La tecnologia chiave, la tecnologia avanzata e la tecnologia di base della produzione di motori aerei avanzati

Il rapporto spinta-peso e il rapporto potenza-peso sono i parametri tecnici più importanti per misurare e valutare l'avanzatezza dei motori aerei. Al fine di raggiungere un rapporto spinta-peso del motore superiore a 10, il motore aereo utilizza continuamente nuovi materiali e introduce nuove strutture per ridurre il peso dei componenti del motore aereo mentre aumenta notevolmente la temperatura anteriore della turbina. Ciò pone requisiti tecnici più elevati per la produzione dei motori e promuove l'emergere e lo sviluppo continuo di nuove tecnologie nella fabbricazione dei motori aerei. Una serie di tecnologie di produzione chiave sviluppate per il progresso dei motori aerei ad alta prestazione diventeranno o sono già divenute la direzione dello sviluppo delle tecnologie di produzione avanzate. Questo articolo introduce le tecnologie di produzione chiave del motore aereo da tre aspetti: tecnologia chiave, tecnologia calda e tecnologia di base. La tecnologia di produzione chiave è la tecnologia necessaria per sviluppare motori aerei avanzati. La tecnologia di produzione attuale è una tecnologia che deve essere studiata per migliorare l'efficienza e la qualità della produzione del motore. La tecnologia di produzione di base è la tecnologia che dovrebbe essere gradualmente accumulata e sviluppata nello sviluppo e nella produzione in massa del motore, rappresentando la soft power del livello tecnologico e della capacità produttiva della fabbricazione dei motori.

Tecnologia chiave della produzione di motori a reazione

Tecnologia di produzione della lama turbinata a singolo cristallo

La temperatura frontale della turbina dei moderni motori a reazione è aumentata notevolmente, e la temperatura frontale della turbina del motore F119 arriva fino a 1900~2050K, e le lame turbinate realizzate con processi tradizionali semplicemente non possono resistere a temperature così elevate, e potrebbero addirittura fondersi e non funzionare correttamente. Le lame turbinabili a singolo cristallo hanno risolto con successo il problema di resistenza al calore delle lame turbinabili dei motori con un rapporto spinta-peso di 10 livelli. La eccellente resistenza al calore delle lame turbinabili a singolo cristallo dipende principalmente dal fatto che c'è solo un cristallo in tutta la lama, eliminando così i difetti nella prestazione ad alta temperatura tra i confini granulari causati dalla struttura policristallina delle lame equiaxiali e direzionali.

La lama turbina a singolo cristallo è la parte del motore con il processo di produzione più complesso, il ciclo più lungo, il tasso di qualificazione più basso e il blocco e il monopolio straniero più rigidi. Il processo di produzione delle lame turbine a singolo cristallo include la pressatura del nucleo, la riparazione del nucleo, la sintesi del nucleo, l'ispezione del nucleo, l'accoppiamento tra nucleo e stampo, l'iniezione del modello in cera, l'ispezione X della cera, la rilevazione della spessore del modello in cera, l'aggiustamento del modello in cera, la combinazione dei modelli in cera, la combinazione del sistema di estrazione del cristallo e del portafuso, la rimozione della vernice, la rimozione della sabbia, l'asciugatura della guscio, la decera del guscio, la cottura del guscio, la colata della lamina, la solidificazione a singolo cristallo, la soffiatura del guscio, l'ispezione iniziale, l'ispezione al fluorescenza, la rimozione del nucleo, l'abrasione, la misurazione della larghezza della corda, l'ispezione radiografica della lamina, l'ispezione della pellicola radiografica, l'ispezione del profilo, la lavorazione fine della lamina, la rilevazione della spessore della parete della lamina e la verifica finale del processo di produzione. Inoltre, è necessario completare la progettazione e la fabbricazione dello stampo per fusione sotto investitura della lamina turbina.

Attualmente, solo pochi paesi nel mondo, come Stati Uniti, Russia, Regno Unito, Francia e Cina, sono in grado di produrre pale turbine monocrystal. Negli ultimi anni, è stato registrato un grande progresso nella produzione di pale turbine monocrystal in Cina. Sono state sviluppate pale turbine monocrystal per motori con rapporto spinta-peso al decimo stadio e le pale turbine monocrystal per motori turboshaft ad alto rapporto potenza-peso sono state prodotte in serie.

Tecnologia di lavorazione ad alta efficienza, alta precisione e basso costo per disco a pale integrali

L'applicazione della tecnologia del disco a lame integrali promuove l'innovazione nel progetto strutturale dei motori aerei e il salto di qualità nei processi di produzione, realizzando l'obiettivo di riduzione del peso del motore e aumento dell'efficienza, migliorando la affidabilità dell'operazione del motore. Allo stesso tempo, lo spessore sottile delle lame, la grande flessione e il progetto aerodinamico ad alta efficienza causano problemi di scarsa rigidità delle lame, facile deformazione e difficoltà di controllo; Il canale di flusso stretto e profondo tra le lame rende difficoltosa la realizzazione della tecnologia di lavorazione del disco a lame. Materiali ad alta resistenza come l'alluminio titanico e le superleghe sono difficili da tagliare e hanno un basso rendimento. Gli Stati Uniti e la Gran Bretagna hanno iniziato ad applicare la nuova tecnologia monoblocco per i motori negli anni '80, mentre la tecnologia monoblocco cinese è iniziata intorno al 1996.

L'applicazione della tecnologia a lama-integrale ha promosso lo sviluppo della tecnologia di integrazione strutturale dei componenti del motore. Le combinazioni integrali a lama-disco con tamburo, disco-lama con albero, combinazione disco-tamburo-albero, disco-lama chiuso con cerchio, disco-lama rotore stazionario e combinazioni a due o più stadi hanno trovato applicazione successiva nello sviluppo di nuovi motori aeronautici. Sulla base del disco ad asse assiale e dell'elica centrifuga, sono stati sviluppati il disco a struttura lamina grande e piccola e il disco obliquo a cotiledone.

Dal momento in cui il disco monolitico a lame è stato applicato nei motori aerei ad alta prestazione, la tecnologia di produzione dei dischi monolitici a lame si è sviluppata e migliorata. Attualmente, il processo di lavorazione del disco monolitico a lame include principalmente i seguenti 5 metodi di lavorazione: il disco monolitico a lame ottenuto con la fusione a cera persa, il disco monolitico a lame realizzato con saldatura a fascio elettronico, il disco monolitico a lame ottenuto con lavorazione elettrochimica, il disco monolitico a lame realizzato con saldatura per attrito lineare e il disco monolitico a lame ottenuto con macchine utensili CNC a cinque assi.

Il processo di produzione delle turbine integrali a cinque coordinate utilizzando macchine utensili CNC è uno dei più antichi, con le applicazioni ingegneristiche più ampie e un elevato grado di maturità tecnologica nel processo di produzione delle turbine integrali per motori aerei in Cina. Tra questi, lo sviluppo e l'applicazione di questa tecnologia si basano su tecniche di fresatura a slot, la tecnologia di finitura simmetrica elicoidale per il profilo della lamina, la tecnologia di compensazione degli errori di lavorazione delle aree anteriori e posteriori della lamina e la tecnologia di lavorazione adattiva del profilo dell'intera turbina [1]. Gli ingranaggi stranieri come il motore T700, il compressore di primo stadio del motore BR715, e il motore EJ200 utilizzano questo metodo di produzione e lavorazione. Anche i motori aerei cinesi CJ1000A e WS500 utilizzano la tecnologia di lavorazione CNC a cinque assi per la produzione. La Figura 1 mostra la prima turbina integrale del compressore ad alta pressione di un motore aereo commerciale prodotto in Cina.

Tecnologia di produzione di pale cavo

L'elica del motore a turboventola è lontana dalla camera di combustione e il carico termico è basso, ma i requisiti dell'aeromotore avanzato in termini di efficienza aerodinamica e capacità di prevenire danni da oggetti estranei stanno costantemente migliorando. L'elica ad alta prestazione dell'aeromotore adotta lame senza spalla, a corda larga e con struttura cava.

La pale del ventilatore a struttura a trave triangolare sviluppata dalla Luo Luo Company è un miglioramento rispetto alla pale sandwich a alveolo originale. La Luo Luo Company la chiama la seconda generazione di pala del ventilatore cava. Il processo consiste nell'utilizzare il metodo combinato di formazione sovraplastica/connessione per diffusione (SPF/DB) per trasformare la lamina di titanio a 3 strati in una pala del ventilatore cava a corda larga. La parte cava della pala ha una struttura a trave triangolare, già utilizzata sui motori Trent degli aerei Boeing 777 e A330. La tecnologia di produzione delle pale del ventilatore cavo a struttura a trave triangolare in Cina ha fatto anche un passo avanti (la figura 2 mostra la pala del ventilatore cava e la sua struttura interna triangolare), ma per soddisfare le applicazioni ingegneristiche, è necessario svolgere molte ricerche su resistenza, vibrazioni, stanchezza e ottimizzazione dei processi.

Il processo di produzione della lama cava è il seguente: Innanzitutto, è necessario preparare 3 lastre di lega di titanio da posizionare nei livelli superiore, medio e inferiore, la lamina centrale è la piattaforma principale, mentre le lastre superiori e inferiori sono rispettivamente la parte concava e la parte dorsale della lama. Successivamente, le pale ventose cavo vengono formate dalle tre lastre di lega di titanio dopo la rimozione dell'olio e l'acidificazione, con il controllo del rivestimento del livello intermedio con flusso, saldatura delle lastre di titanio, riscaldamento del modulo, purificazione con argon, connessione diffusiva, formazione superplastica, raffreddamento in forno, lavaggio della superficie, lavorazione delle radici delle pale e dei bordi di ingresso e uscita, ispezione delle pale e altri procedimenti [2] formazione superplastica/connessione diffusiva (SPF/DB).

Tecnologia di produzione di cuscinetti ad alta gamma

L'ingombro è uno dei componenti chiave del motore aereo, e l'ingombro che funziona a velocità elevate di decine di migliaia di giri al minuto per lunghi periodi di tempo deve inoltre resistere alla grande forza centrifuga e alle varie forme di stress di compressione, attrito e temperature ultraelevate generate dalla rotazione ad alta velocità del rotore del motore. La qualità e le prestazioni degli ingombri influiscono direttamente sulle prestazioni del motore, sulla sua durata, affidabilità e sicurezza del volo. Lo sviluppo e la produzione di ingombri ad alto livello sono strettamente legati a ricerche interdisciplinari in meccanica del contatto, teoria della lubrificazione, tribologia, fatica e danno, trattamento termico e organizzazione dei materiali, ed è necessario risolvere numerosi problemi tecnici relativi a progettazione, materiali, produzione, attrezzature di produzione, test e verifica, grassi e lubrificazione.

Attualmente, la ricerca e lo sviluppo, la produzione e le vendite di cuscinetti ad alta prestazione sono in gran parte monopolizzati dalle aziende produttrici di cuscinetti dei paesi occidentali come Timken, NSK, SKF e FAG. La tecnologia di produzione dei motori aerei cinesi è arretrata, e la capacità produttiva e il livello di sviluppo delle aziende cinesi produttrici di cuscinetti non possono fornire cuscinetti ad alta prestazione adatti per i motori aerei avanzati nel breve periodo. Il cuscinetto è diventato la "Montagna Everest" difficile da superare nella ricerca e sviluppo dei motori aerei cinesi, il che limita notevolmente lo sviluppo dei motori aerei ad alta prestazione in Cina.

Tecnologia di produzione del disco turbine in polvere

Il disco della turbina del motore a reazione è sottoposto alla sovrapposizione di alte temperature e alti stress, condizioni di lavoro severe, processo di preparazione complesso e difficoltà tecnica, diventando uno dei problemi principali nello sviluppo dei motori in Cina. Gli superleghe polveri vengono ampiamente utilizzate nei motori a reazione ad alta prestazione all'estero grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche e buone prestazioni nei processi termici e freddi. La produzione del disco della turbina in polvere include una serie di tecnologie chiave di produzione come lo sviluppo dei materiali, il fusione dell'allegaio base, la preparazione e il trattamento della polvere, la compressione isotropa a caldo, il forgiatura isoterma, il trattamento termico e la rilevazione e valutazione ad alta precisione, ecc. Essa rappresenta la tecnologia chiave indispensabile per la produzione di motori a reazione avanzati. La tendenza della ricerca straniera sui dischi delle turbine in polvere è quella di passare dai dischi delle turbine ad alta resistenza ai dischi resistenti ai danni in termini di prestazioni operative, e dal processo di polverizzazione a polvere ultra-pura fine. Oltre alla compressione isotropa a caldo, vengono anche sviluppati i processi di formazione per estrusione e forgiatura isoterma. In Cina, l'Istituto di Materiali Aeronautici di Pechino ha sviluppato vari dischi delle turbine in polvere per motori a reazione, risolvendo i problemi tecnologici chiave della produzione dei dischi delle turbine in polvere per motori a reazione avanzati, ma il problema di produzione ingegneristica dei dischi delle turbine in polvere non è ancora completamente risolto.

Tecnologia di produzione di materiali compositi

La tecnologia dei materiali compositi è stata ampiamente utilizzata nei motori aerei ad alta prestazione. Per soddisfare i requisiti dello sviluppo del motore LEAP, Sniema adotta la tecnologia di modellazione per trasferimento di resina (RTM) 3D intrecciata per produrre involucri a ventola compositi e pale a ventola composita. Le componenti del motore LEAP prodotte con la tecnologia RTM hanno un'alta resistenza, e il peso è solo metà del peso delle componenti in lega di titanio della stessa struttura. Nello sviluppo del motore F119, Pratt & Whitney ha sviluppato pale a larga corda di composto rinforzato da fibre continue di SiC con matrice di titanio. Questo tipo di pale composte possiede le proprietà di alta rigidezza, leggerezza e resistenza agli impatti, ed è chiamato terza generazione di pale a larga corda. I rotor ventola a tre stadi del motore turbofan F119 sono tutti realizzati in questo materiale. In Cina, la tecnologia di produzione di materiali compositi è stata anche applicata nella produzione di componenti di motori aeronautici, e si è registrato un grande progresso nelle pale a ventola rinforzate con particelle autogene TiB2 fuse in una matrice di alluminio. Tuttavia, l'elaborazione efficiente delle pale a ventola rinforzate con particelle TiB2, lo sblocco della superficie lavorata, le prestazioni antifatica e la tecnologia antidanni causati da oggetti estranei sono le chiavi e le difficoltà per realizzare la ricerca ingegneristica dell'applicazione di questa materia prima alle pale.