Ключевые технологии, горячие технологии и базовые технологии производства современных авиационных двигателей Россия

Соотношение тяги к весу и соотношение мощности к весу являются наиболее важными техническими индексами для измерения и оценки передовой природы авиационных двигателей. Для того чтобы добиться соотношения тяги к весу двигателя более 10, авиационный двигатель постоянно использует новые материалы и внедряет новые конструкции для снижения веса компонентов авиационного двигателя, при этом значительно увеличивая температуру передней части турбины двигателя. Это выдвигает более высокие технические требования к производству двигателей и способствует постоянному появлению и развитию новых технологий в производстве авиационных двигателей. Ряд ключевых производственных технологий, разработанных для разработки высокопроизводительных авиационных двигателей, станут или стали направлением развития передовых производственных технологий. В этой статье представлена ​​ключевая технология производства авиационного двигателя с трех сторон: ключевая технология, горячая технология и базовая технология. Ключевая производственная технология является необходимой технологией для разработки передового авиационного двигателя. Технология горячих точек производства является технологией, которую необходимо изучить для повышения эффективности производства и качества производства двигателя. Базовая производственная технология — это технология, которая должна постепенно накапливаться и развиваться при разработке и массовом производстве двигателей, и представляет собой мягкую силу уровня технологии производства двигателей и производственных мощностей.

Ключевые технологии производства авиационных двигателей

Технология изготовления монокристаллической турбинной лопатки

Температура передней части турбины современного авиационного двигателя значительно возросла, а температура передней части турбины двигателя F119 достигает 1900~2050 К, и лопатки турбины, отлитые традиционным способом, просто не могут выдерживать такую ​​высокую температуру и даже расплавятся и не смогут эффективно работать. Лопатки турбины из монокристалла успешно решают проблему стойкости к высоким температурам лопаток турбин двигателей с отношением тяги к весу 10 ступеней. Превосходная стойкость лопаток турбины из монокристалла к высоким температурам в основном зависит от того, что во всей лопатке есть только один кристалл, тем самым устраняя дефекты в высокотемпературных характеристиках между границами зерен, вызванные поликристаллической структурой лопаток из равноосного и направленного кристалла.

Лопатка турбины из монокристалла — это деталь двигателя с самым большим производственным процессом, самым длинным циклом, самой низкой ставкой квалификации и самой строгой иностранной блокадой и монополией. Процесс изготовления лопаток турбины из монокристалла включает прессование сердечника, ремонт сердечника, спекание сердечника, проверку сердечника, соответствие сердечника и формы, впрыскивание восковой формы, проверку восковой формы X Light, определение толщины стенки восковой формы, отделку восковой формы, комбинацию восковой формы, систему извлечения кристаллов и комбинацию заливочного литника, удаление песка из краски, сушку оболочки, депарафинизацию оболочки, обжиг оболочки, заливку листа, затвердевание монокристалла, выдувание оболочки, начальную проверку, флуоресцентную проверку, удаление сердечника, шлифовку, измерение ширины хорды, рентгеновскую проверку лопатки, рентгеновскую проверку пленки, профильную проверку, очищенную лопатку, определение толщины стенки лопатки и окончательную проверку производственного процесса. Кроме того, необходимо завершить проектирование и изготовление литейной формы для литья лопаток турбины.

В настоящее время только несколько стран в мире, такие как США, Россия, Великобритания, Франция и Китай, могут производить монокристаллические турбинные лопатки. В последние годы в производстве монокристаллических турбинных лопаток в Китае достигнут большой прогресс. Разработаны монокристаллические турбинные лопатки 10-ступенчатых двигателей с тяговооруженностью, а монокристаллические турбинные лопатки турбовальных двигателей с высокой удельной мощностью производятся серийно.

Высокоэффективная, высокоточная и недорогая технология обработки цельного лезвийного диска

Применение технологии интегральных лопаточных дисков способствует инновациям в проектировании конструкции авиадвигателя и скачку производственного процесса, реализует цель снижения веса двигателя и повышения эффективности, а также повышает надежность работы двигателя. В то же время, тонкая толщина лопатки, большой изгиб и высокоэффективная пневматическая конструкция, что приводит к плохой жесткости лопатки, легкой деформации и трудноуправляемым проблемам; узкий и глубокий канал воздушного потока между лопатками делает реализацию технологии обработки лопаточного диска плохой. Высокопрочные материалы, такие как титановый сплав и суперсплав, трудно резать и имеют низкую эффективность. Соединенные Штаты и Великобритания в 1980-х годах начали применять новую технологию монолитных дисков двигателя, китайская технология монолитных дисков началась около 1996 года.

Применение технологии интегральных лопаток-дисков способствовало развитию технологии интеграции структуры компонентов двигателя. Тандемная интегральная лопатка-диск с барабаном, лопаточный диск с валом, комбинация барабана и вала диска, закрытый лопаточный диск с обручем, лопаточный диск с выпрямительным статорным кольцом и двухступенчатая или многоступенчатая комбинация лопаточного диска были успешно применены при разработке новых авиационных двигателей. На основе диска с осевым потоком и центробежного рабочего колеса разработаны большой и малый диск лопаточной структуры и диск с косым потоком семядолей.

С тех пор как монолитный диск лопатки был применен в высокопроизводительных авиационных двигателях, технология изготовления монолитного диска лопатки развивалась и совершенствовалась. В настоящее время процесс обработки монолитного диска лопатки в основном включает в себя следующие 5 видов методов обработки: прецизионное литье по выплавляемым моделям монолитного диска лопатки, электронно-лучевая сварка монолитного диска лопатки, электрохимическая обработка монолитного диска лопатки, линейная сварка трением монолитного диска лопатки и обработка монолитного диска лопатки на пятикоординатном станке с ЧПУ.

Процесс изготовления цельного листового диска с пятикоординатной обработкой на станке с ЧПУ является самым ранним, самым широким инженерным применением и высокой технической зрелостью в отечественном процессе изготовления цельного листового диска для авиадвигателей. Среди них ключом к разработке и применению этой технологии является технология прорезки и прорезки, технология отделки профиля лопатки симметричным спиральным фрезерованием, технология компенсации погрешности обработки передней и задней кромки лопатки и технология адаптивной обработки всего профиля диска лопатки [1]. Зарубежный двигатель T700, ступень усилителя двигателя BR715, цельный диск лопатки двигателя EJ200, использующие этот метод обработки и изготовления, китайские CJ1000A, WS500 и другие цельные диски лопаток авиационных двигателей также используют технологию пятикоординатной обработки с ЧПУ. На ФИГ. 1 показан первый этап цельного диска лопатки компрессора высокого давления коммерческого авиадвигателя, произведенного в Китае.

Технология изготовления полых лезвий

Вентилятор турбовентиляторного двигателя находится далеко от камеры сгорания, а тепловая нагрузка низкая, но требования к аэродинамической эффективности и способности предотвращать повреждение посторонними предметами современных авиационных двигателей постоянно повышаются. Высокопроизводительный вентилятор авиационного двигателя использует широкую хорду, отсутствие плеча и полую лопатку вентилятора.

Полая лопатка вентилятора треугольной ферменной конструкции, разработанная компанией Luo Luo Company, является усовершенствованием оригинальной сотовой сэндвич-лопасти. Компания Luo Luo Company называет ее полой лопаткой вентилятора второго поколения. Процесс заключается в использовании метода комбинированного процесса сверхпластичного формования/диффузионного соединения (SPF/DB) для превращения трехслойной пластины из титанового сплава в широкую хорду полой лопатки вентилятора. Полая часть лопатки представляет собой треугольную ферменную конструкцию, которая уже используется в двигателях Trent самолетов Boeing 3 и A777. Технология изготовления полой лопатки вентилятора треугольной ферменной конструкции в Китае также совершила прорыв (на рисунке 330 показана полая лопатка вентилятора и внутренняя треугольная конструкция), но для того, чтобы соответствовать инженерному применению, необходимо провести много исследований прочности, вибрации, усталости и оптимизации процесса.

Процесс изготовления полой лопатки выглядит следующим образом: прежде всего, необходимо подготовить 3 пластины из титанового сплава и разместить их в верхнем, среднем и нижнем слоях, средний слой - это основная пластина, верхний и нижний слои - это пластина таза и задняя пластина листа соответственно. Затем полые лопатки вентилятора формируются из трех пластин из титанового сплава после удаления масла и травления, покрытия промежуточного слоя с проверкой флюса, сварки титановой пластины, нагрева формы, очистки аргоном, диффузионного соединения, сверхпластического формования, охлаждения в печи, промывки поверхности, обработки корня лопатки и входной и выходной кромки, проверки лопатки и других процедур [2] сверхпластическое формование/диффузионное соединение (SPF/DB).

Передовая технология производства подшипников

Подшипник является одним из ключевых компонентов авиационного двигателя, подшипник в высокоскоростных десятках тысяч об/мин работает в течение длительного времени, но также выдерживает высокоскоростное вращение ротора двигателя огромной центробежной силы и различные формы экструзионного напряжения, трения и сверхвысокотемпературного воздействия. Качество и эксплуатационные характеристики подшипников напрямую влияют на производительность двигателя, срок службы, надежность и безопасность полета. Разработка и производство высококачественных подшипников тесно связаны с междисциплинарными исследованиями контактной механики, теории смазки, трибологии, усталости и повреждений, термической обработки и организации материалов и т. д., а также должны решать большое количество технических проблем в области проектирования, материалов, производства, производственного оборудования, испытаний и испытаний, смазки и смазывания.

В настоящее время исследования и разработки, производство и продажа высококачественных подшипников в основном монополизированы подшипниковыми производственными предприятиями в западных странах, такими как Timken, NSK, SKF и FAG. Технология производства авиационных двигателей в Китае отсталая, а производственные мощности и уровень развития отечественных предприятий по производству подшипников не могут обеспечить высококачественные подшипники, подходящие для современных авиационных двигателей в краткосрочной перспективе. Подшипники стали «горой Эверест», которую трудно преодолеть в китайских исследованиях и разработках авиационных двигателей, что значительно ограничивает разработку высокопроизводительных авиационных двигателей в Китае.

Технология изготовления порошкового турбинного диска

Турбинный диск авиационного двигателя подвергается наложению высокой температуры и высокого напряжения, суровых условий работы, сложного процесса подготовки и технических трудностей, что стало одной из трудностей в разработке двигателей в Китае. Порошковые суперсплавы широко используются в высокопроизводительных авиационных двигателях в зарубежных странах из-за их превосходных механических свойств и хороших характеристик термического и холодного процесса. Производство порошкового турбинного диска включает в себя ряд ключевых производственных технологий, таких как разработка материала, плавка лигатуры, подготовка и обработка порошка, горячее изостатическое прессование, изотермическая ковка, термическая обработка, высокоточное обнаружение и оценка и т. д. Он несет в себе ключевую производственную технологию, необходимую для передового производства авиационных двигателей. Тенденция зарубежных исследований порошкового турбинного диска заключается в развитии от высокопрочного турбинного диска до стойкого к повреждениям турбинного диска с точки зрения эксплуатационных характеристик, а также процесса измельчения до сверхчистого мелкодисперсного порошка. Помимо горячего изостатического прессования, также разрабатываются процессы экструзионного формования и изотермической ковки. В Китае Пекинский институт авиационных материалов разработал ряд порошковых дисков турбин для авиационных двигателей, что решило основные технические проблемы производства современных порошковых дисков турбин для авиационных двигателей, однако проблема проектирования и производства порошковых дисков турбин полностью не решена.

Технология производства композитных материалов

Технология композитных материалов широко используется в высокопроизводительных авиационных двигателях. Для удовлетворения потребностей разработки двигателя LEAP компания Sniema применяет технологию 3D-литья под давлением смолы (RTM) для производства композитных корпусов вентиляторов и композитных лопаток вентиляторов. 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 армированные волокном SiC композитные широкохордные лопатки вентилятора с титановой матрицей. Этот вид композитных лопаток обладает свойствами высокой жесткости, легкости и ударопрочности и называется широкохордной лопаткой вентилятора третьего поколения. Все роторы трехступенчатых вентиляторов турбовентиляторного двигателя F119 изготовлены из этого материала. В Китае технология производства композитных материалов также применяется при производстве деталей авиационных двигателей, и алюминиевые композитные лопатки вентилятора с матрицей из расплавленного автогенного TiB3 достигли большого прогресса. Однако эффективная обработка лопасти вентилятора из композитного материала с алюминиевой матрицей, армированного частицами TiB2, упрочнение поверхности обработки, противоусталостные характеристики и технология защиты от повреждений посторонними предметами являются ключевыми и сложными для реализации техническими исследованиями применения этого материала для лопасти вентилятора.