Podstawowa technologia, gorąca technologia i kluczowa technologia w produkcji zaawansowanych silników lotniczych

Współczynnik ciągu do masy oraz współczynnik mocy do wagi są najważniejszymi wskaźnikami technicznymi służącymi do pomiaru i oceny zaawansowania silników lotniczych. W celu osiągnięcia współczynnika ciężaru do ciągu silnika większego niż 10, silniki lotnicze stale stosują nowe materiały i wprowadzają nowe konstrukcje, aby zmniejszyć wagę elementów silnika lotniczego, jednocześnie znacząco zwiększając temperaturę przed turbiną. To stawia wyższe wymagania techniczne dla produkcji silników i promuje ciągłe pojawianie się i rozwój nowych technologii w produkcji silników lotniczych. Szereg kluczowych technologii produkcyjnych opracowanych dla rozwoju wysokowydajnych silników lotniczych stanie się lub już stało się kierunkiem rozwoju zaawansowanych technologii produkcyjnych. W niniejszym artykule przedstawiono kluczowe technologie produkcyjne silników lotniczych z trzech perspektyw: technologia kluczowa, gorąca technologia i technologia podstawowa. Kluczowa technologia produkcyjna to konieczna technologia do opracowania zaawansowanego silnika lotniczego. Technologia produkcyjna będąca obiektem zainteresowania to technologia, którą należy badać, aby poprawić wydajność i jakość produkcji silnika. Podstawowa technologia produkcyjna to technologia, która powinna być stopniowo gromadzona i rozwijana w procesie opracowywania i masowego produkcji silników, reprezentując moc miękką poziomu technologicznego i zdolności produkcyjnej wytwarzania silników.

Kluczowa technologia produkcji silników lotniczych

Technologia produkcji łopatek turbin z jednego krystalu

Temperatura na wlotach turbin nowoczesnych silników lotniczych wzrosła znacznie, a temperatura na wlocie turbiny silnika F119 dochodzi do 1900~2050K. Łopatki turbin wytworzonych tradycyjnym procesem po prostu nie mogą wytrzymać tak wysokiej temperatury i mogą nawet stopić się, co uniemożliwi im skuteczne działanie. Łopatki turbin z jednego krystalu pomyślnie rozwiązują problem odporności na wysoką temperaturę łopatek turbin silników o stosunku ciągu do masy 10 etapów. Wybitna odporność na wysoką temperaturę łopatek turbin z jednego krystalu zależy przede wszystkim od tego, że w całej łopatce znajduje się tylko jeden krystal, eliminując w ten sposób defekty związane z wydajnością przy wysokich temperaturach między granicami ziaren spowodowane strukturą polikryształową równoosiowych i kierunkowych łopatek turbin.

Płat turbinowy z pojedynczym krystalikiem jest częścią silnika z największą liczbą procesów produkcyjnych, najdłuższym cyklem, najniższą stopą kwalifikacji oraz najściślejszym zagranicznym blokadą i monopolizacją. Proces produkcji płatów turbinowych z pojedynczym krystalikiem obejmuje: prasowanie rdzenia, naprawę rdzenia, spiekanie rdzenia, kontrolę rdzenia, dopasowywanie rdzenia do formy, wtryskowanie formy woskowej, inspekcję X-światła formy woskowej, detekcję grubości ścianki formy woskowej, dopracowywanie formy woskowej, łączenie form woskowych, kombinację systemu wydobycia krystalika i przelania, usuwanie farby i piasku, suszenie powłoki, wypalanie wosku z powłoki, pieczenie powłoki, przelanie liścia, jednokrystaliczną solidyfikację, dmuchanie powłoki, wstępną kontrolę, fluorescencyjną kontrolę, usuwanie rdzenia, szlifowanie, pomiar szerokości cięciwy, rentgenowską kontrolę płytki, kontrolę rentgenowskiego zdjęcia, kontrolę profilu, precyzyjne dopracowywanie płytki, detekcję grubości ścianki płytki oraz ostateczną kontrolę procesu produkcji. Ponadto konieczne jest ukończenie projektowania i produkcji formy inwestycyjnej dla płytek turbinowych.

Obecnie zaledwie kilka krajów na świecie, takich jak Stany Zjednoczone, Rosja, Wielka Brytania, Francja i Chiny, potrafi produkować łopatki turbinowe z jednego krystalu. W ostatnich latach w Chinach dokonano istotnych postępów w produkcji łopatek turbinowych z jednego krystalu. Opracowano łopatki turbinowe o stosunku ciągu do masy na poziomie 10 etapów oraz rozpoczęto masową produkcję łopatek turbinowych dla silników turboszprzegłowych o wysokim stosunku mocy do masy.

Wysokoefektywna, precyzyjna i niska kosztowo technologia obróbki całościowego dysku z łopatkami

Zastosowanie technologii całościowej tarczy z ostrzami promuje innowację w projektowaniu konstrukcji silników lotniczych oraz skok w procesie produkcji, realizując cel redukcji wagi silnika i zwiększenia efektywności, a także poprawiając niezawodność działania silnika. W tym samym czasie cienka grubość ostrza, duża giętość i wysoce efektywny projekt pneumatyczny powodują słabe sztywność ostrza, łatwą deformację i trudne do kontrolowania problemy; Wąski i głęboki kanał przepływu między ostrzami utrudnia realizację technologii obróbki tarczy z ostrzami. Materiały o wysokiej sile, takie jak stop tytanu i superstop, są trudne do cięcia i mają niski współczynnik efektywności. W latach 80. XX wieku Stany Zjednoczone i Wielka Brytania zaczęły stosować nową technologię jednolitej tarczy dla nowych silników, podczas gdy technologia jednolita tarcza Chin rozpoczęła się około 1996 roku.

Zastosowanie technologii całkowitej łopaty-krążka przyczyniło się do rozwoju technologii integracji struktury elementów silnika. Kolejno w procesie rozwoju nowych silników lotniczych zastosowano: tandemowy całkowity krążek-łopatowy z bębnem, krążek-łopatowy z wałem, kombinację bębnowego krążka-wału, zamknięty krążek-łopatowy z obrączką, krążek-łopatowy z pierścieniem prostowniczym statora oraz kombinację dwustopniową lub wielostopniową krążka-łopatowego. Na podstawie osiowego krążka i wirnika odśrodkowego opracowano dyski z dużymi i małymi strukturami łopatek oraz dyski z przepływem ukośnym.

Od momentu zastosowania monolitycznego dysku łopatkowego w silnikach lotniczych o wysokich wydajnościach, technologia produkcji monolitycznych dysków łopatkowych rozwijała się i ulepszała. Obecnie proces produkcji monolitycznych dysków łopatkowych obejmuje przede wszystkim pięć rodzajów metod procesowych: monolityczny dysk łopatkowy uzyskiwany za pomocą precyzyjnej formowania cieknącego wosku, monolityczny dysk łopatkowy połączony za pomocą spawania promieniem elektronowym, monolityczny dysk łopatkowy wytworzony za pomocą obróbki elektrochemicznej, monolityczny dysk łopatkowy stworzony za pomocą liniowego tarcia spawania oraz monolityczny dysk łopatkowy przetwarzany na maszynach CNC o pięciu osiach.

Proces produkcyjny pięciokoordynatowego narzędzia CNC do obróbki całościowego dysku z liśćmi jest najwcześniejszy, ma największe zastosowanie inżynierskie i wysoki poziom technologicznej dojrzałości w krajowym procesie produkcyjnym całkowitych dysków z liśćmi dla silników lotniczych. Kluczem do rozwoju i zastosowania tej technologii są technologie: wycinania i formowania ząbków, symetrycznego spiralnego frezowania do końcowego dopracowania profilu liścia, technologia kompensacji błędów obróbki przedniego i tylnego brzegu liścia oraz adaptacyjna technologia obróbki całego dysku z liśćmi [1]. W obcych silnikach T700, BR715 (etap podniesienia ciśnienia), EJ200 całkowity dysk z liśćmi jest produkowany za pomocą tej metody obróbki, a chińskie silniki lotnicze CJ1000A, WS500 i inne są również produkowane za pomocą technologii pięciokoordynatowej CNC. Rysunek 1 przedstawia pierwszy etap całkowitego dysku z liśćmi wysokociśnieniowego kompresora silnika lotniczego produkowanego w Chinach.

Technologia produkcji pustakowych liści

Wentylator silnika turbofanowego znajduje się daleko od komory spalania, a obciążenie cieplne jest niskie, ale wymagania postawione przez nowoczesny silnik lotniczy co do jego efektywności aerodynamicznej oraz zdolności zapobiegania uszkodzeniom przez obce przedmioty nieustannie się poprawiają. Wysokowydajny wentylator silnika lotniczego używa szerokiej tarczy, bez ramienia oraz pustej łopatki wentylatora.

Pusta łopatka wentylatora o konstrukcji trójkątnej rusztowania opracowana przez firmę Luo Luo to ulepszenie pierwotnej łopatki z kompozytu pszczeliny. Firma Luo Luo nazywa ją drugim pokoleniem pustych łopatek wentylatora. Proces polega na użyciu kombinacji procesów superplastycznego formowania / dyfuzji (SPF/DB), aby wytworzyć trójwarstwową płytę z legity titanium w postaci szerokiej, pustej łopatki wentylatora. Pusta część łopatki ma konstrukcję trójkątnego rusztowania, która jest już stosowana w silnikach Trent samolotów Boeing 777 i A330. Technologia produkcji pustych łopatek wentylatora o strukturze trójkątnej rusztowania w Chinach również osiągnęła przełom (Rysunek 2 przedstawia pustą łopatkę wentylatora oraz wewnętrzną strukturę trójkątną), ale w celu spełnienia wymagań inżynieryjnych należy przeprowadzić wiele badań nad wytrzymałością, drganiami, zmęczeniem oraz zoptymalizować procesy produkcyjne.

Proces produkcji pustotniczego ostrza jest następujący: Po pierwsze, należy przygotować 3 płyty z legity titanium i umieścić je w warstwach górnym, środkowym i dolnym. Warstwa środkowa to płytka rdzeniowa, a górna i dolna to odpowiednio płytka blaszki liściowej i płytka tylnej części ostrza. Następnie, puste ostrza wentylatorowe są formowane z trzech płytek z legity titanium po usunięciu oleju i kwaszenia, nakładaniu smolek na warstwę pośrednią, spawaniu płyt titanowych, nagrzewaniu formy, oczyszczaniu argonem, połączeniu dyfuzycyjnym, formowaniu superplastycznym, ochładzaniu w piecu, myciu powierzchni, obróbce korzenia ostrza oraz krawędzi wpływu i wyjścia, inspekcji ostrza i innych procedur [2] formowanie superplastyczne/dyfuzja (SPF/DB).

Wysoko rozwinięta technologia produkcji łożysk

Wsporne jest jednym z kluczowych elementów silnika lotniczego. Wspornik pracujący przy tysiącach obrótach na minutę przez długi czas musi również wytrzymać ogromną siłę odśrodkową i różne formy nacisku, tarcia oraz ultra-wysokie temperatury związane z wysokoprędkością obrotową wirnika silnika. Jakość i wydajność wsporników bezpośrednio wpływają na wydajność silnika, jego żywotność, niezawodność oraz bezpieczeństwo lotu. Rozwój i produkcja wysokopozycyjnych wsporników są ściśle powiązane z badaniami międzydyscyplinarnymi w zakresie mechaniki kontaktowej, teorii smarowania, tribologii, zmęczenia i uszkodzeń, obróbki cieplnej oraz struktury materiałów. Muszą one również rozwiązać wiele problemów technicznych związanych z projektem, materiałami, produkcją, wyposażeniem produkcyjnym, testowaniem, tłuszczami oraz smarowaniem.

Obecnie, badania i rozwój, produkcja i sprzedaż wysokoprzewodowych łożysk są w zasadzie zmonopolizowane przez przedsiębiorstwa produkujące łożyska w krajach zachodnich, takich jak Timken, NSK, SKF i FAG. Technologia produkcyjna chińskich silników lotniczych jest przestarzała, a pojemność produkcyjna i poziom rozwoju chińskich przedsiębiorstw produkujących łożyska nie mogą w krótkim czasie zapewnić wysokoprzewodowych łożysk odpowiednich dla zaawansowanych silników lotniczych. Łóżysko stało się "Mount Everestem", który trudno przekroczyć w chińskiej pracowni badawczej nad silnikami lotniczymi, co znacznie ogranicza rozwój wysokowydajnych silników lotniczych w Chinach.

Technologia produkcyjna dysku turbinowego z proszku

Turbina silnika lotniczego podlega叠加 wysokiej temperaturze i wysokiemu naprężeniu, trudnym warunkom pracy, złożonemu procesowi przygotowania oraz technicznym trudnościom, co sprawiło, że stała się jedną z trudności w rozwoju silników w Chinach. W innych krajach superalemony proszkowe znajdują szerokie zastosowanie w silnikach o wysokich wydajnościach ze względu na swoje doskonałe właściwości mechaniczne i dobre właściwości procesów cieplnych i zimnych. Produkcja dysku turbinowego z proszku obejmuje szereg kluczowych technologii produkcyjnych, takich jak rozwój materiałów, topienie stopów bazowych, przygotowywanie i obróbka proszku, gorące spiekanie izostatyczne, forsiowanie izotermiczne, obróbka cieplna oraz precyzyjne badania i oceny itp. Nosi ona kluczowe technologie produkcyjne niezbędne do produkcji zaawansowanych silników lotniczych. Trendem zagranicznych badań nad dyskiem turbinowym z proszku jest przechodzenie od dysków turbinowych o wysokiej sile do dysków odpornych na uszkodzenia pod względem wytrzymałości w użytkowaniu, a proces produkcji proszku zmierza ku ultra-czystym mikroproszkom. Oprócz gorącego spiekania izostatycznego opracowano również procesy formowania przez ekstruzję i forsiowanie izotermiczne. W Chinach Instytut Materiałów Lotniczych w Pekinie opracował wiele rodzajów dysków turbinowych z proszku dla silników lotniczych, rozwiązując kluczowe problemy technologiczne związane z produkcją dysków turbinowych z proszku dla zaawansowanych silników lotniczych, ale problem inżynieryjnej produkcji dysków turbinowych z proszku nie został jeszcze całkowicie rozwiązany.

Technologia produkcji materiałów złożonych

Technologia materiałów złożonych została powszechnie wykorzystana w silnikach lotniczych o wysokich parametrach. Aby spełnić wymagania związane z rozwojem silnika LEAP, Sniema przyjęła technologię 3D tkanej przenoszenia rezyny (RTM) do produkcji kompozytowych obudów wentylatorowych i kompozytowych łopatek wentylatorowych. Części silnika LEAP produkowane za pomocą technologii RTM mają wysoką wytrzymałość, a ich masa wynosi tylko połowę masy części z legity titanium o tej samej strukturze. W trakcie opracowywania silnika F119, firma Pratt & Whitney opracowała ciągłe włókna SiC wzmacniające kompozytową macicę titanową szerokiej łopatki wentylatorowej. Ten rodzaj kompozytowej łopatki charakteryzuje się wysoką sztywnością, lekkim ciężarem oraz odpornością na uderzenia, nazywany jest on trzecim pokoleniem szerokiej łopatki wentylatorowej. Wszystkie 3 etapy wirników wentylatorowych silnika turboodrzutowego F119 zostały wykonane z tego materiału. W Chinach technologia produkcji materiałów złożonych została również zastosowana w produkcji części silników lotniczych, a osiągnięcia w dziedzinie autogenicznego wzmacniania cząsteczkami TiB2 aluminium macicy kompozytowych łopatek wentylatorowych są znaczące. Jednak efektywne przetwarzanie łopatek wentylatorowych z wzmacnianego TiB2 aluminium macicy, wzmocnienie powierzchni przetwarzanych, odporność na zmęczenie oraz technologia chronienia przed uszkodzeniami przez obce przedmioty są kluczowe i trudne w realizacji w badaniach inżynierskich dotyczących zastosowania tego materiału.