Avainteknologia, kuumatekniikka ja perusteknologia edistyneiden ilmoittimien valmistuksessa

Paino-suhteellinen veto- ja teho-painosuhde ovat tärkeimmät tekniset indeksit aero-moottoreiden edistyneisyyden mitallistamiseksi ja arvioimiseksi. Jotta moottorin veto-painosuhde voidaan nostaa yli 10, aero-moottori käyttää jatkuvasti uusia materiaaleja ja ottaa käyttöön uusia rakenteita vähentääkseen komponenttien painoa samalla, kun turbiinin etuosaan kohdistuva lämpötila nousee huomattavasti. Tämä asettaa korkeampia teknisiä vaatimuksia moottorin valmistukseen ja edistää uusien teknologioiden kehittymistä ja ilmestymistä aero-moottorien valmistuksessa. Korkeasuorituskykyisten aero-moottoreiden kehittämiseksi kehitetyt avainteknologiat saattavat tulla tai ovat jo tulleet edistyneen valmistusteknologian kehityksen suuntaisina tekijöinä. Tässä artikkelissa esitellään aero-moottorin avainteknologia kolmesta näkökulmasta: avainteknologiasta, suosituista teknologioista ja perusteknologioista. Avainteknologia on välttämätön edistyneen aero-moottorin kehittämiseksi. Valmistuksen keskipiste-teknologia on teknologia, jonka täytyy tutkia parantaakseen moottorin valmistuseffektivisyyttä ja -laatua. Perusteknologia on teknologia, jota tulisi vähitellen koota ja kehittää moottorin kehittämisen ja massatuotannon yhteydessä, ja se edustaa moottoriteknologian tasoa ja tuotantokykyä osoittavaa 'pehmeää voimaa'.

Avainteknologia lentoturbiinien valmistuksessa

Valmistusteknologia yksikköristeisen turbiinilangon tuottamiseksi

Modernien lentoturbiinien turbiinien etukantauslämpötila on noussut huomattavasti, ja F119-moottorin turbiinien etukantauslämpötila on korkeintaan 1900–2050 K. Perinteisellä prosessilla tuotetut langat eivät yksinkertaisesti kestä tällaista korkeaa lämpötilaa, vaan ne jopa sulautuvat eivätkä voi toimia tehokkaasti. Yksikköristeiset turbiinilangat ovatnistaneet ongelman korkean lämpötilankestävyydestä 10:nnen tasoon suhteellisen painon moottorien turbiinilangoissa. Yksikköristeisten langojen erinomainen korkean lämpötilankestävyys johtuu siitä, että koko langassa on vain yksi risti, mikä poistaa hiukkasetulokset korkean lämpötilan käyttöympäristössä, jotka aiheutuvat ekviaaksisen ja suunnattoman kristallirakenteen välisistä reunoista.

Yksikkökrystaliturbopilkko on moottorin osa, jolla on eniten valmistusprosesseja, pisin kiertoaika, alhaisin hyväksyntäaste ja tiukin ulkomaisen esteiden ja monopolien hallinta. Yksikkökrystaliturbopilkon valmistusprosessi sisältää ytimen painamisen, ytimen korjauksen, ytimen sinteröinnin, ytimen tarkastuksen, ytimen ja mallin sovitteen, vokemallin injektion, vokemallin röntgentarkastuksen, vokemallin paksuuden havaitsemisen, vokemallin koreinan, vokemallien yhdistämisen, kristallin nostojarjestelmän ja kaennypolven yhdistämisen, maalipieseen poisto, kuoren kuivattaminen, kuoren vesipoisittaminen, kuoren paistaminen, lehtien kaennys, yksikkökrystalin kiintyminen, kuoren puuttaminen, ensimmäinen tarkastus, fluoresenssitarkastus, ytimen poisto, liukkaaminen, korkeusradan mitoitus, palkkien röntgentarkastus, röntgenfilmi tarkastus, profiilin tarkastus, hienosäätetty palkki, palkin paksuuden tunnistus ja lopputarkastus valmistusprosessissa. Lisäksi on suoritettava turbiinpalkin investointikangasmallin suunnittelu ja valmistus.

Tällä hetkellä vain muutama maa maailmassa, kuten Yhdysvallat, Venäjä, Iso-Britannia, Ranska ja Kiina, pystyvät valmistamaan yksikkökytlyn turbiinilehtiä. Viime vuosina Kiinassa on saavutettu merkittäviä edistysaskeleita yksikkökytlyn turbiinilehtien valmistuksessa. Työsuhteiden 10 -vaiheen moottoreiden yksikkökytlyn turbiinilehdet on kehitetty, ja korkean teho-paino suhteen turbiinimotoren yksikkökytlyn turbiinilehdet tuotetaan massatuotannossa.

Korkean tehon, korkean tarkkuuden ja alhaisen kustannuksen käsittelemistekniikka kokonaislehtisäiliölle

Kokonaisvaltaisen sätkälevyn teknologian soveltaminen edistää ilmoottokoneen rakennemuotoilun innovaatiota ja valmistusprosessin kehitystä, saavuttaa tavoitteet paineenvähennyksestä ja tehokkuuden kasvattamisesta sekä parantaa ilmoottokoneen toiminnan luotettavuutta. Samalla sätkien pieni paksuus, suuri kaari ja korkean tehokkuuden ilmakehonsuunnittelu johtavat huonoon säteiden joustepyykkyiseen, helposti muodostuvien muutosongelmien ja vaikeasti hallittaviin ongelmiin; Säteiden välinen kapea ja syvä ilmakehonsuuntaus tekee sätkälevyn käsittelytekniikan toteuttamisesta vaikeaa. Korkean vahvuuden materiaalit, kuten titanikupito ja ylilevy, ovat vaikeita leikata ja niiden leikkausteho on alhainen. Yhdysvallat ja Iso-Britannia aloittivat 1980-luvulla uuden monoksin levytekniikan soveltamisen uusiin moottoreihin, kun taas Kiinan monoksin levytekniikka aloitti noin vuonna 1996.

Kokonaisvaltaisen säde-levytekniikan soveltaminen on edistänyt moottorikomponenttien rakenneteknologian integrointia. Rumpuvarusteltu johdannainen säde-levy, pyörivä säde-levy käyrällä, levy-rumpu-kombinaatio, suljettu säde-levy renkaiden kanssa, suorittimen statorkierrätyslevyn säde-levy sekä kahden tai useamman vaiheen säde-levyjärjestelmä ovat otettu käyttöön uusien ilmoottoriemme kehityksessä. Aksiaalikuvaajan levyn ja sentrifugaalin raitteen perusteella on kehitetty isoja ja pieniä säkeitä sisältävää rakennetta sekä vinokuvaajan lehtilevyä.

Koska yhdenkappaleinen läppä-kiilakeila sovellettiin korkean suorituskyvyn ilmoittimoottoreissa, yhdenkappaisen läppä-kiilakeilan valmistusteknologia on kehittynyt ja parantunut. Tällä hetkellä yhdenkappaisen läppä-kiilakeilan käsittelyprosessi koostuu pääasiassa seuraavista viidestä prosessimenetelmästä: hylättyvä liuossyöttö yhdenkappainen läppä-kiilakeila, elektroniputki-liimaus yhdenkappainen läppä-kiilakeila, elektrokkemia yhdenkappainen läppä-kiilakeila, lineaarikuljetusveto yhdenkappainen läppä-kiilakeila ja viikoordinaattinen CNC-moottorivalmistus yhdenkappainen läppä-kiilakeila.

Viiden koordinaatin CNC-moottoria käyttävä prosessi kokonaisvaltaisen lehtiskeeman valmistuksessa on vanhin, laajin ja teknisesti kypsimmäinen menetelmä kotimaisessa ilmoittimoottorin kokonaisvaltaisten lehtiskeemien valmistuksessa. Tämän tekniikan kehittämisen ja soveltamisen avaimena ovat kaivous- ja kaivousmenetelmät, symmetrinen spiraalipuhallusprofiilin lopputyöntötekniikka, sekä lehtien etu- ja takakärjen työskentelyvirheen korjaustekniikka ja kokonaislehtiskeeman profiilin sopeutettu työskentelytekniikka [1]. Uudessa maailmassa T700-moottori, BR715-moottorin nostefaseni ja EJ200-moottorin kokonaislehtiskeemat valmistetaan tämän menetelmän avulla. Kiinan CJ1000A ja WS500 -lentoaineistoja sisältävät moottorit valmistetaan myös viiden koordinaatin CNC-työskentelytekniikalla. Kuvassa 1 näkyy ensimmäinen Kiinan teollisuuden korkean paineen purkukoneen kokonaislehtiskeema.

Tyhjä lehti valmistustechnologia

Turbofan-moottorin tuuliluukko on kaukana polttohuoneesta, ja lämpökuorma on alhainen, mutta edistyksellisen ilmoottorin vaatimukset sen aerodynamiikasta tehokkuudesta sekä kyvystä estää ulkopuolisen vahingon aiheuttaminen paranee jatkuvasti. Korkean suorituskyvyn ilmoottorituuliluukko käyttää leveää harmoniaa, ilman harteita ja tyhjää tuuliluukkoa.

Luo Luo -yhtiön kehittämä tyhjä tuulenkierroksen kolmiomaisa telinestruktuuri on parannus alkuperäiseen hedelmäkangasliitosruuville. Luo Luo -yhtiö kutsuu sitä toiseksi sukupolven tyhjäksi tuulenkierrokselle. Menetelmänä on käyttää superplastisen muotoilun/erotaanuksen (SPF/DB) yhdistelmäprosessia, jolla kolme kerrosta titanivaltaisista levyistä tehdään leveäksi saveltyhjäksi tuulenkierrokselle. Tuulenkierroksen tyhjä osa on kolmiomainen telinestruktuuri, joka on jo käytössä Boeing 777:n ja A330-lentokoneiden Trent-moottoreilla. Kiinan kolmiomaisen telinestruktuurin tyhjien tuulenkierrokseen valmistusteknologiassa on myös saavutettu läpimurto (kuva 2 näyttää tyhjästä tuulenkierrokselta ja sen sisäisestä kolmiomaisesta rakenteesta), mutta muiden teollisuusoletusten täyttämiseksi on vielä suoritettava paljon voimakkuus-, värinny- ja väsymystestejä sekä prosessin optimointitutkimusta.

Tyhjänkkisen valmistusprosessi on seuraava: Ensinnäkin tarvitaan 3 titanivaluraketta, jotka asetetaan ylä-, keskelle- ja alaleveillä; keskimmäinen kerros on ytimen levy, ylä- ja alakerrokset ovat lehtisäiliö- ja lehtitakalevyt. Sitten, kolmen titanivalurakennosta muodostuvat tuuletin tyhjät lehdet joiden oljynpoisto ja hapettoaminen, välikerroksen peittäminen fluksilla tarkistetaan, titanilevyjen liimaukset, mallein lämpötään, argonin puhdistaa, diffuusioliitos, superplastinen muotoilu, jäähdyttää uunissa, pinta pesee, lehden juuri ja sisään- ja uloskuja reunien käsittely, lehden tarkastus ja muita menettelyjä [2] superplastinen muotoilu/diffuusioliitos (SPF/DB).

Korkean tason kärryntekniikan valmistus

Kantaja on yksi aero moottorin keskeisistä komponentteista. Kantaja pyörii korkealla nopeudella useita tuhansia RPMin ja toimii kauan, samalla kun se kestää moottorin rotorin korkean nopeuden aiheuttaman valtavan keskipainon sekä erilaisten muotojen puristusjännitteet, kitkut ja ylilämpötilat. Kantajien laatu ja suorituskyky vaikuttavat suoraan moottorin suorituskykyyn, elinaikaan, luotettavuuteen ja lennon turvallisuuteen. Korkean tason kantajien kehittäminen ja valmistaminen on tiiviissä yhteydessä monitieteisiin tutkimuksiin, kuten kontaktimekaniikkaan, smolautusteoriaan, kitkateoriaan, väsymykseen ja vahingon syntymiseen, lämpökäsittelyyn ja materiaaliorganisaatioon jne., ja sen on myös ratkaistava suuri määrä teknisiä ongelmia suunnittelussa, materiaaleissa, valmistuksessa, valmistuslaitteissa, testauksessa ja smolausaineissa sekä smolauksessa.

Tällä hetkellä korkean tason käyrän tutkimus, kehitys, valmistus ja myynti on periaatteessa monopolisoitu itävaltalaisissa maissa, kuten Timken, NSK, SKF ja FAG olevilla käyrävalmistajayrityksillä. Kiinan lentokoneen moottoritekniikka on jäljessä, ja kotimaiset käyrävalmistajat eivät kykene tuottamaan lyhyellä aikavälillä korkean tason käyriä, jotka sopivat edistyksellisiin lentokoneen moottoreihin. Käyrä on muuttunut "Mount Everesteksi", jota on vaikea ylittää Kiinan ilmavoimien moottorien tutkimuksessa, mikä rajoittaa merkittävästi Kiinan korkean suorituskyvyn ilmavoimien kehitystä.

Pudelöinturbiinilevyjen valmistustechnologia

Ilmoottimen turbiinilevyä koetaan yhdistelmänä korkeasta lämpötilasta ja korkeasta stressistä, kovista työoloista, monimutkaisesta valmistusprosessista ja teknisestä vaikeudesta, mikä on tehnyt siitä yhden Kiinan moottorikehityksen haasteista. Porsaan superleikit ovat laajalti käytettyjen korkealuokkailmailtoimittimien osa maailmanlaajuisesti, koska niillä on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja hyvä kuuma- ja kylmäprosessointisuorituskyky. Porsaan turbiinilevyn valmistus sisältää joukon avaintekniikoita, kuten materiaalikehitys, pääleikin sulauttaminen, porsaan valmistus ja käsittely, kuuma tasapainopaine, isoterminen muovaus, lämpökuulutus sekä korkean tarkkuuden havaitseminen ja arviointi jne. Se kantaa avainteknologian, joka on edistyksellisten ilmailmoittimien valmistuksessa välttämätön. Vieraiden tutkimustrendit porsaan turbiinilevyjen suhteen kehittyvät korkean voiman turbiinilevystä vahingonkestäviin turbiinilevyihin palvelusuorituskyvyn kannalta, ja mahlauksen prosessi ultra-puhtaaseen hienoon porsaan. Lisäksi kuuman tasapainopaineen ohella on kehitetty myös puristusmuovaus ja isoterminen muovausprosessit. Kiinassa, Pekingin ilmailumateriaalien instituutti on kehittänyt useita ilmailmoittimien porsaan turbiinilevyjä, jotka ovat ratkoneet avainvalmistustechnologian ongelmat edistyksellisille ilmailmoottoreille, mutta porsaan turbiinilevyjen insinöörimenetelmäongelma ei ole vielä täysin ratkaistu.

Kokonaisuusmateriaalin valmistustechnologia

Kokonaisuusmateriaali-tekniikka on laajalti käytetty korkean suorituskyvyn ilmoittimoottoreissa. LEAP-moottorin kehityksen tarpeiden täyttämiseksi Sniema käyttää 3D-ketotettua resiinansiirto-mallintamista (RTM) teknologiaa yhdistelmäaineisten tuuliliekkojen ja yhdistelmäaineisten tuuliliekkojen valmistamiseen. RTM-teknologiassa valmistetut LEAP-moottorin osat ovat korkeakuntoisia, ja niiden massa on vain puolet samankaltaisen rakenteen tiilitsiteosien massasta. F119-moottorin kehityksen aikana Pratt & Whitney kehitti jatkuvaa SiC-kuitua vahvistettuja tiilitsitekompositioita leveän harmonikkatuuliliekkojen valmistamiseen. Tällaisilla kompositioilleliekoilla on ominaisuuksia kuten korkea joustavuus, kevyt paino ja vaikutusvastaus, ja niitä kutsutaan kolmannen sukupolven leveiksi harmonikkatuuliliekkoiksi. F119 turbofan-moottorin 3-vaiheiset tuuliliekkojen rotorit on tehty tästä materiaalista. Kiinassa yhdistelmäaineistojen valmistustechnologia on myös sovellettu lentomoottoriosien valmistukseen, ja sulatusautogene TiB2-hiukkaseturisteillä vahvistettujen alumiinimatriisi-kompositio-tuuliliekkojen kehityksessä on saavutettu suuria edistysaskeleita. Mutta TiB2-hiukkasvahvistetun alumiinimatriisi-kompositio-tuuliliekon tehokas käsittely, käsittelypinnan vahvistaminen, väsymisvastikeisuus ja ulkopuolisen objektin vahingon estäminen ovat avainasioita ja vaikeuksia tämän materiaalin tuuliliekon sovellustutkimuksessa.