Die Schlüsseltechnologie, heiße Technologie und Grundlage der Fertigung fortgeschrittener Flugtriebwerke

Das Verhältnis von Schub zu Gewicht und Leistung zu Gewicht sind die wichtigsten technischen Indizes, um die Vorausgehendheit von Flugtriebwerken zu messen und auszuwerten. Um das Schub-zu-Gewicht-Verhältnis des Triebwerks auf über 10 zu verfolgen, verwendet das Flugtriebwerk kontinuierlich neue Materialien und führt neue Strukturen ein, um das Gewicht der Triebwerkskomponenten zu reduzieren, während gleichzeitig stark die Turbinenvordertemperatur des Motors erhöht wird. Dies stellt höhere technische Anforderungen an die Fertigung des Motors und fördert das kontinuierliche Erscheinen und die Entwicklung neuer Technologien in der Fertigung von Flugtriebwerken. Eine Reihe von Schlüsseltechnologien, die für die Entwicklung leistungsstarker Flugtriebwerke entwickelt wurden, werden oder haben sich bereits zur Entwicklungsrichtung fortschrittlicher Fertigungstechnologien entwickelt. In diesem Artikel werden die Schlüsseltechnologien des Flugtriebwerks aus drei Aspekten vorgestellt: Schlüsseltechnologie, heiße Technologie und Basisfertigungstechnologie. Die Schlüsseltechnologie ist die notwendige Technologie, um fortschrittliche Flugtriebwerke zu entwickeln. Die Fertigungsschlüsseltechnologie ist eine Technologie, die erforscht werden muss, um die Fertigungs-effizienz und -qualität des Motors zu verbessern. Die grundlegende Fertigungstechnologie ist die Technologie, die im Rahmen der Entwicklung und Massenproduktion von Motoren allmählich erlernt und weiterentwickelt werden sollte und repräsentiert die weiche Macht des technologischen Niveaus und der Produktionskapazität der Motorenfertigung.

Schlüsseltechnologie der Herstellung von Strahltriebwerken

Fertigungstechnologie von Einkristall-Turboschaufeln

Die Turbinenvordertemperatur moderner Strahltriebwerke ist erheblich gestiegen, und die Turbinenvordertemperatur des F119-Motors liegt bei bis zu 1900~2050K. Turboschaufeln, die mit traditionellen Verfahren hergestellt wurden, können solch hohe Temperaturen einfach nicht aushalten und würden sogar schmelzen und somit nicht effektiv arbeiten. Einkristall-Turboschaufeln lösen dieses Problem der Hochtemperaturbeständigkeit von Turboschaufeln bei Motoren mit einem Druck-Gewicht-Verhältnis von 10 Stufen erfolgreich. Die hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit der Einkristall-Turboschaufeln beruht hauptsächlich darauf, dass es im gesamten Schaufelkörper nur einen einzigen Kristall gibt, wodurch Mängel in der Hochtemperaturleistung zwischen Kornrändern vermieden werden, die durch die Polykristallstruktur von äquiaxial und richtungsgesteuerten Kristallschaufeln verursacht werden.

Die Einkristall-Turboschaufel ist der Motorteil mit dem komplexesten Fertigungsprozess, dem längsten Zyklus, dem niedrigsten Qualifikationsrate und der strengsten ausländischen Blockade und Monopol. Der Fertigungsprozess für Einkristall-Turboschaufeln umfasst Kernpressung, Kernreparatur, Kernsinterung, Kernprüfung, Abgleich von Kern und Form, Wachsmoldinjektion, Röntgenprüfung des Wachsmolds, Wandstärke-Detektion des Wachsmolds, Aufarbeitung des Wachsmolds, Kombination von Wachsmolds, Kombination von Kristallziehsystem und Gusskanal, Lackabtrag, Härte trocknen, Härte entwachsen, Härte backen, Blattgießen, Einkristallverfestigung, Härte blasen, Voruntersuchung, Fluoreszenzprüfung, Kernentfernung, Schleifen, Saitenbreitenmessung, Röntgenprüfung der Schaufel, Röntgenfilmprüfung, Profilprüfung, Feinschneiden, Schaufelwandstärkedetektion und abschließende Prüfung des Fertigungsprozesses. Darüber hinaus muss die Konstruktion und Fertigung des Investmentgussschimmels für Turboschaufeln abgeschlossen werden.

Derzeit können nur wenige Länder der Welt, wie die Vereinigten Staaten, Russland, Großbritannien, Frankreich und China, Einkristall-Turboschaufeln herstellen. In den letzten Jahren wurde bei der Herstellung von Einkristall-Turboschaufeln in China große Fortschritte gemacht. Es wurden Einkristall-Turboschaufeln für Triebwerke mit einem Druck-Gewicht-Verhältnis von 10 entwickelt und Einkristall-Turboschaufeln für hochleistungsfähige Turboschaftriebwerke mit geringem Gewicht werden bereits in Massenproduktion gefertigt.

Hoch-effiziente, hoch-präzise und kostengünstige Fertigungstechnologie für integrierte Schaufelräder

Die Anwendung der integrierten Schaufel-Scheibentechnologie fördert die Innovation im Strukturdesign von Strahltriebwerken und den Sprung in der Fertigungstechnologie, realisiert das Ziel der Gewichtsreduzierung und Effizienzsteigerung des Motors und erhöht die Zuverlässigkeit des Motorbetriebs. Gleichzeitig führt die geringe Dicke der Schaufeln, große Biegung und eine hoch effiziente aerodynamische Gestaltung zu Problemen mit geringer Schaufelsteifigkeit, leichten Verformungen und schwer kontrollierbaren Herausforderungen; Der schmale und tiefe Luftstromkanal zwischen den Schaufeln erschwert die Realisierung der Schaufel-Scheibenbearbeitungstechnologie. Hochfestige Materialien wie Titanlegierungen und Superallegierungen sind schwer zu schneiden und haben eine niedrige Bearbeitungseffizienz. Die USA und Großbritannien begannen in den 1980er Jahren, die neue monolithische Scheibentechnologie in neuen Triebwerken einzusetzen, während Chinas monolithische Scheibentechnologie etwa 1996 startete.

Die Anwendung der integrierten Schaufel-Scheiben-Technologie hat die Entwicklung der Integrationsotechnologie für Triebwerkskomponentenstruktur gefördert. Die hintereinander angeordnete integrierte Schaufel-Scheibe mit Trommel, die Schaufel-Scheibe mit Wellen, die Kombination aus Scheibe, Trommel und Welle, die geschlossene Schaufel-Scheibe mit Reif, das Rotor-Stator-Ringblatt-Scheibensystem und die Kombination aus zweistufigen oder mehrstufigen Schaufel-Scheiben wurden nacheinander bei der Entwicklung neuer Flugtriebwerke eingesetzt. Auf der Basis der axialen Scheibe und der Zentrifugalrad werden große und kleine Schaufelstrukturen sowie schrägfließende Kotyledon-Scheiben entwickelt.

Seitdem das monolithische Blattrad in Hochleistungs-Luftfahrtmotoren eingesetzt wird, entwickelt und verbessert sich die Fertigungstechnologie des monolithischen Blattrades weiter. Derzeit umfasst der Bearbeitungsprozess des monolithischen Blattrades hauptsächlich folgende 5 Verfahren: das verlorene-Wachs-Präzisionsgussverfahren für monolithische Blatträder, das Elektronenstrahl-Schweißverfahren für monolithische Blatträder, das elektrochemische Bearbeitungsverfahren für monolithische Blatträder, das lineare Reibungsschweißverfahren für monolithische Blatträder und das Fünfach-Koordinaten-Fräsmaschinen-Bearbeitungsverfahren für monolithische Blatträder.

Der Fertigungsprozess von integrierten Schaufelscheiben mit fünf-koordinaten CNC-Maschinenwerkzeugen ist der früheste, am weitesten in der Praxis eingesetzte und technisch reifste Prozess im Bereich der Herstellung von integrierten Schaufelscheiben für nationale Strahltriebwerke. Dabei ist der Schlüssel zur Entwicklung und Anwendung dieser Technologie die Fassfrästechnologie, die symmetrische Spiralmühlenblattprofil-Ausbautechnologie, die Fehlerkompensationstechnologie für das Bearbeiten der vorderen und hinteren Kanten der Schaufeln sowie die adaptive Bearbeitungstechnologie für das gesamte Schaufelrad [1]. Ausländische T700-Antriebe, BR715-Antriebsverstärkerstufen, EJ200-integrierte Schaufelscheiben werden mit dieser Bearbeitungsmethode hergestellt, ebenso wie chinesische CJ1000A, WS500 und andere Flugzeugantriebssysteme, die auf fünf-koordinaten CNC-Bearbeitungstechnologie basieren. Abbildung 1 zeigt die erste Stufe des integrierten Schaufelrades eines Hochdruckverdichters eines kommerziellen Flugzeugturbostrahlantriebs, der in China hergestellt wurde.

Hohlblatt-Fertigungstechnologie

Die Turbinen ventil des Turbofan-Antriebs ist weit entfernt von der Brennkammer, und die Wärmelast ist gering, aber die Anforderungen an den leistungsstarken Strahltriebwerk hinsichtlich seiner aerodynamischen Effizienz und der Fähigkeit, Fremdkörper-Schäden zu verhindern, verbessern sich ständig. Der Hochleistungs-Luftfahrtmotor-Fan verwendet breite Chord, keine Schulter und hohle Ventilatorklingen.

Die hohle Triebwerks ventilatorblatt der dreieckigen Tragstruktur, entwickelt von Luo Luo Company, ist eine Verbesserung des ursprünglichen Bienenwabensandwich-Blatts. Das Luo Luo Unternehmen nennt es die zweite Generation hohler Ventilatorklinge. Der Prozess besteht darin, das kombinierte Verfahren der superplastischen Bildung/Diffusionsverbindung (SPF/DB) zu verwenden, um ein 3-Lagen-Titanlegierungsblech in ein breites Saiten hohles Ventilatorklinge zu formen. Der hohle Teil der Klinge ist eine dreieckige Tragstruktur, die bereits in den Trent-Antrieben von Boeing 777 und A330 Flugzeugen eingesetzt wird. Die Technologie zur Herstellung hohler Ventilatorklingen mit dreieckiger Tragstruktur in China hat ebenfalls einen Durchbruch erzielt (Abbildung 2 zeigt die hohle Ventilatorklinge und die interne dreieckige Struktur), aber um den Anforderungen der technischen Anwendung gerecht zu werden, muss noch viel Forschungsarbeit im Bereich Stärke, Schwingung, Ermüdungstests und Prozessoptimierung durchgeführt werden.

Der Fertigungsprozess für hohle Schaufeln verläuft wie folgt: Zunächst müssen 3 Titanlegierungsplatten vorbereitet und in der oberen, mittleren und unteren Schicht positioniert werden. Die mittlere Schicht ist die Kernplatte, die obere und untere Schicht sind jeweils die Blattschale und die Blattrückplatte. Anschließend werden die leeren Schaufeln des Lüfters aus den drei Titanlegierungsplatten nach dem Entfernen von Öl und dem Ätzen gebildet, wobei der Mittelschicht eine Flussprüfung zugeordnet wird, gefolgt von Titanplatten-Schweißen, Formheizung, Argonreinigung, Diffusionsverbindung, Superplastik-Formen, Abkühlen im Ofen, Oberflächenwaschen, Bearbeiten der Schaufelwurzel und der Ein- und Auslasskanten, Schaufelprüfung und anderen Verfahren [2] Superplastik-Formen/Diffusionsverbindung (SPF/DB).

Hochwertige Lagertechnologie

Das Wälzlager ist eines der wichtigsten Bauelemente eines Flugtriebwerks. Das Lager arbeitet bei hohen Drehzahlen von mehreren Zehntausend Umdrehungen pro Minute über einen längeren Zeitraum und muss zugleich die immense Zentrifugalkraft sowie verschiedene Formen von Querkraft, Reibung und ultrahohen Temperaturen aushalten, die durch die hohe Geschwindigkeit der Triebwerksschaufeln verursacht werden. Die Qualität und Leistungsfähigkeit der Lagertechnik beeinflussen direkt die Triebwerksleistung, dessen Lebensdauer, Zuverlässigkeit und den Sicherheitsstandard des Fluges. Die Entwicklung und Fertigung hochwertiger Lagertechnik steht in enger Verbindung mit interdisziplinärer Forschung auf den Gebieten der Kontaktmechanik, Schmierungstheorie, Tribologie, Materialermüdung und -schäden, Wärmebehandlung und Materialstruktur, und es müssen auch zahlreiche technische Herausforderungen im Bereich Design, Materialien, Fertigung, Fertigungsausrüstung, Prüfung und Test sowie Schmiermittel und Schmierung gelöst werden.

Derzeit sind Forschung und Entwicklung, Produktion und Verkauf von hochwertigen Lagern im Wesentlichen durch Lagerhersteller in westlichen Ländern wie Timken, NSK, SKF und FAG monopoliert. Die Technologie zur Fertigung von Flugzeugtriebwerken in China ist rückständig, und die Produktionskapazität sowie das Entwicklungslevel der nationalen Lagerhersteller können im Kurzzeitraum keine hochwertigen Lager für fortschrittliche Flugzeugtriebwerke bereitstellen. Das Lager ist zu einem "Mount Everest", der schwer zu überwinden ist, in der Forschung und Entwicklung von Chinas Strahltriebwerken geworden, was die Entwicklung leistungsstarker Strahltriebwerke in China erheblich einschränkt.

Fertigungstechnologie des Pulverturbinscheiben

Das Turbinenscheibenvon Strahltriebwerken wird einer Überlagerung von hohen Temperaturen und hohem Druck ausgesetzt, arbeitet unter strengen Bedingungen, verfügt über einen komplexen Herstellungsprozess und technische Herausforderungen, was eines der Hauptprobleme bei der Triebwerksentwicklung in China darstellt. Pulver-Superalleges werden aufgrund ihrer exzellenten mechanischen Eigenschaften und guter thermischer sowie kalter Verarbeitungseigenschaften weitgehend in leistungsstarken Flugzeugtriebwerken im Ausland eingesetzt. Die Fertigung von Pulverturbinenscheiben umfasst eine Reihe von Schlüsseltechnologien, wie Materialentwicklung, Schmelze des Legierungsmaterials, Pulverherstellung und -behandlung, warme isostatische Pressung, isothermes Schmieden, Wärmebehandlung und hochpräzise Erkennung und Bewertung usw. Sie trägt die unverzichtbaren Schlüsseltechnologien für die Fertigung fortschrittlicher Flugzeugtriebwerke. Der Trend der internationalen Forschung zu Pulverturbinenscheiben besteht darin, von scheiben mit hoher Stärke zu scheiben mit Schadensresistenz in Bezug auf den Einsatzdurchhaltevermögen überzugehen, wobei der Pulverherstellungsprozess zu ultrareinem Feinpulver weiterentwickelt wird. Neben der warmen isostatischen Pressung werden auch Extrusionsformgebung und isothermes Schmieden weiter entwickelt. In China hat das Pekinger Institut für Luftfahrtmaterialien verschiedene Pulverturbinenscheiben für Strahltriebwerke entwickelt, was die wesentlichen technologischen Probleme bei der Fertigung fortschrittlicher Pulverturbinenscheiben gelöst hat, aber das ingenieurtechnische Problem der Pulverturbinenscheiben ist noch nicht vollständig gelöst.

Technologie zur Herstellung von Verbundmaterialien

Die Technologie der Verbundmaterialien wird bereits weitgehend in leistungsstarken Flugzeugtriebwerken eingesetzt. Um den Anforderungen der LEAP-Motorentwicklung gerecht zu werden, verwendet Sniema die 3D-gewebte Harztransfusionsformtechnik (RTM), um Verbundmaterial-Fanhauben und -fanblätter herzustellen. LEAP-Motorbauteile, die mit RTM-Technologie hergestellt wurden, haben eine hohe Stärke, und ihr Gewicht beträgt nur die Hälfte des Gewichts von Titanlegierungsbauteilen gleicher Struktur. Während der Entwicklung des F119-Motors entwickelte Pratt & Whitney kontinuierlich SiC-faserverstärkte Titanmatrix-Verbundweitenkordschaufeln. Diese Art von Verbundblatt verfügt über die Eigenschaften hoher Steifigkeit, geringes Gewicht und Kollisionsschutz und wird als dritte Generation der Weitenkordschaufeln bezeichnet. Die 3-stufigen Fankraftstoffturbinen des F119-Turbofans bestehen alle aus diesem Material. In China wurde auch die Herstellungstechnologie von Verbundwerkstoffen in der Produktion von Luftfahrtmotorbauteilen angewendet, und bei der Herstellung von schmelzeigenem TiB2-Partikelverstärkten Aluminiummatrix-Verbundfanblättern wurde große Fortschritte gemacht. Doch die effiziente Bearbeitung von TiB2-Partikelverstärkten Aluminiummatrix-Verbundfanblättern, die Verstärkung der Bearbeitungsfläche, die Ermüdungsbeständigkeit und die Fremdkörperbeschädigungswiderstandstechnologie sind der Schlüssel und schwer umzusetzen, um die Anwendung dieser Materialfanblätter in der Ingenieurtechnik zu erforschen.