Klíčová technologie, horká technologie a základní technologie výroby pokročilých leteckých motorů

Poměr tahu k hmotnosti a poměr výkonu k hmotnosti jsou nejdůležitějšími technickými ukazateli pro měření a hodnocení pokročilosti letadelových motorů. Aby bylo možné dosáhnout poměru tahu k hmotnosti více než 10, letadlové motory systematicky používají nové materiály a představují nové konstrukce, které snižují hmotnost součástí motoru, zatímco značně zvyšují teplotu před turbínou. To klade vyšší technické požadavky na výrobu motorů a podporuje neustálé vznikání a rozvoj nových technologií v oblasti výroby letadelových motorů. Řada klíčových výrobních technologií vyvinutých pro rozvoj vysokoefektivních letadelových motorů se stane nebo již se stala směrem rozvoje pokročilých výrobních technologií. Tento článek představuje klíčové výrobní technologie letadelového motoru ze tří úhlů: klíčová technologie, populární technologie a základní technologie. Klíčová výrobní technologie je nezbytnou technologií pro rozvoj pokročilého letadelového motoru. Výrobní technologie v žádoucím trendu je technologie, kterou je nutné studovat pro zvýšení výrobní efektivity a kvality motoru. Základní výrobní technologie je technologie, která by měla být postupně akumulována a rozvíjená v rámci vývoje motoru a masové výroby, a reprezentuje měkkou sílu úrovně výrobní technologie motoru a jeho produkční kapacity.

Klíčová technologie výroby leteckých motorů

Výrobní technologie jednkřystalkového turbinového listu

Teplota na přední straně turbiny moderního leteckého motoru se značně zvýšila, a teplota na přední straně turbiny motory F119 dosahuje až 1900~2050 K. Listy turbiny vyrobené tradičními procesy jednoduše nemohou vydržet takovou vysokou teplotu a dokonce mohou být roztaveny, což je překážkou pro účinnou práci. Jednkřystalkové turbine listy úspěšně řeší problém odolnosti proti vysokým teplotám u turbinových lopatek motorů s poměrem tahu k hmotnosti ve 10 etapách. Vynikající odolnost proti vysokým teplotám jednkřystalkových turbinech hlavně spočívá v tom, že celá lopatka obsahuje pouze jeden krystal, čímž eliminuje defekty vysokotemperaturního výkonu mezi hraničními plochami způsobené polykrystalickou strukturou ekviiaxonálních a směrových krystalků.

Jednokrystalová vrtulníková listva je dílem motoru s nejvíce výrobním procesem, nejdéle trvajícím cyklem, nejnižší mírou kvalifikace a nejpřísnějším zahraničním blokem a monopolizací. Proces výroby jednokrystalových vrtulníkových ladek zahrnuje tlačení jádra, opravu jádra, spalování jádra, kontrolu jádra, ladění jádra a formy, vkládání voskového modelu, rentgenovou kontrolu voskového modelu, detekci tloušťky stěny voskového modelu, úpravu voskového modelu, kombinaci voskových modelů, spojení systému pro vytažení krystalu a litních bránek, odstranění nátěru, sušení skořápky, odstraňování vosku ze skořápky, pečení skořápky, lití listvy, jednokrystalové tuhnutí, foukání skořápky, počáteční kontrolu, fluorescenční kontrolu, odstranění jádra, šlífání, měření šířky struny, rentgenovou kontrolu listvy, kontrolu rentgenového snímku, profilovou kontrolu, dokončení listvy, kontrolu tloušťky stěny listvy a konečnou kontrolu výrobního procesu. Navíc je nutné dokončit návrh a výrobu investičního litíkového formantu pro vrtulníkové lade.

V současnosti jsou schopny výroby jednoduchých krystalických turbinových listů pouze několik zemí na světě, jako jsou Spojené státy, Rusko, Spojené království, Francie a Čína. V posledních letech byl v čínské výrobě jednoduchých krystalických turbinových listů dosažen velký pokrok. Byly vyvinuty jednoduché krystalické turbinové listy motorů s poměrem tahu k hmotnosti 10 a jednoduché krystalické turbinové listy vysokovýkonnostních turboschopových motorů s vysokým poměrem výkonu k hmotnosti jsou ve sériové výrobě.

Vysokorychlostní, přesná a nízkonákladová technologie obrábění integrovaného disku s lopatkami

Použití technologie integrálního čepele s diskem podporuje inovaci v návrhu konstrukce leteckého motoru a skok výrobních procesů, realizuje cíl snížení hmotnosti motoru a zvýšení efektivity a zvyšuje spolehlivost provozu motoru. Zároveň však tenká tlouštka listů, velká ohybná deformace a vysoce efektivní aerodynamický návrh způsobují nedostatečnou tuhost listů, snadné deformace a těžké řízení problémů; Úzký a hluboký průtokový kanál mezi listy komplikuje realizaci technologie zpracování čepelí s diskem. Vysokostranné materiály, jako jsou titanové slitiny a nadprůměrné slitky, jsou těžko řezány a mají nízkou účinnost. Spojené království a USA začaly v 80. letech používat novou technologii monolitního disku pro nové motory, Čína začala s monolitní technologií disku asi v roce 1996.

Použití integrovací technologie čepele-soustruhy přispělo k rozvoji technologie integrace strukturových součástí motoru. Postupně byly aplikovány tandemové integrované čepele-soustruhy s bubnem, čepele-soustruhy s hřídeli, kombinace disku-bubnu-hřídele, uzavřené čepele-soustruhy s prstencem, upravovač statorového prstence s čepelemi a dvoustupňové nebo vícestupeňové kombinace čepelí-soustruh. Na základě osnového disku a centrifugálního ventilátoru byly vyvinuty velké a malé struktury čepelí disku a šikmo tokové kotylové disky.

Od aplikace monolitního čepele disku v vysokovýkonných leteckých motorech se monolitní technologie výroby čepelového disku vyvíjí a zdokonaluje. V současnosti zahrnuje hlavně následujících 5 druhů procesních metod: monolitní čepelový disk ztraceného vosku přesné odlévání, elektronově paprskové svařování monolitního čepele disku, elektrochemické obrábění monolitního čepele disku, lineární tření svařování monolitního čepele disku a pěti-osé CNC frézovací strom obrábění monolitního čepele disku.

Výrobní proces pěti-osé CNC frézovací soustruhy pro integrování listového disku je nejstarší, nejrozšířenější v inženýrské praxi a má nejvyšší stupeň technické dospělosti ve vnitrostátním procesu výroby integrovaného listového disku leteckého motoru. Klíčovým faktorem pro rozvoj a použití této technologie je technologie vysekaní a zasunutí, symetrické šroubové frézování pro dokončení profilu listů, technologie kompenzace chyb při zpracování přední a zadní hrany listu a adaptivní technologie zpracování celého listového disku [1]. U cizích motorů T700, BR715 a posuvné etapa motoru EJ200 se používá tento způsob zpracování a výroby integrovaného listového disku, stejně jako u čínských letadlových motorů CJ1000A a WS500, které jsou také vyrobeny pomocí technologie pěti-osého CNC frézování. Na obrázku 1 je znázorněn první stupeň integrovaného listového disku vysokotlakého kompresoru obchodního leteckého motoru vyrobeného v Číně.

Technologie výroby dutých lopatek

Ventilátor turbovětrákového motoru je vzdálen od spalovací komory a tepelné zátěž je nízká, ale požadavky pokročilého leteckého motoru na jeho aerodynamickou účinnost a schopnost bránit poškození cizími předměty neustále rostou. Vysoko výkonný ventilátor leteckého motoru používá širokou strunovou délku, bez ramene a duté ventilátorové listvy.

Prázdná vějířová lopatka trojúhelníkové nosníkové struktury vyvinutá společností Luo Luo je vylepšením původní lopatky s úlom uspořádáním. Společnost Luo Luo tomu říká druhá generace prázdné vějířové lopatky. Proces spočívá v použití kombinované metody superplastického tvarování/difuzního spojení (SPF/DB) k vytvoření 3vrstvé titanové desky na širokou strunovou prázdnou vějířovou lopatku. Prázdná část lopatky má trojúhelníkovou nosníkovou strukturu, která je již použita na motorech Trent pro letadla Boeing 777 a A330. Technologie výroby prázdných vějířových lopatek s trojúhelníkovou nosníkovou strukturou v Číně také dosáhla průlomu (Obrázek 2 ukazuje prázdnou vějířovou lopatku a její interní trojúhelníkovou strukturu), ale aby bylo možné splnit požadavky inženýrské aplikace, je nutné provést mnoho práce na výzkumu pevnosti, vibracích, únavy a optimalizaci procesu.

Výrobní proces dutého listu probíhá následovně: Nejprve je třeba připravit 3 destičky z titanové slitiny a umístit je ve vrchní, střední a spodní vrstvě. Střední vrstva je jádrová deska, horní a dolní vrstvy jsou respektive deskou pro listový dno a zadní stranu listu. Poté jsou duté listy ventilátoru tvořeny třemi titanovými slitinovými deskami po odebrání oleje a kyselinném očišťování, kontrolním potažení střední vrstvy fluxem, svařování titanových desek, ohřívání formy, argonové čištění, difúzním spojením, superplastickým tvarováním, chlazením v peci, mytí povrchu, zpracováním kořene listu a okrajů přítoku a odtoku, kontroly listu a dalších postupů [2] superplastické tvarování/difúzní spojení (SPF/DB).

Vyrobní technologie vysoko-kvalitních ložisek

Ložisko je jedním z klíčových součástí leteckého motoru. Ložiska běží po desítky tisíc otáček za minutu vysokorychlostně a po delší dobu, přičemž musí také vydržet obrovskou odstředivou sílu a různé formy stlačovacích sil, tření a ultra-vysoké teploty působící na rotor motore. Kvalita a výkonnost ložisek přímo ovlivňují výkon motoru, jeho životnost, spolehlivost a bezpečnost letu. Vývoj a výroba vysokoúrovňových ložisek jsou úzce spojeny s mezioborovým výzkumem v oblastech kontaktové mechaniky, teorie smazování, tribologie, únavy a poškození, tepelného zpracování a materiálové struktury atd., a musí také řešit velké množství technických problémů v oblastech návrhu, materiálů, výroby, výrobního zařízení, testování a zkoušek, tuků a smazování.

V současnosti jsou výzkum a vývoj, výroba a prodej vysokoprvkových ložisek zásadně ovládány výrobními podniky ložisek v západních zemích, jako jsou Timken, NSK, SKF a FAG. Technologie čínské výroby letadlových motorů je zastaralá a výrobní kapacita a vývojová úroveň domácích výrobců ložisek nemohou v krátkodobém horizontu poskytnout vysokoprudová ložiska vhodná pro pokročilé letadlové motory. Ložisko se stalo "Mount Everestem", který je těžko překonatelný v oblasti čínského výzkumu a vývoje leteckých motorů, což velmi omezuje rozvoj vysokovýkonných leteckých motorů v Číně.

Výrobní technologie prachového turbínového disku

Turbínový disk letadlového motoru je podroben kombinaci vysoké teploty a vysokého napětí, tvrdým pracovním podmínkám, složitému přípravnému procesu a technické náročnosti, což se stalo jednou z obtíží vývoje motorů v Číně. V zahraničí jsou práškové nadhliny široce používány v vysoko-výkonných leteckých motorech díky jejich vynikajícím mechanickým vlastnostem a dobrému tepelnému a chladnému zpracování. Výroba práškového turbínového disku zahrnuje řadu klíčových výrobních technologií, jako je vývoj materiálů, tavení hlavních slitin, příprava a úprava prášku, teplá izostatická tlačení, izotermické kování, tepelné zpracování a vysoce přesné detekce a hodnocení atd. Nese to klíčové výrobní technologie nezbytné pro výrobu pokročilých letadlových motorů. Trend výzkumu zahraničních práškových turbinových disků směřuje od turbínových disků s vysokou pevností ke diskům odolným proti poškození v oblasti provozních vlastností a k procesu mletí na ultračistý jemný prášek. Kromě teplé izostatické tlačivosti jsou také vyvíjeny procesy formování extrudováním a izotermického kování. V Číně vyvinul Letecký ústav materiálů v Pekingu řadu práškových turbinových disků pro letadlové motory, které vyřešily klíčové výrobní technologické problémy pokročilých letadlových motorů, ale problém inženýrské výroby práškových turbinových disků není úplně vyřešen.

Technologie výroby složených materiálů

Technologie složených materiálů je široce používána v výrobě vysokovýkonných leteckých motorů. Aby byly splněny požadavky na vývoj motoru LEAP, Sniema přijala technologii 3D tkani s přenosem rezinového kompozitu (RTM) pro výrobu složených ventilátorových obalů a ventilátorových listů. Komponenty motoru LEAP vyrobené pomocí technologie RTM mají vysokou pevnost a hmotnost je pouze polovina hmotnosti součástí z titánové slitiny stejné konstrukce. Během vývoje motoru F119 vyvinula společnost Pratt & Whitney kontinuální SiC vlákna posilovanou titánovou maticovou kompozitní širokou čepev ventilátoru. Tento druh kompozitního lopatkového listu má vlastnosti vysoké tuhosti, lehké váhy a odolnosti proti dopadům a je nazýván třetím generací širokého čepev ventilátoru. Všechny tři stupně ventilátorových rotorů turboventilačního motoru F119 jsou vyrobeny z tohoto materiálu. V Číně je také technologie výroby složených materiálů použita v výrobě dílů leteckých motorů a autogenní TiB2 částic posilované hliníkové matice kompozitních ventilátorových lopatek dosáhla významných pokroků. Nicméně, účinná zpracování TiB2 částic posilovaných hliníkových matice kompozitních ventilátorových lopatek, posilování zpracované povrchu, odolnost proti unavení a odolnost proti poškození cizími předměty jsou klíčové a obtížné problémy pro realizaci inženýrského výzkumu aplikace tohoto materiálu.