Dlaczego silniki samolotów używają integralnych łopatek? Są kluczem do latania! Polska

Silnik samolotu jest „sercem” samolotu i jest również znany jako „klejnot koronny przemysłu”. Jego produkcja integruje wiele najnowocześniejszych technologii w nowoczesnym przemyśle, obejmujących materiały, obróbkę mechaniczną, termodynamikę i inne dziedziny. Ponieważ kraje mają coraz wyższe wymagania dotyczące wydajności silnika, nowe konstrukcje, nowe technologie i nowe procesy w badaniach i rozwoju oraz zastosowaniach wciąż stanowią nieustanne wyzwanie dla szczytu nowoczesnego przemysłu. Jednym z ważnych czynników poprawiających stosunek ciągu do masy silników lotniczych jest integralny dysk łopatkowy.

Zalety blisków

Przed pojawieniem się integralnego dysku łopatkowego łopatki wirnika silnika musiały być połączone z tarczą koła za pomocą czopów, rowków czopowych i urządzeń blokujących, ale ta struktura stopniowo przestała spełniać potrzeby silników lotniczych o wysokiej wydajności. Zaprojektowano integralny dysk łopatkowy, który integruje łopatki wirnika silnika i tarczę koła, i stał się on obecnie niezbędną strukturą dla silników o wysokim stosunku ciągu do masy. Jest szeroko stosowany w silnikach samolotów wojskowych i cywilnych i ma następujące zalety.

1.Utrata masy ciała:Ponieważ obręcz tarczy koła nie musi być obrabiana mechanicznie w celu zamontowania połączenia typu „pióro-wpust” do montażu łopatek, można znacznie zmniejszyć rozmiar promieniowy obręczy, co znacznie zmniejsza masę wirnika.

2.Zmniejsz liczbę części:Oprócz tego, że tarcza koła i łopatki są zintegrowane, redukcja urządzeń blokujących jest również ważnym powodem. Silniki lotnicze mają niezwykle surowe wymagania dotyczące niezawodności, a uproszczona struktura wirnika odgrywa dużą rolę w poprawie niezawodności.

3. Zmniejszenie strat przepływu powietrza:Wyeliminowano stratę ucieczki spowodowaną przerwą w tradycyjnej metodzie łączenia, poprawiono wydajność silnika i zwiększono ciąg.

Blisk, który zmniejsza wagę i zwiększa ciąg, nie jest łatwą do uzyskania „perłą”. Z jednej strony, blisk jest wykonany głównie z trudnych w obróbce materiałów, takich jak stop tytanu i stop wysokotemperaturowy; z drugiej strony, jego łopatki są cienkie, a kształt łopatek jest złożony, co stawia niezwykle wysokie wymagania technologii produkcji. Ponadto, gdy łopatki wirnika ulegną uszkodzeniu, nie można ich wymienić pojedynczo, co może spowodować złomowanie bliska, a technologia naprawy stanowi kolejny problem.

Produkcja tarcz wirnikowych

Obecnie stosuje się trzy główne technologie produkcji łopatek integralnych.

• Frezowanie CNC pięcioosiowe

Pięcioosiowe frezowanie CNC jest szeroko stosowane w produkcji tarcz ze względu na zalety szybkiej reakcji, wysokiej niezawodności, dobrej elastyczności przetwarzania i krótkiego cyklu przygotowania produkcji. Główne metody frezowania obejmują frezowanie boczne, frezowanie wgłębne i frezowanie cykloidalne. Kluczowe czynniki zapewniające sukces tarcz obejmują:

Obrabiarki pięcioosiowe o dobrych parametrach dynamicznych

Zoptymalizowane profesjonalne oprogramowanie CAM

Narzędzia i wiedza aplikacyjna poświęcona obróbce stopów tytanu/stopów wysokotemperaturowych

• Obróbka elektrochemiczna

Obróbka elektrochemiczna jest doskonałą metodą obróbki kanałów integralnych tarcz łopatkowych silników lotniczych. Istnieje kilka technologii obróbki w obróbce elektrochemicznej, w tym obróbka tulei elektrolitycznej, obróbka elektrolityczna konturów i obróbka elektrolityczna CNC.

Ponieważ obróbka elektrochemiczna wykorzystuje głównie rozpuszczanie metalu w elektrolicie na anodzie, część katody nie ulegnie uszkodzeniu podczas stosowania technologii obróbki elektrochemicznej, a na obrabiany przedmiot nie będą oddziaływać siły skrawania, ciepło obróbki itp. podczas obróbki, co zmniejsza naprężenia szczątkowe integralnego kanału łopatki silnika lotniczego po obróbce.

Ponadto, w porównaniu z frezowaniem pięcioosiowym, godziny pracy obróbki elektrochemicznej są znacznie skrócone i może być stosowana na etapach obróbki zgrubnej, półwykańczającej i wykańczającej. Nie ma potrzeby ręcznego polerowania po obróbce. Dlatego jest to jeden z ważnych kierunków rozwoju obróbki integralnych kanałów łopatek silników lotniczych.

• Spawanie

Ostrza są przetwarzane oddzielnie, a następnie spawane do tarczy ostrza za pomocą spawania wiązką elektronów, liniowego spawania ciernego lub próżniowego łączenia dyfuzyjnego w stanie stałym. Zaletą jest to, że można go używać do produkcji integralnych tarcz ostrzy z niespójnymi materiałami ostrza i tarczy.

Proces spawania ma wysokie wymagania dotyczące jakości spawania łopatek, co bezpośrednio wpływa na wydajność i niezawodność całego dysku łopatek silnika samolotu. Ponadto, ponieważ rzeczywiste kształty łopatek używanych w spawanym dysku łopatek nie są spójne, pozycje łopatek po spawaniu nie są spójne z powodu ograniczenia dokładności spawania, a do wykonania spersonalizowanego precyzyjnego frezowania CNC dla każdej łopatki wymagana jest technologia przetwarzania adaptacyjnego.

Ponadto spawanie jest bardzo ważną technologią w naprawie integralnych łopatek. Wśród nich liniowe spawanie cierne, jako technologia spawania w fazie stałej, charakteryzuje się wysoką jakością połączeń spawanych i dobrą powtarzalnością. Jest to jedna z bardziej niezawodnych i godnych zaufania technologii spawalniczych do spawania elementów wirnika silnika lotniczego o wysokim stosunku ciągu do masy.

Zastosowanie bliska

1. Silnik samolotu EJ200

Silnik samolotu EJ200 ma łącznie 3-stopniowe wentylatory i 5-stopniowe sprężarki wysokociśnieniowe. Pojedyncze łopatki są spawane do tarczy koła za pomocą wiązki elektronów, tworząc integralny dysk łopatkowy, który jest używany w wentylatorze 3. stopnia i sprężarce wysokociśnieniowej 1. stopnia. Integralny dysk łopatkowy nie jest spawany razem z wirnikami innych stopni, tworząc wielostopniowy integralny wirnik, ale jest połączony krótkimi śrubami. Ogólnie rzecz biorąc, jest to wczesny etap stosowania integralnych dysków łopatkowych.

2. Silnik turbowentylatorowy F414

W silniku turbowentylatorowym F414 2. i 3. stopień wentylatora 3-stopniowego oraz pierwsze 3 stopnie sprężarki wysokociśnieniowej 7. stopnia wykorzystują integralne łopatki, które są przetwarzane metodami elektrochemicznymi. Firma GE opracowała również wykonalną metodę naprawy. Na tej podstawie integralne łopatki 2. i 3. stopnia wentylatora są zespawane ze sobą, tworząc integralny wirnik, a 1. i 2. stopień sprężarki są również zespawane ze sobą, co dodatkowo zmniejsza wagę wirnika i poprawia trwałość silnika.

W porównaniu do EJ200, F414 stanowi duży krok naprzód w zakresie stosowania ostrzy integralnych.

3. Silnik F119-PW-100

Wentylator 3-stopniowy i sprężarka wysokociśnieniowa 6-stopniowa wykorzystują integralne łopatki, a łopatki wentylatora 1. stopnia są puste. Puste łopatki są przyspawane do tarczy koła poprzez liniowe spawanie cierne, tworząc integralną łopatkę, co zmniejsza wagę wirnika tego stopnia o 32 kg.

4. Silnik BR715

W dużych silnikach cywilnych stosowano również integralny dysk łopatkowy. Silnik BR715 wykorzystuje pięcioosiową technologię frezowania CNC do obróbki integralnego dysku łopatkowego, który jest używany w sprężarce doładowującej drugiego stopnia po wentylatorze, a przednie i tylne integralne dyski łopatkowe są zespawane ze sobą, tworząc integralny wirnik. Jest on używany w Boeingu 717.