선진 항공 엔진 제조의 핵심 기술, 핫 기술 및 기본 기술

추력 대 중량비와 출력 대 중량비는 항공 엔진의 선진성을 측정하고 평가하는 가장 중요한 기술 지표입니다. 엔진의 추력-중량비를 10 이상으로 끌어올리기 위해 항공 엔진은 새로운 소재를 지속적으로 도입하고 새로운 구조를 도입하여 엔진 터빈 전면 온도를 크게 증가시키면서 항공 엔진 부품의 중량을 줄이고 있습니다. 이는 엔진 제조에 더 높은 기술적 요구 사항을 제시하며, 항공 엔진 제조에서 새로운 기술의 지속적인 출현과 발전을 촉진합니다. 고성능 항공 엔진 개발을 위해 개발된 일련의 주요 제조 기술들은 선진 제조 기술 개발의 방향이 되거나 이미 되고 있습니다. 본 논문에서는 주요 기술, 핫 이슈 기술 및 기본 기술이라는 세 가지 측면에서 항공 엔진의 주요 제조 기술을 소개합니다. 주요 제조 기술은 선진 항공 엔진을 개발하기 위한 필수 기술입니다. 제조 핫 이슈 기술은 엔진의 제조 효율과 품질을 향상시키기 위해 연구해야 할 기술입니다. 기본 제조 기술은 엔진 개발 및 대량 생산 과정에서 점차적으로 축적하고 발전시켜야 할 기술로, 엔진 제조 기술 수준과 생산 능력의 소프트 파워를 나타냅니다.

항공 엔진 제조의 핵심 기술

단일結晶 터빈 블레이드 제조 기술

현대 항공 엔진의 터빈 입구 온도는 크게 증가했으며, F119 엔진의 터빈 입구 온도는 1900~2050K에 달합니다. 전통적인 공정으로 주조된 터빈 블레이드는 이러한 고온을 견디지 못해 녹아 정상적으로 작동하지 않습니다. 단결정 터빈 블레이드는 추력 중량비 10단계 엔진의 터빈 블레이드 고온 저항 문제를 성공적으로 해결했습니다. 단결정 터빈 블레이드의 우수한 고온 저항은 전체 블레이드에 단 하나의 결정만 존재하기 때문에 동축 및 방향성 결정 구조에서 발생하는 결정립 경계의 고온 특성 결함이 제거되기 때문입니다.

단일結晶 터빈 블레이드는 제조 공정이 가장 많고, 주기 시간이 가장 길며, 합격률이 가장 낮고, 외국의 봉쇄와 독점이 가장 엄격한 엔진 부품이다. 단일結晶 터빈 블레이드의 제조 공정에는 코어 압출, 코어 수정, 코어 소결, 코어 검사, 코어와 몰드의 매칭,錯 모형 주입,錯 모형 X선 검사,錯 모형 벽 두께 검출,錯 모형 정리,錯 모형 조립, 結晶 추출 시스템과 부속물 조합, 도료 탈모, 껍질 건조, 껍질 탈錯, 껍질 구워내기, 잎 주입, 단일結晶 응고, 껍질 불어내기, 초기 검사, 형광 검사, 코어 제거, 갈기, 현수 측정, 블레이드 X선 검사, X선 필름 검사, 프로파일 검사, 정제된 블레이드, 블레이드 벽 두께 검출 및 최종 검사가 포함된다. 또한 터빈 블레이드의 실리콘 주조 몰드 설계 및 제작을 완성해야 한다.

현재 전 세계적으로 미국, 러시아, 영국, 프랑스, 중국 등 몇 안 되는 국가들만 단결정 터빈 날개를 제조할 수 있습니다. 최근 몇 년간 중국의 단결정 터빈 날개 제조 분야에서 큰 진전이 이루어졌으며, 추력 대 중량비 10단계 엔진용 단결정 터빈 날개가 개발되었고, 고출력 대 중량비 터보 샤프트 엔진용 단결정 터빈 날개가 대량 생산되었습니다.

일체형 날개 디스크의 고효율, 고정밀도 및 저비용 가공 기술

일체형 블레이드 디스크 기술의 적용은 항공 엔진 구조 설계의 혁신과 제조 공정의 도약을 촉진하며, 엔진의 중량 감소와 효율 증대를 실현하고 엔진 운전의 신뢰성을 향상시킵니다. 동시에 얇은 블레이드 두께, 큰 굽힘 및 고효율 유동 설계는 블레이드 강성이 부족하여 변형이 쉽고 제어가 어려운 문제를 초래합니다. 블레이드 사이의 좁고 깊은 공기 흐름 채널은 블레이드 디스크 가공 기술의 실현을 어렵게 만듭니다. 티타늄 합금 및 초합금과 같은 고강도 재료는 절삭이 어려우며 효율이 낮습니다. 미국과 영국은 1980년대에 새로운 엔진 일체형 디스크 기술을 시작했으며, 중국의 일체형 디스크 기술은 1996년경에 시작되었습니다.

일체형 날개-디스크 기술의 적용은 엔진 구성 요소 구조 통합 기술의 발전을 촉진했습니다. 고리형, 샤프트형 블레이드 디스크, 디스크 드럼 샤프트 조합, 폐쇄형 블레이드 디스크, 정류기 정자 링 블레이드 디스크 및 2단 또는 다단 블레이드 디스크 조합과 같은 시리얼 일체형 날개-디스크가 새로운 항공 엔진 개발에 차례로 적용되었습니다. 축류 디스크와 원심 유동 임펠러를 기반으로 대소형 날개 구조 디스크와 사선 유동 콜레트 디스크가 개발되었습니다.

일체형 블레이드 디스크가 고성능 항공 엔진에 적용된 이후, 일체형 블레이드 디스크 제조 기술은 발전하고 개선되어 왔습니다. 현재까지 일체형 블레이드 디스크 가공 공정은 주로 다음의 5종류의 공정 방법을 포함합니다: 실리콘 사라김 정밀 주조 일체형 블레이드 디스크, 전자빔 용접 일체형 블레이드 디스크, 전기화학 가공 일체형 블레이드 디스크, 선형 마찰 용접 일체형 블레이드 디스크 및 다섯 축 CNC 머신 툴 가공 일체형 블레이드 디스크.

다섯 가지 좌표 CNC 기계 공구 가공 일체형 날개 디스크 제조 공정은 국내 항공 엔진 일체형 날개 디스크 제조 공정에서 가장 먼저 시작되었으며, 가장 넓은 공학적 응용과 높은 기술적 성숙도를 가지고 있습니다. 이 중에서 이 기술의 개발 및 응용의 핵심은 슬롯 가공 및 슬롯 가공 기술, 대칭 나선 밀링 날개 형상 마무리 기술, 날개 전후면 가공 오차 보상 기술 및 전체 날개 디스크 형상 적응형 가공 기술입니다 [1]. 외국의 T700 엔진, BR715 엔진 압축기 단계, EJ200 엔진 일체형 날개 디스크는 이러한 가공 방법을 사용하여 가공 및 제조되고 있으며, 중국의 CJ1000A, WS500 등의 항공 엔진 일체형 날개 디스크도 다섯 가지 좌표 CNC 가공 기술로 제조됩니다. 그림 1은 중국에서 제작한 상업용 항공 엔진 고압 압축기의 첫 번째 단계 일체형 날개 디스크입니다.

공심 날개 제조 기술

터보팬 엔진의 팬은 연소실에서 멀리 떨어져 있어 열 부하가 낮지만, 고급 항공엔진의 공력 효율성 및 외부 물체 손상을 방지하는 능력에 대한 요구는 계속 향상되고 있다. 고성능 항공 엔진 팬은 넓은 현수(弦長), 무어깨, 중공 구조의 팬 블레이드를 채택한다.

루오 루오 회사가 개발한 삼각형 트러스 구조의 공기foil은 원래의 벌집 구조 sandwich 공기foil의 개선형입니다. 루오 루오 회사는 이를 2세대 hollow fan blade라고 부릅니다. 제작 공정은 초플라스틱 성형/확산 결합 (SPF/DB) 조합 공법을 사용하여 3층 티타늄 합금 판재를 wide chord hollow fan blade로 만드는 것입니다. blade의 hollow 부분은 이미 보잉 777과 A330 항공기에 사용되고 있는 삼각형 트러스 구조입니다. 중국에서도 삼각형 트러스 구조의 hollow fan blade 제조 기술이 돌파구를 마련했습니다(그림 2는 hollow fan blade와 내부 삼각형 구조를 보여줍니다), 하지만 공학적 응용을 위해 많은 강도, 진동, 피로 시험 및 공정 최적화 연구 작업이 필요합니다.

공동 날개의 제조 공정은 다음과 같습니다. 먼저 3 개의 티타늄 합금 판을 준비하고 상하 층에 배치해야 합니다. 중간층은 핵심 판이며, 상하층은 각각 잎 대야와 잎 등판입니다. 그 후, 선풍기 공동 날개는 기름 제거 및 절골 후 세 가지 티타늄 합금 판으로 형성되며, 중간층에는 통합 검사가 도포되고, 티타늄 판 용접, 금형 가열, 아르곤 정화, 확산 연결, 초소성 성형, 냉각로, 표면 세척, 날개 루트 및 입구 및 배기 가장자리 가공, 날개 검사 및 기타 절차 [2] 초소성 성형/확산 연결 (SPF/DB).

고급 베어링 제조 기술

베어링은 항공 엔진의 핵심 부품 중 하나로, 베어링은 수만 RPM의 고속으로 오랫동안 작동하면서 동시에 엔진 로터의 고속 회전에 의해 발생하는 막대한 원심력과 다양한 형태의 압축 응력, 마찰 및 초고온의 영향을 견뎌내야 합니다. 베어링의 품질과 성능은 직접적으로 엔진의 성능, 수명, 신뢰성 및 비행 안전에 영향을 미칩니다. 고급 베어링의 개발과 생산은 접촉 역학, 윤활 이론, 마모학, 피로 및 손상, 열처리 및 재료 조직 등 여러 학문 분야와 밀접하게 연관되어 있으며, 설계, 재료, 제조, 제조 장비, 시험 및 검사, 지방 및 윤활 관련 기술 문제를 해결해야 합니다.

현재 고급 베어링의 연구 개발, 제조 및 판매는 팀킨(Timken), 엔에스케이(NSK), 에스케프 SKF), FAG 등 서구 국가들의 베어링 제조 기업들에 의해 기본적으로 독점되고 있다. 중국의 항공기 엔진 제조 기술은 뒤쳐져 있으며, 국내 베어링 제조 기업들의 생산 능력과 개발 수준은 단기간 내에 선진 항공기 엔진에 적합한 고급 베어링을 제공할 수 없다. 베어링은 중국의 항공 엔진 연구 개발에서 "넘기 어려운 에베레스트"가 되어 중국의 고성능 항공 엔진 발전을 크게 제약하고 있다.

분말 터빈 디스크 제조 기술

항공 엔진 터빈 디스크는 고온과 고응력의 중첩, 혹독한 작업 조건, 복잡한 제조 공정, 기술적 난이도로 인해 중국에서 엔진 개발의 어려움 중 하나가 되었습니다. 분말 초합금은 우수한 역학적 특성과 양호한 열 및 냉간 가공 성능 때문에 외국의 고성능 항공 엔진에서 널리 사용되고 있습니다. 분말 터빈 디스크의 제조에는 재료 개발, 마스터 합금 용해, 분말 제조 및 처리, 고압 동등 정압 압축(HIP), 등온 단조, 열처리, 고정밀 검출 및 평가 등 일련의 주요 제조 기술이 포함됩니다. 이는 선진 항공 엔진 제조에 있어 필수적인 핵심 제조 기술을 담고 있습니다. 외국의 분말 터빈 디스크 연구 동향은 서비스 성능 측면에서 고강도 터빈 디스크에서 손상 저항형 터빈 디스크로 발전하고 있으며, 분쇄 공정은 초순도 미세 분말로 나아가고 있습니다. 고압 동등 정압 압축 외에도 압출 성형 및 등온 단조 성형 공정도 개발되었습니다. 중국에서는 북경 항공 재료 연구원이 다양한 항공 엔진 분말 터빈 디스크를 개발하여 선진 항공 엔진 분말 터빈 디스크의 주요 제조 기술 문제를 해결했지만, 분말 터빈 디스크의 공학적 제조 문제는 아직 완전히 해결되지 않았습니다.

복합 재료 제조 기술

복합 소재 기술은 고성능 항공 엔진에서 널리 사용되고 있습니다. LEAP 엔진 개발의 필요성을 충족하기 위해 Sniema는 3D 직조 수지 전달 성형(RTM) 기술을 채택하여 복합 소재 팬 케이스와 복합 소재 팬 블레이드를 제작합니다. RTM 기술로 제작된 LEAP 엔진 부품은 높은 강도를 가지며, 동일한 구조의 티타늄 합금 부품에 비해 질량은 절반에 불과합니다. F119 엔진 개발 과정에서 프랫 앤드 위트니는 연속 SiC 섬유 강화 티타늄 행렬 복합 재료로 대폭도 팬 블레이드를 개발했습니다. 이러한 복합 블레이드는 높은 강성, 경량화 및 충격 저항 특성을 가지고 있으며, 이를 세대별로는 세 번째 대폭도 팬 블레이드라고 합니다. F119 터보팬 엔진의 3단 팬 로터는 모두 이 재료로 만들어졌습니다. 중국에서도 항공 엔진 부품 제조에 복합 소재 제조 기술이 적용되었으며, 용융 자생 TiB2 입자 강화 알루미늄 행렬 복합 재료 팬 블레이드에서 큰 진전을 이루었습니다. 그러나 TiB2 입자 강화 알루미늄 행렬 복합 재료 팬 블레이드의 효율적인 가공, 가공 표면 강화, 피로 저항성 및 외부 물체 손상 방지 기술은 이 재료의 블레이드 공학적 응용 연구에서 중요한 난제입니다.