La tecnologia chiave, la tecnologia avanzata e la tecnologia di base della produzione di motori aeronautici Italia

Il rapporto spinta-peso e il rapporto potenza-peso sono gli indici tecnici più importanti per misurare e valutare la natura avanzata dei motori aeronautici. Per raggiungere un rapporto spinta-peso del motore superiore a 10, il motore aeronautico utilizza continuamente nuovi materiali e introduce nuove strutture per ridurre il peso dei componenti del motore aeronautico, aumentando notevolmente la temperatura anteriore della turbina del motore. Ciò pone requisiti tecnici più elevati per la produzione di motori e promuove l'emergere e lo sviluppo continui di nuove tecnologie nella produzione di motori aeronautici. Una serie di tecnologie di produzione chiave sviluppate per lo sviluppo di motori aeronautici ad alte prestazioni diventeranno o sono diventate la direzione dello sviluppo di tecnologie di produzione avanzate. Questo documento introduce la tecnologia di produzione chiave del motore aeronautico da tre aspetti: tecnologia chiave, tecnologia a caldo e tecnologia di base. La tecnologia di produzione chiave è la tecnologia necessaria per sviluppare motori aeronautici avanzati. La tecnologia hotspot di produzione è una tecnologia che deve essere studiata per migliorare l'efficienza di produzione e la qualità di produzione del motore. La tecnologia di produzione di base è la tecnologia che dovrebbe essere gradualmente accumulata e sviluppata nello sviluppo del motore e nella produzione di massa e rappresenta il soft power del livello di tecnologia di produzione del motore e della capacità di produzione.

Tecnologia chiave della produzione di motori aeronautici

Tecnologia di fabbricazione della pala di turbina monocristallina

La temperatura frontale della turbina del moderno motore aeronautico è notevolmente aumentata e la temperatura frontale della turbina del motore F119 è alta come 1900~2050K e le pale della turbina fuse con il processo tradizionale semplicemente non possono resistere a una temperatura così elevata e persino si fondono e non possono funzionare in modo efficace. Le pale della turbina monocristalline risolvono con successo il problema della resistenza alle alte temperature delle pale della turbina dei motori con un rapporto spinta-peso di 10 stadi. L'eccellente resistenza alle alte temperature delle pale della turbina monocristalline dipende principalmente dal fatto che c'è un solo cristallo nell'intera pala, eliminando così i difetti nelle prestazioni alle alte temperature tra i confini dei grani causati dalla struttura policristallina delle pale di cristallo equiassiali e direzionali.

La pala di turbina monocristallina è la parte del motore con il maggior processo di fabbricazione, il ciclo più lungo, il tasso di qualificazione più basso e il più severo blocco e monopolio straniero. Il processo di fabbricazione delle pale di turbina monocristallina comprende la pressatura del nucleo, la riparazione del nucleo, la sinterizzazione del nucleo, l'ispezione del nucleo, l'abbinamento di nucleo e stampo, l'iniezione dello stampo di cera, l'ispezione X Light dello stampo di cera, il rilevamento dello spessore della parete dello stampo di cera, la preparazione dello stampo di cera, la combinazione dello stampo di cera, il sistema di estrazione dei cristalli e la combinazione della porta di colata, la rimozione della sabbia per vernice, l'essiccazione del guscio, la deceratura del guscio, la tostatura del guscio, la colata di foglie, la solidificazione del cristallo singolo, il soffiaggio del guscio, l'ispezione iniziale, l'ispezione della fluorescenza, la rimozione del nucleo, la molatura, la misurazione della larghezza della corda, l'ispezione a raggi X della pala, l'ispezione della pellicola a raggi X, l'ispezione del profilo, la pala raffinata, il rilevamento dello spessore della parete della pala e il controllo finale del processo di fabbricazione. Inoltre, è necessario completare la progettazione e la fabbricazione dello stampo per fusione a cera per pale di turbina.

Attualmente, solo pochi paesi al mondo come Stati Uniti, Russia, Regno Unito, Francia e Cina possono produrre pale di turbina a cristallo singolo. Negli ultimi anni, sono stati fatti grandi progressi nella produzione di pale di turbina a cristallo singolo in Cina. Sono state sviluppate le pale di turbina a cristallo singolo dei motori a 10 stadi con rapporto spinta-peso e le pale di turbina a cristallo singolo dei motori turboalbero ad alta potenza-peso sono state prodotte in serie.

Tecnologia di lavorazione ad alta efficienza, alta precisione e basso costo del disco a lama integrale

L'applicazione della tecnologia del disco a lama integrale promuove l'innovazione della progettazione della struttura del motore aeronautico e il balzo del processo di produzione, realizza lo scopo della riduzione del peso del motore e dell'aumento dell'efficienza e migliora l'affidabilità del funzionamento del motore. Allo stesso tempo, lo spessore sottile della lama, la grande flessione e il design pneumatico ad alta efficienza, con conseguente scarsa rigidità della lama, facile deformazione e problemi difficili da controllare; il canale del flusso d'aria stretto e profondo tra le pale rende scarsa la realizzazione della tecnologia di lavorazione del disco a lama. Materiali ad alta resistenza come la lega di titanio e la superlega sono difficili da tagliare e hanno una bassa efficienza. Negli anni '1980, gli Stati Uniti e la Gran Bretagna hanno iniziato ad applicare la nuova tecnologia del disco monolitico del motore, la tecnologia del disco monolitico della Cina è iniziata intorno al 1996.

L'applicazione della tecnologia lama-disco integrale ha promosso lo sviluppo della tecnologia di integrazione della struttura dei componenti del motore. Il disco lama-disco integrale tandem con tamburo, il disco lama con albero, la combinazione disco tamburo albero, il disco lama chiuso con cerchio, il disco lama ad anello statore raddrizzatore e la combinazione disco lama a due stadi o multistadio sono stati applicati in successione nello sviluppo di nuovi motori aeronautici. Sulla base del disco a flusso assiale e della girante centrifuga, vengono sviluppati il ​​disco con struttura a lama grande e piccola e il disco cotiledone a flusso obliquo.

Da quando il disco a lama monolitica è stato applicato nei motori aeronautici ad alte prestazioni, la tecnologia di produzione del disco a lama monolitica si è sviluppata e migliorata. Attualmente, il processo di lavorazione del disco a lama monolitica comprende principalmente i seguenti 5 tipi di metodi di lavorazione: il disco a lama monolitica con fusione di precisione a cera persa, il disco a lama monolitica con saldatura a fascio di elettroni, il disco a lama monolitica con lavorazione elettrochimica, il disco a lama monolitica con saldatura a frizione lineare e il disco a lama monolitica con lavorazione con macchina utensile CNC a cinque coordinate.

Il processo di fabbricazione di dischi a foglia integrale per lavorazione con macchina utensile CNC a cinque coordinate è la prima, più ampia applicazione ingegneristica e l'elevata maturità tecnica nel processo di fabbricazione di dischi a foglia integrale per motori aeronautici nazionali. Tra queste, la chiave per lo sviluppo e l'applicazione di questa tecnologia è la tecnologia di scanalatura e scanalatura, la tecnologia di finitura del profilo della lama di fresatura a spirale simmetrica, la tecnologia di compensazione degli errori di lavorazione del bordo anteriore e posteriore della lama e l'intera tecnologia di lavorazione adattiva del profilo del disco della lama [1]. Il motore T700 estero, lo stadio di booster del motore BR715, il disco a lama integrale del motore EJ200 che utilizzano questo metodo di lavorazione e produzione, il CJ1000A cinese, il disco a lama integrale del motore WS500 e altri motori aeronautici utilizzano anche la produzione della tecnologia di lavorazione CNC a cinque coordinate. FIG. 1 mostra il disco a lama integrale del primo stadio del compressore ad alta pressione per motori aeronautici commerciali prodotto in Cina.

Tecnologia di produzione di lame cave

La ventola del motore turbofan è lontana dalla camera di combustione e il carico termico è basso, ma i requisiti del motore aeronautico avanzato per la sua efficienza aerodinamica e la capacità di prevenire danni da oggetti estranei sono in continuo miglioramento. La ventola del motore aeronautico ad alte prestazioni adotta una corda larga, nessuna spalla e una pala della ventola cava.

La pala cava della struttura a traliccio triangolare sviluppata dalla Luo Luo Company è un miglioramento della pala originale a sandwich a nido d'ape. La Luo Luo Company la chiama pala cava della ventola di seconda generazione. Il processo consiste nell'utilizzare il metodo di processo di combinazione di formatura/diffusione superplastica (SPF/DB) per trasformare la piastra in lega di titanio a 3 strati in una pala cava della ventola a corda larga. La parte cava della pala è una struttura a traliccio triangolare, già utilizzata sui motori Trent degli aerei Boeing 777 e A330. Anche la tecnologia di produzione della pala cava della ventola della struttura a traliccio triangolare in Cina ha fatto una svolta (la Figura 2 mostra la pala cava della ventola e la struttura triangolare interna), ma per soddisfare l'applicazione ingegneristica, è necessario svolgere molto lavoro di ricerca su resistenza, vibrazioni, test di fatica e ottimizzazione del processo.

Il processo di fabbricazione della lama cava è il seguente: prima di tutto, 3 piastre in lega di titanio devono essere preparate e posizionate negli strati superiore, intermedio e inferiore, lo strato intermedio è la piastra centrale, gli strati superiore e inferiore sono rispettivamente il bacino fogliare e la piastra posteriore fogliare. Quindi, le pale cave della ventola sono formate da tre piastre in lega di titanio dopo la rimozione dell'olio e il decapaggio, il rivestimento dello strato intermedio con controllo del flusso, la saldatura della piastra in titanio, il riscaldamento dello stampo, la purificazione dell'argon, la connessione di diffusione, la formatura superplastica, il raffreddamento con forno, il lavaggio della superficie, la radice della lama e la lavorazione del bordo di ingresso e di scarico, l'ispezione della lama e altre procedure [2] formatura superplastica/connessione di diffusione (SPF/DB).

Tecnologia di produzione di cuscinetti di fascia alta

Il cuscinetto è uno dei componenti chiave del motore aeronautico, che sopporta le alte velocità di decine di migliaia di giri al minuto per un lungo periodo, ma anche per resistere alla rotazione ad alta velocità del rotore del motore dell'enorme forza centrifuga e a varie forme di stress da estrusione, attrito ed effetto di temperatura ultra elevata. La qualità e le prestazioni dei cuscinetti influenzano direttamente le prestazioni del motore, la durata, l'affidabilità e la sicurezza del volo. Lo sviluppo e la produzione di cuscinetti di fascia alta sono strettamente correlati alla ricerca interdisciplinare della meccanica del contatto, della teoria della lubrificazione, della tribologia, della fatica e dei danni, del trattamento termico e dell'organizzazione dei materiali, ecc. e devono anche risolvere un gran numero di problemi tecnici nella progettazione, nei materiali, nella produzione, nelle apparecchiature di produzione, nei test e nei test, nel grasso e nella lubrificazione.

Attualmente, la ricerca e lo sviluppo, la produzione e la vendita di cuscinetti di fascia alta sono sostanzialmente monopolizzate da aziende produttrici di cuscinetti nei paesi occidentali come Timken, NSK, SKF e FAG. La tecnologia di produzione di motori aeronautici in Cina è arretrata e la capacità produttiva e il livello di sviluppo delle aziende produttrici di cuscinetti nazionali non possono fornire cuscinetti di fascia alta adatti a motori aeronautici avanzati nel breve termine. I cuscinetti sono diventati il ​​"Monte Everest" difficile da attraversare nella ricerca e sviluppo di motori aeronautici in Cina, il che limita notevolmente lo sviluppo di motori aeronautici ad alte prestazioni in Cina.

Tecnologia di produzione del disco turbina a polvere

Il disco turbina per motori aeronautici è soggetto alla sovrapposizione di alte temperature e stress elevato, condizioni di lavoro difficili, complessi processi di preparazione e difficoltà tecniche, che sono diventati una delle difficoltà nello sviluppo dei motori in Cina. Le superleghe in polvere sono ampiamente utilizzate nei motori aeronautici ad alte prestazioni nei paesi stranieri per le loro eccellenti proprietà meccaniche e le buone prestazioni di processo termico e a freddo. La fabbricazione del disco turbina in polvere include una serie di tecnologie di produzione chiave come sviluppo dei materiali, fusione della lega madre, preparazione e trattamento della polvere, pressatura isostatica a caldo, forgiatura isotermica, trattamento termico e rilevamento e valutazione ad alta precisione, ecc. Porta la tecnologia di produzione chiave indispensabile per la produzione avanzata di motori aeronautici. La tendenza della ricerca estera sul disco turbina in polvere è quella di svilupparsi da disco turbina ad alta resistenza a disco turbina resistente ai danni in termini di prestazioni di servizio e dal processo di polverizzazione a polvere fine ultra pura. Oltre alla pressatura isostatica a caldo, vengono sviluppati anche processi di formatura per estrusione e forgiatura isotermica. In Cina, l'Istituto di materiali aeronautici di Pechino ha sviluppato una serie di dischi per turbine a polvere per motori aeronautici, che hanno risolto i principali problemi tecnici di produzione di dischi per turbine a polvere per motori aeronautici avanzati, ma il problema di produzione ingegneristica dei dischi per turbine a polvere non è stato completamente risolto.

Tecnologia di produzione di materiali compositi

La tecnologia dei materiali compositi è stata ampiamente utilizzata nei motori aeronautici ad alte prestazioni. Per soddisfare le esigenze di sviluppo del motore LEAP, Sniema adotta la tecnologia di stampaggio a trasferimento di resina intrecciata 3D (RTM) per produrre involucri di ventole compositi e pale di ventole composite. Le parti del motore LEAP prodotte dalla tecnologia RTM hanno un'elevata resistenza e la massa è solo la metà della massa delle parti in lega di titanio della stessa struttura. Nel processo di sviluppo del motore F119, Pratt & Whitney ha sviluppato pale di ventole composite a matrice di titanio rinforzata con fibra di SiC continua. Questo tipo di pala composita ha le proprietà di elevata rigidità, leggerezza e resistenza agli urti ed è chiamata pala di ventole a corda larga di terza generazione. I rotori delle ventole a 119 stadi del motore turbofan F3 sono tutti realizzati con questo materiale. In Cina, la tecnologia di produzione di materiali compositi è stata applicata anche nella produzione di parti di motori aeronautici e le pale di ventole composite a matrice di alluminio rinforzata con particelle di TiB2 autogene fuse hanno fatto grandi progressi. Tuttavia, l'efficiente lavorazione delle pale dei ventilatori in composito di alluminio rinforzato con particelle di TiB2, il rafforzamento della superficie di lavorazione, le prestazioni anti-fatica e la tecnologia anti-danni da corpi estranei sono la chiave e la difficile applicazione della ricerca ingegneristica sulle pale dei ventilatori in termini di materiali.