Ключевая технология, передовая технология и базовая технология производства современных авиадвигателей

Соотношение тяги к весу и мощности к весу являются наиболее важными техническими индексами для измерения и оценки передовых характеристик авиадвигателей. Для достижения коэффициента тяги к весу двигателя более 10, авиадвигатель постоянно использует новые материалы и вводит новые структуры для снижения веса компонентов двигателя, при этом значительно увеличивая температуру перед турбиной. Это предъявляет более высокие технические требования к производству двигателей и способствует непрерывному появлению и развитию новых технологий в производстве авиадвигателей. Ряд ключевых технологий производства, разработанных для развития высокоэффективных авиадвигателей, станут или уже стали направлением развития передовых технологий производства. В данной статье рассматриваются ключевые технологии производства авиадвигателей с трех сторон: ключевая технология, перспективная технология и базовая технология. Ключевая технология производства необходима для разработки передового авиадвигателя. Технологии-тренды производства должны быть изучены для повышения эффективности производства и качества изготовления двигателя. Базовые технологии производства должны постепенно накапливаться и развиваться в процессе разработки двигателя и массового производства, представляя собой мягкую силу уровня технологий производства двигателей и производственной мощности.

Ключевая технология производства авиадвигателей

Технология производства лопатки турбины из одно kristалла

Температура перед турбиной современного авиадвигателя значительно увеличена, и температура перед турбиной двигателя F119 достигает 1900~2050K, а лопатки турбины, отливаемые традиционным способом, просто не могут выдерживать такую высокую температуру и даже могут расплавиться, что приведет к недостаточной эффективности работы. Однокристаллические лопатки турбины успешно решают проблему жаропрочности лопаток турбин двигателей с удельной тягой 10 ступеней. Отличная жаропрочность однокристаллических лопаток турбины в основном обусловлена тем, что в整個 лопатке содержится только один кристалл, тем самым устраняются дефекты в жаропрочных свойствах между зернами, вызванные поликристаллической структурой изотропных и定向 кристаллических лопастей.

Однокристальная турбинная лопатка является деталью двигателя с самым сложным производственным процессом, самым длительным циклом, самой низкой квалификацией и самыми строгими зарубежными ограничениями и монополией. Процесс производства однокристальных турбинных лопаток включает в себя прессовку сердечника, ремонт сердечника, спекание сердечника, проверку сердечника, совмещение сердечника и формы, заливку восковой формы, рентгеновский контроль восковой формы, измерение толщины стенки восковой формы, обработку восковой формы, комбинацию восковых форм, систему извлечения кристалла и заливочную гейт-комбинацию, удаление краски, очистку песка, сушку оболочки, удаление воска из оболочки, обжиг оболочки, заливку лопасти, однокристальное затвердевание, продувку оболочки, первичный контроль, флуоресцентный контроль, удаление сердечника, шлифовку, измерение ширины хорды, рентгеновский контроль лопасти, проверку рентгеновского снимка, профильный контроль, окончательную обработку лопасти, измерение толщины стенки лопасти и финальный контроль производственного процесса. Кроме того, необходимо завершить проектирование и изготовлениеinvestment casting формы для турбинной лопатки.

На данный момент только несколько стран мира, такие как США, Россия, Великобритания, Франция и Китай, могут производить одно kristallovy лопатки турбин. В последние годы в Китае были достигнуты значительные успехи в производстве одно kristallovy лопаток турбин. Были разработаны одно kristallovy лопатки турбин двигателей с отношением тяги к весу 10-го этапа, и массовое производство одно kristallovy лопаток высокоэнергетических турбовальных двигателей с высоким соотношением мощности к весу уже налажено.

Высокоэффективная, высоко точная и низкая стоимость технологии обработки интегрального диска с лопастями

Применение технологии интегрального лопастного диска способствует инновациям в конструкционном проектировании авиадвигателей и скачку в технологическом производстве, достигая цели снижения веса двигателя и повышения эффективности, а также улучшая надежность работы двигателя. При этом малая толщина лопасти, большая гибкость и высокоэффективный аэродинамический дизайн приводят к низкой жесткости лопасти, легкому деформированию и трудностям контроля; Узкий и глубокий воздушный канал между лопастями затрудняет реализацию технологии обработки лопастного диска. Материалы высокой прочности, такие как титановые сплавы и сверхлегкие сплавы, трудно поддаются резке и имеют низкую эффективность. В США и Великобритании в 1980-х годах начали применять новую монос缱дисковую технологию для новых двигателей, а в Китае моносdiskовая технология начала развиваться примерно с 1996 года.

Применение интегральной технологии лопасти-диска способствовало развитию технологий интеграции конструкции компонентов двигателя. Последовательно применялись тандемные интегральные лопастные диски с барабаном, лопастной диск с валом, комбинация диска-барабана-вала, закрытый лопастной диск с обручем, регулирующее статорное кольцо лопастного диска и комбинации двухступенчатых или многоступенчатых лопастных дисков в процессе разработки новых авиадвигателей. На основе осевого диска и центробежного рабочего колеса были разработаны диски с крупными и мелкими лопастями, а также косой поток котиледонного диска.

С момента применения монолитного лопастного диска в высокоэффективных авиадвигателях, технология производства монолитных лопастных дисков развивается и совершенствуется. На данный момент процесс обработки монолитных лопастных дисков включает в себя главным образом следующие 5 методов обработки: монолитный лопастной диск изготавливаемый методом точнойinvestment-литейной технологией по утраиванию восковых моделей, монолитный лопастной диск с electron beam сваркой, монолитный лопастной диск с электромеханической обработкой, монолитный лопастной диск с линейной трением сварки и монолитный лопастной диск обрабатываемый на пятикоординатном CNC станке.

Процесс обработки на пятикоординатном станке с ЧПУ для производства интегрального лопастного диска является самым ранним, широко применяемым в инженерной практике и технологически зрелым методом в процессе изготовления интегральных лопастных дисков отечественных авиадвигателей. Ключевыми аспектами развития и применения этой технологии являются технология фрезерования糟ов, симметричная спиральная строгальная обработка профиля лопасти, технология компенсации ошибок обработки передней и задней кромок лопасти, а также адаптивная технология обработки всего лопастного диска [1]. За рубежом двигатели T700, BR715 и турбонагнетательный этап двигателя EJ200 изготавливаются с использованием данного метода обработки. В Китае интегральные лопастные диски двигателей CJ1000A и WS500 также производятся с применением технологии пятикоординатной обработки на станках с ЧПУ. Рисунок 1 показывает первый этап интегрального лопастного диска высоконапорного компрессора коммерческого авиадвигателя, изготовленного в Китае.

Технология производства полых лопастей

Вентилятор турбовентиляторного двигателя находится далеко от камеры сгорания, и тепловая нагрузка низкая, но требования современного авиадвигателя к его аэродинамической эффективности и способности предотвращать повреждение от посторонних предметов постоянно提高. Высокопроизводственный авиадвигательный вентилятор использует широкие хорды, без плеча и с полой вентиляторной лопастью.

Пустотелый вентиляторный лопасти треугольной ферменной структуры, разработанной компанией Luo Luo, является улучшением оригинального пчелиного сотообразного сэндвич-лопастного профиля. Компания Luo Luo называет его вторым поколением пустотелых вентиляторных лопастей. Процесс заключается в использовании комбинированного метода сверхпластического формирования/диффузионной связи (SPF/DB), чтобы превратить трехслойную титановую пластину в широкострунную пустотелую вентиляторную лопасть. Пустотелая часть лопасти представляет собой треугольную ферменную структуру, которая уже используется на двигателях Trent самолетов Boeing 777 и A330. В Китае также достигнут прорыв в технологии производства пустотелых вентиляторных лопастей треугольной ферменной структуры (Рисунок 2 показывает пустотелую вентиляторную лопасть и внутреннюю треугольную структуру), но для удовлетворения инженерных требований необходимо провести много исследовательской работы по прочности, вибрации, усталости и оптимизации процесса.

Процесс производства полой лопасти происходит следующим образом: Прежде всего, необходимо подготовить 3 титановых сплавных пластины и разместить их в верхнем, среднем и нижнем слоях. Средний слой является основной пластиной, верхний и нижний слои — это пластинки листового бассейна и задней стороны лопасти соответственно. Затем, после удаления масла и травления, три титановые сплавные пластины образуют вентиляторные полые лопасти через такие процедуры, как проверка покрытия флюса промежуточного слоя, сварка титановых пластин, нагрев формы, аргоновая очистка, диффузионное соединение, суперпластическая формовка, охлаждение в печи, мойка поверхности, обработка корня лопасти и кромок впуска и выпуска, проверка лопасти и другие процессы [2] суперпластической формовки/диффузионного соединения (SPF/DB).

Технология производства высокоточных подшипников

Подшипник является одним из ключевых компонентов авиадвигателя. Подшипник работает на высоких скоростях в десятки тысяч об/мин длительное время, выдерживая огромную центробежную силу от высокоскоростного вращения ротора двигателя, а также различные виды сжимающих напряжений, трения и сверхвысокой температуры. Качество и характеристики подшипников напрямую влияют на производительность двигателя, его долговечность, надежность и безопасность полета. Разработка и производство высокоэффективных подшипников тесно связаны с междисциплинарными исследованиями в области контактной механики, теории смазки, трибологии, усталости и повреждений, термообработки и материаловедения, а также требуют решения множества технических проблем в проектировании, материалах, производстве, технологическом оборудовании, испытаниях и контроле, смазочных материалах и системах смазки.

На данный момент исследования, разработки, производства и продаж высокоточных подшипников практически полностью монополизированы предприятиями по производству подшипников западных стран, такими как Timken, NSK, SKF и FAG. Технология производства авиадвигателей в Китае отстает, а производственные能力和 уровень развития китайских предприятий по производству подшипников не могут в краткосрочной перспективе обеспечить высокоточные подшипники для современных авиадвигателей. Подшипник стал "Эверестом", который трудно преодолеть в разработке авиадвигателей Китая, что значительно ограничивает развитие высокоэффективных авиадвигателей в Китае.

Технология производства порошкового турбинного диска

Турбинный диск авиадвигателя подвергается воздействию высокой температуры и высокого напряжения, тяжелым условиям работы, сложному процессу производства и техническим трудностям, что сделало его одной из проблем в разработке двигателей в Китае. Порошковые сверхлегкие сплавы широко используются в высокоэффективных авиадвигателях за рубежом благодаря их отличным механическим свойствам и хорошим характеристикам при горячем и холодном обработке. Производство порошкового турбинного диска включает ряд ключевых технологий производства, таких как разработка материалов, плавка основного сплава, подготовка и обработка порошка, горячее изостатическое прессование, изотермическая ковка, термическая обработка и высокоточное обнаружение и оценка и т.д. Это несет в себе ключевые технологии производства, необходимые для изготовления современных авиадвигателей. Тенденция зарубежных исследований по порошковому турбинному диску заключается в развитии от высокопрочного турбинного диска к диску, устойчивому к повреждениям, с точки зрения эксплуатационных характеристик, а также процесса получения сверхчистого мелкодисперсного порошка. Помимо горячего изостатического прессования, также развиваются процессы экструзионного формования и изотермической ковки. В Китае Институт авиационных материалов в Пекине разработал различные порошковые турбинные диски для авиадвигателей, что решило ключевые проблемы производства передовых порошковых турбинных дисков для авиадвигателей, но проблема инженерного производства порошковых турбинных дисков еще не решена полностью.

Технология производства композитных материалов

Технология композитных материалов широко применяется в высокопроизводительных авиадвигателях. Для удовлетворения потребностей разработки двигателя LEAP, компания Sniema использует технологию трехмерного плетения с передачей смолы (RTM) для производства композитных обечайек вентилятора и композитных лопастей вентилятора. Детали двигателя LEAP, изготовленные по технологии RTM, обладают высокой прочностью, а их масса составляет всего половину массы деталей из титанового сплава той же конструкции. В процессе разработки двигателя F119 компания Pratt & Whitney разработала непрерывные волокна SiC, укрепленные титановой матрицей, для широких лопастей вентилятора. Этот вид композитной лопасти обладает свойствами высокой жесткости, легковесности и ударостойкости, и называется третьим поколением широких лопастей вентилятора. Все три ступени ротора вентилятора турбореактивного двигателя F119 изготовлены из этого материала. В Китае технология производства композитных материалов также нашла применение в производстве авиадвигательных деталей, и значительный прогресс достигнут в создании саморасплавляемых алюминиевых матричных композитных лопастей вентилятора, укрепленных частицами TiB2. Однако эффективная обработка лопастей, укрепление обрабатываемой поверхности, противодействие усталости и защита от повреждений посторонними предметами являются ключевыми проблемами для реализации инженерных исследований применения этих материалов.