно ливене на резини (RTM) за производство на композитни вентилаторни ограждания и композитни вентилаторни лопатки. Компонентите на двигател LEAP, произведени чрез RTM технология, имат висока сила, а теглото им е само половината от теглото на титановите алойни части същата структура. През процеса на разработването на двигателя F119, фирма Pratt & Whitney разви непрекъснати SiC влакна, укрепващи титанов матриксен композитен широк хорд вентилаторен лопатки. Този вид композитен лопаст има свойствата на висока жестност, лек вес и съпротива с удара, и е наречен трето поколение широк хорд вентилаторен лопаст. Всички три стъпки вентилаторни ротори на турбовъздушен двигател F119 са направени от този материал. В Китай технологията за производство на композитни материали също се е приложила в производството на авиационни двигателни части, като автогенни TiB2 частици, укрепващи алюминиев матриксен композитен вентилаторен лопаст, които са постигнали голям напредък. Но ефективната обработка на TiB2 частици, укрепващи алюминиев матриксен композитен вентилаторен лопаст, укрепване на обработваната повърхност, противостояние на умората и съпротива на чужди предмети са ключови и трудни за реализация при инженерните проучвания за прилагане на този материал.