Tehnologia cheie, tehnoaga caldă și tehnologia de bază a fabricației motoarelor aero cu avansare

Raportul forței de tracțiune la greutate și raportul puterii la greutate sunt cele mai importante indicii tehnice pentru a măsura și evalua nivelul de avansare al motorilor aerodinamici. Pentru a urmări ca raportul forței de tracțiune la greutate al motorului să depășească 10, motorul aerodynamic utilizează în mod continuu materiale noi și introduc structuri noi pentru a reduce greutatea componentelor motorului, în timp ce crește semnificativ temperatura turbinei motorului la fațada anterioară. Acest lucru pune în aplicare cereri tehnice mai mari pentru fabricarea motorului și promovează apariția și dezvoltarea continuă a unor noi tehnologii în fabricarea motorului aerodynamic. O serie de tehnologii cheie dezvoltate pentru progresul motorului aerodynamic de performanță ridicată devine sau s-au transformat deja în direcția dezvoltării tehnologiilor de fabricație avansate. Această lucrare prezintă tehnologia cheie de fabricație a motorului aerodynamic din trei perspective: tehnologie cheie, tehnologie populară și tehnologie de bază. Tehnologia cheie de fabricație este tehnologia necesară pentru dezvoltarea motorului aerodynamic avansat. Tehnologia de fabricație populară este o tehnologie care trebuie studiată pentru a îmbunătăți eficiența și calitatea fabricației motorului. Tehnologia de bază de fabricație este tehnologia care ar trebui să fie acumulată și dezvoltată treptat în dezvoltarea și producerea în masă a motorului, reprezentând forța moale a nivelului de tehnologie de fabricație și capacitatea de producție a motorului.

Tehnologia cheie a fabricării motorului aero

Tehnologia de fabricație a palei turbine din cristal unic

Temperatura frontală a turbinei motorului aero modern este considerabil crescută, iar temperatura frontală a turbinei motorului F119 ajunge la 1900~2050K, iar palele turbine castigate prin procedura tradițională pur și simplu nu pot rezista unei temperaturi atât de mari, risicând chiar să se topesc și să nu mai funcționeze eficient. Palele turbine din cristal unic reușesc să soluționeze problema rezistenței la înălțimea temperaturii pentru palele turbine ale motorilor cu un raport sarcină-propulsie de 10 etape. Excelența lor în ceea ce privește rezistența la temperaturi ridicate derivă în principal din faptul că există doar un singur cristal în întreaga pală, eliminând astfel defecțiunile legate de performanța la temperaturi ridicate între granițele de granul cauzate de structura policrostală a palelor turbine echiaxiale și cu cristal direcțional.

Lama turbină monocristalină este piesa motorului cu cel mai mare proces de fabricație, cel mai lung ciclu, cea mai mică rată de calificare și cele mai stricte blocări și monopole străine. Procesul de fabricație al laminilor turbină monocristaline include presarea nucleului, repararea nucleului, sinterizarea nucleului, inspecțiunea nucleului, potrivirea nucleului cu moldura, injecția moldului de ceară, inspecția X a moldului de ceară, detectarea grosimii zidurilor moldului de ceară, ajustarea moldului de ceară, combinarea moldurilor de ceară, combinarea sistemului de extracție a cristalului și a portiunii de turnare, eliminarea pintecului, uscarea coșelui, dezvaxarea coșelui, prăjirea coșelui, turnarea frunzelor, solidificarea monocristalină, suflarea coșelui, inspecția inițială, inspecția fluorescentă, eliminarea nucleului, lichidarea, măsurarea lățimii coardei, inspecția cu raze X a lamei, inspecția filmului cu raze X, inspecția profilului, refinarea lamei, detectarea grosimii zidurilor lamei și verificarea finală a procesului de fabricație. În plus, este necesar să se finalizeze proiectarea și fabricația moldurilor de injectare pentru lamina turbină.

În prezent, doar câteva țări din lume, cum ar fi Statele Unite, Rusia, Marea Britanie, Franța și China, pot produce lame de turbină monocristale. În ultimii ani, s-a înregistrat un progres semnificativ în producerea lamelor de turbină monocristale în China. S-au dezvoltat lame de turbină monocristale pentru motoare cu raport thrust-to-weight de stagiu 10, iar lamele de turbină monocristale pentru motoare turboshaft cu putere mare și greutate mică sunt acum produse în masă.

Tehnologia de machetare cu eficiență ridicată, precizie înaltă și costuri reduse a discului cu lame integrale

Aplicarea tehnologiei de disc cu pălări integrale promovează inovația în proiectarea structurii motorului aerodinamic și săritura procesului de fabricație, realizând scopul reducerii greutății motorului și creșterii eficienței, precum și îmbunătățirea fiabilității funcționării motorului. În același timp, grosimea mică a pălărilor, curburile mari și proiectarea aerodinamică de înaltă eficiență determină o rigiditate slabă a pălărilor, deformări ușoare și probleme dificil de controlate; canalul de curent aerodynamic îngust și adânc dintre pălări face ca tehnologia de prelucrare a discului cu pălări să fie dificil de realizat. Materialele de înaltă putere, cum ar fi aliajul de titan și superaliajele sunt dificil de tăiat și au o eficiență redusă. Statele Unite și Marea Britanie au început să aplice tehnologia de disc monobloc pentru motoare noi în anii 1980, iar tehnologia de disc monobloc a Chinei a început aproximativ în 1996.

Aplicarea tehnologiei de lamă-discul integral a promovat dezvoltarea tehnologiei de integrare a structurii componentelor motorului. Discurile integrale cu lame în serie cu trunchiul, discul cu lame cu axă, combinația de disc-trunchi-axă, discul cu lame închis cu inel, discul cu lame al rotoarei redresatoare și statorul, precum și combinațiile de discuri cu lame pe două sau mai multe etape au fost aplicate succesiv în dezvoltarea motorilor aerodinamici noi. Pe baza discului axial și a turbinii centrifugale, s-au dezvoltat discurile cu structură de lame mari și mici și discul cu cotiledon oblic.

De când s-a aplicat discul monolitic cu lame în motoarele aeroespțiale de înaltă performanță, tehnologia de fabricație a discului monolitic cu lame s-a dezvoltat și a fost îmbunătățită. În prezent, procesul de prelucrare al discului monolitic cu lame include în principal următoarele 5 metode de procesare: discul monolitic cu lame obținut prin fundarea precisă cu ceară pierdută, discul monolitic cu lame vopsit cu electroni, discul monolitic cu lame obținut prin machetarea electrochimică, discul monolitic cu lame vopsit prin frecare liniară și discul monolitic cu lame prelucrat pe mașina CNC cu cinci axe de coordonate.

Procesul de fabricație cu mașinărie CNC cu cinci coordonate pentru discul integral cu frunze este cel mai vechi, cu cea mai largă aplicare în inginerie și cu un grad ridicat de maturitate tehnică în procesul de fabricație a discului integral cu frunze al motorului aerian domestic. Printre acestea, cheia dezvoltării și aplicării acestei tehnologii constă în tehnologia de decupaj și decupaj, tehnologia de polire spirală simetrică a profilului lamei, tehnologia de compensare a erorilor de machetare a marginilor anterioare și posterioare ale lamei și tehnologia de machetare adaptivă a profilului întregului disc cu frunze [1]. Motoarele străine T700, etapa de compresie a motorului BR715, discul integral cu frunze al motorului EJ200 sunt fabricate folosind această metodă de prelucrare. De asemenea, motoarele aerodinamice CJ1000A și WS500 chinezești folosesc tehnologia de machetare CNC cu cinci coordonate pentru fabricarea discului integral cu frunze. Figura 1 arată primul disc integral cu frunze al compresorului de presiune ridicată al motorului aerian comercial fabricat în China.

Tehnologia de fabricație a lamei goale

Ventilatorul motorului turbofan se află la o distanță considerabilă de cameră de combustie, iar sarcina termică este redusă, dar cerințele motoarelor aeroportate avansate privind eficiența aerodinamică și capacitatea de a preveni daunele cauzate de obiecte străine se îmbunătățesc în mod constant. Ventilatorul motorului aeroportat de performanță ridicată utilizează lame fără umplutură, fără umeri și goale.

Lama vidă a structurii de trus triunghiulară dezvoltată de compania Luo Luo reprezintă o îmbunătățire a lamei originale cu straturi de alveoluri. Compania Luo Luo o numește a doua generație a lamei fan goale. Procesul constă în utilizarea metodei combinate de formare superplastică/diferență de legare (SPF/DB) pentru a transforma placa de aliaj de titan stratificată într-o lamă de ventilator goală cu coardă largă. Partea goală a lamei are o structură de trus triunghiulară, care este deja folosită pe motoarele Trent ale avioanelor Boeing 777 și A330. Tehnologia de fabricație a lamei fan goale cu structură de trus triunghiulară din China a făcut, de asemenea, progrese (Figura 2 aratălama fan goală și structura internă triunghiulară), dar pentru a satisface cerințele de aplicare ingineristică, trebuie să se efectueze multe lucrări de cercetare privind rezistența, vibrații, oboșuirea și optimizarea procesului.

Procesul de fabricație al lamei goale este următorul: În primul rând, sunt necesare 3 plăci de aliaj de titan, care trebuie așezate în straturile superior, medial și inferior, stratul medial fiind placa centrală, iar straturile superioară și inferioară fiind placa bazinului de frunză și respectiv placa din spate al frunzei. Apoi, lama goală a ventilatorului este formată prin trei plăci de aliaj de titan după eliminarea uleiului și decapajul, verificarea stratului intermediar cu flux, sudarea plăcilor de titan, încălzirea formei, purificarea cu argon, conexiunea prin difuzie, formarea superplastică, răcirea cu cuptina, spălarea suprafeței, prelucrarea rădăcinii frunzei și a marginilor de intrare și ieșire, inspectarea lamei și alte proceduri [2] formare super plastică/difuzare conexiune (SPF/DB).

Tehnologia de fabricație a țesuturilor de sus

Roata de sprijin este una dintre componentele cheie ale motorului aerian, rota functionând la viteze ridicate de mai multe zeci de mii de RPM pe o perioadă lungă de timp, dar și suportând forța centrifugă masivă generată de rotația rapidă a rotorului motorului și diverse forme de stresuri de presiune, frecare și efectele temperaturilor ultra-eleve. Calitatea și performanța rotilor de sprijin afectează direct performanța motorului, durata de viață, fiabilitatea și siguranța zborului. Dezvoltarea și producerea rotilor de sprijin avansate sunt strâns legate de cercetarea interdisciplinară în domeniile mecanicii de contact, teoriei lubrificării, tribologiei, obezității și avariei, tratării termice și structurii materialelor, și trebuie să soluționeze o mulțime de probleme tehnice legate de proiectare, materiale, fabricare, echipamente de productie, testare și control, grase și lubrificanți.

În prezent, cercetarea și dezvoltarea, fabricarea și vânzarea țeperilor de înaltă performanță sunt de bază monopolizate de întreprinderi fabricante de țepere din țările occidentale, cum ar fi Timken, NSK, SKF și FAG. Tehnologia de fabricație a motorului avionului chinez este înapoiață, iar capacitatea de producție și nivelul de dezvoltare al întreprinderilor fabricante locale de țepere nu pot oferi țepere de înaltă performanță potrivite pentru motoarele avionului avansat într-un termen scurt. Țeapa s-a transformat în "Mount Everest" care este dificil de trecut în cadrul cercetării și dezvoltării motoarelor avionului chinez, ceea ce restricționează semnificativ dezvoltarea motorilor avionului cu performanță ridicată din China.

Tehnologia de fabricație a discului turbină din pudră

Discul de turbină al motorului cu reacție este supus unei superpoziții dintre temperaturi ridicate și stresuri mari, condiții de lucru grele, un proces complex de pregătire și dificultăți tehnice, ceea ce l-a făcut una dintre dificultățile în dezvoltarea motorului în China. Superaloii în formă de praf sunt folosiți pe scară largă în motoarele aeroportate de performanță ridicată din străinătate datorită proprietăților mecanice excelente și performanței bune în procesarea termică și rece. Fabricarea discului de turbină în formă de praf include o serie de tehnologii cheie de fabricație, cum ar fi dezvoltarea materialelor, topirea legurii principale, pregătirea și tratarea prafurilor, presarea izostatică la căldură, forjarea izotermă, tratamentul termic și detectarea și evaluarea cu precizie mare, etc. Aceasta reprezintă tehnologia de fabricație esențială pentru producerea motoarelor aeroportate avansate. Tendința cercetării străine privind discul de turbină în formă de praf este să se evolueze de la discul de turbină de înaltă putere la discul de turbină rezistent la daune în ceea ce privește performanța de serviciu, iar procesul de pulverizare spre praf ultra-pur și fin. Pe lângă presarea izostatică la căldură, sunt dezvoltate și procedee de formare prin extrudare și forjare izotermă. În China, Institutul de Cercetare al Materialelor Aeronautice din Beijing a dezvoltat o varietate de discuri de turbină în formă de praf pentru motoare aeroportate, care a rezolvat problemele tehnice cheie ale fabricației discului de turbină în formă de praf pentru motoare avansate, dar problema fabricației ingineristice a discului de turbină în formă de praf nu a fost încă rezolvată complet.

Tehnologia de fabricație a materialului compozit

Tehnologia materialului compozit a fost folosită în mod extensiv în motoarele aeroespțiale de înaltă performanță. Pentru a satisface nevoile dezvoltării motorului LEAP, Sniema adoptă tehnologia de modelare prin transfer de rezină (RTM) 3D textilă pentru a fabrica carcasele compozite ale ventilatorului și lamele compozite ale ventilatorului. Părți ale motorului LEAP fabricate cu tehnologia RTM au o putere ridicată, iar masa este doar jumătate din masa pieselor de aliaj de titan cu aceeași structură. În procesul de dezvoltare al motorului F119, Pratt & Whitney a dezvoltat lame large cord cu matrice de titan reforțat cu fibre continue de SiC. Acest tip de lamă compozită are proprietățile de rigiditate mare, greutate mică și rezistență la impact, fiind denumită a treia generație de lame large cord ale ventilatorului. Toți rotorii de 3 etape ai ventilatorului motorului turbofan F119 sunt fabricați din acest material. În China, tehnologia de fabricație a materialului compozit a fost de asemenea aplicată în fabricarea pieselor motoarelor aeronautice, iar lamele de ventilator reforțate cu particule autogene TiB2 din aliaj de aluminiu au înregistrat progrese semnificative. Dar prelucrarea eficientă a laminilor de ventilator reforțate cu particule TiB2, consolidarea suprafeței de prelucrare, performanța anti-oboare și tehnologia de rezistență la daune cauzate de obiecte străine sunt cheia și dificultatea principală pentru realizarea studiului ingineresc al aplicației acestei materiale.