Ključna tehnologija, vruća tehnologija i osnovna tehnologija napredne proizvodnje aerodromskih motora

Odnos jačine do težine i odnos snage do težine su najvažniji tehnički indeksi za merenje i procenu naprednosti aviokotačnih motora. Da bi se postigao odnos jačine do težine motora preko 10, aviokotačni motor neprestano koristi nove materijale i uvozi nove strukture kako bi smanjio težinu komponenti motora istovremeno što znatno povećava temperaturu ispred turbine motora. Ovo stavlja više tehničke zahteve na proizvodnju motora i podstiče neprestano pojavljivanje i razvoj novih tehnologija u proizvodnji aviokotačnih motora. Serija ključnih proizvodnih tehnologija razvijenih za potrebe visoko performantnih aviokotačnih motora postaće ili su već postale smerovi razvoja napredne proizvodne tehnologije. U ovom radu se predstavlja ključna proizvodna tehnologija aviokotačnog motora iz tri aspekta: ključna tehnologija, vruća tehnologija i osnovna tehnologija. Ključna proizvodna tehnologija je neophodna tehnologija za razvoj naprednog aviokotačnog motora. Proizvodna tehnologija trenutnih fokusnih tačaka je tehnologija koju je neophodno proučavati kako bi se poboljšala efikasnost i kvalitet proizvodnje motora. Osnovna proizvodna tehnologija je tehnologija koja treba postepeno da se akumulira i razvija tokom razvoja motora i masovne proizvodnje, a predstavlja meku snagu nivoa i kapaciteta tehnologije proizvodnje motora.

Ključna tehnologija proizvodnje aerodinamičkog motora

Tehnologija proizvodnje jednoštalnog turbinskog lopatica

Temperatura na ulazu u turbinu savremenog aerodinamičkog motora je znatno povećana, a temperatura na ulazu u turbinu motora F119 iznosi do 1900~2050K. Lopatići odlepljeni tradicionalnim postupkom jednostavno ne mogu da izdrže takvu visoku temperaturu i čak će biti topljeni i neće moći da rade učinkovito. Jednoštalni turbinski lopatići uspešno reše problem otpornosti na visoke temperature turbinskih lopatića motora sa omjerom jačine na težinu desetog reda. Izvrstan otpor na visoke temperature jednoštalnih turbinskih lopatića uglavnom zavisi od činjenice da u celom lopaticu ima samo jedan kristal, što time eliminuјe defektnost u performansama na visokim temperaturama između granica zrnanja uzrokovane polikristalnom strukturom ekvialeksnih i direkciono kristalnih lopatića.

Jednokrystalna turbinска лопатка је део мотора са највиše процеса у изради, најдужим циклусом, најнижом стопом квалификације и најстрожим спољашњим блокадом и монополом. Процес израде jednokrystalnih турбинских лопатака укључује притисак језгра, исправу језгра, спајање језгра, проverу језгра, упаривање језгра и мање, инјекцију ваксенске мање, рентгенску проверу ваксенске мање, детекцију дебљине зида ваксенске мање, обраду ваксенске мање, kombinovanje ваксенских мањи, kombinovanje система за изvlaчeње кристала и отпливавање, смањивање барве, чишћење језгра, сушење језгра, извлачење вакса из језгра, пећење језгра, отпливавање листова, једнокрсталну solidifikaciju, флуоресцентну проверу, изvlaчeњe језгра, шлифовање, мерење ширине хорда, рентгенску проверу лопатке, проверу рентгенских слика, профилску проверу, finoobradu лопатке, детекцију дебљине зида лопатке и коначну проверу процеса израде. Поред тога, неопходно је завршити дизајн и израду мање за инвеститивно отпливавање турбинских лопатака.

U trenutku, samo nekoliko zemalja u svetu, kao što su Sjedinjene Države, Rusija, Velika Britanija, Francuska i Kina, mogu proizvoditi jednokrystalne turbinsku listu. U poslednjih godina, u Kini je napravljeno veliko napredovanje u proizvodnji jednokrystalnih turbinskih lista. Razvijene su jednokrystalne turbinске liste motora sa omjerom jačine do težine desetog reda, a jednокrystalne turbinске liste visokoefikasnih turbosatova su počele masovno se proizvoditi.

Tehnologija visoke efikasnosti, visoke preciznosti i niskih troškova za obradу cjelinastih lisиca

Primena tehnologije integralnog lopatickog diska potiče inovaciju u dizajnu strukture aerodinamičkog motora i skok napred u proizvodnom procesu, šta omogućava smanjenje težine motora i povećanje efikasnosti, a takođe poboljšava pouzdanost rada motora. Istovremeno, tanke lopatice, veliki savijajući moment i visokoefikasni aerodinamički dizajn dovode do loše čvrstote lopatica, što uzrokuje lako deformisanje i teško kontrolovanje problema; Uskim i dubokim tokovima zraka između lopatica tehnologija obrade lopatickog diska je teška za realizaciju. Materijali visoke snage kao što su titan alijanci i superalijanci su teški za režanje i imaju nisku efikasnost. Sjedinjene Države i Velika Britanija su počele da primenjuju novu tehnologiju jedinstvenog diska za nove motove u 1980-ima, dok je Kina započela sa razvojem jedinstvene tehnologije diska oko 1996.

Primena integrale tehnologije lopasti-diskova je potakla razvoj tehnologije integracije strukture motornih komponenti. Tandem integralni lopasti-disk sa bubnom, lopasti-disk sa osom, kombinacija diska, bubna i ose, zatvoreni lopasti-disk sa prstenom, pravougaoni statorno prsteno-lopatinski disk i dvostepeni ili višestepeni lopasti-disk su redom primenjeni u razvoju novih aerodinamičkih motora. Na osnovu aksijalnog diska i centrifugalnog ventilatora, razvijeni su veliki i mali lopasti-strukturni diskovi i kosostrujni kotiledonski disk.

Kako je monolitički klupa-disk primenjen u visoko performantnim aero motorima, tehnologija proizvodnje monolitičkog klupa-diska se razvijala i unapređivala. Trenutno, proces obrade monolitičkog klupa-diska uglavnom uključuje sledeće 5 vrsta procesnih metoda: izgubljivi veštački monolitički klupa-disk, elektronski zracinski spajanje monolitičkog klupa-diska, elektrohimija obrade monolitičkog klupa-diska, linearno trenje spajanja monolitičkog klupa-diska i petkoordinatna CNC strojarska obrada monolitičkog klupa-diska.

Proces proizvodnje integralnog listovog diska na petokoordinatnom CNC stroju je najstariji, najšire primenjeni u inženjerskoj praksi i ima visoku tehničku zrelost u domaćem procesu proizvodnje integralnog listovog diska aviokotačnog motora. Ključna tačka razvoja i primene ove tehnologije jeste slotna tehnologija, simetrična spiralna frezovanja za finiširanje profila lopatica, tehnologija kompenzacije grešaka pri obradi prednjeg i zadnjeg ruba lopatića i adaptivna tehnologija obrade celog listovog diska [1]. Inostrani motor T700, motor BR715 povećavački stepen, motor EJ200 integralni listovi disk koriste ovaj način obrade i proizvodnje, a Kina CJ1000A, WS500 i drugi aviokotačni motor takođe koriste petokoordinatnu CNC tehnologiju obrade za proizvodnju. Slika 1 prikazuje prvi stepen integralnog listovog diska visokopritisnog kompresora komercijalnog aviokotačnog motora izrađenog u Kiniji.

Tehnologija proizvodnje praznih lopasti

Ventilator turboventilatorskog motora je udaljen od komore za sagoravanje, a toplinska opterećenja su niske, ali se zahtevi naprednog aeromotora u vezi sa njegovom aerodinamičkom efikasnošću i sposobnošću da sprečava štete od strane vanjskih tela ne prestaju poboljšavati. Visoko performantni aeromotorski ventilator koristi širok tetivni, bez ramena i prazan ventilacioni list.

Prazninska ventilatorska lopatica trougaone rešetkaste konstrukcije koju je razvila Luo Luo Company predstavlja unapređenje prethodne praznine sa pečurama. Luo Luo Company to zove drugom generacijom praznine ventilatorske lopatice. Proces je da se koristi superplastično formiranje/difuzivno spajanje (SPF/DB) kombinovani proces za izradu 3-slojnog titanijum alijansa u široku prazninu ventilatorske lopatice. Prazninski deo lopatice jeste trougaona rešetkasta struktura, koja je već u upotrebi na motora Trent na letelicama Boeing 777 i A330. Tehnologija proizvodnje praznih ventilatorskih lopatika sa trougaonom rešetkastom strukturom u Kini je takođe postigla prolom (Slika 2 prikazuje praznu ventilatorsku lopaticu i unutrašnju trougaonu strukturu), ali kako bi se ispunile inženjerske zahteve, potrebno je provesti mnogo istraživanja snage, vibracija, umornosti testova i optimizacije procesa.

Proces proizvodnje praznih lopatica je sledeći: Prvo je potrebno pripremiti 3 titanijum alijansne ploče i rasporediti ih u gornjem, srednjem i donjem sloju, pri čemu je srednji sloj jezgra, a gornji i donji sloj odgovaraju loptici i leđima lopate, redom. Zatim se prazne lopace ventilatora formiraju iz tri titanijum alijanske ploče nakon što su očišćene od ulja i kiselinom, provjerena je oblaživa srednjeg sloja, spajanje titanijumskih ploča, grejanje forme, argonova čišćenja, difuzna veza, superplastično formiranje, hlađenje u pećini, peračenje površine, obrada korijena lopate i ulazne/izlazne ivice, inspekcija lopate i druge procedure [2] superplastično formiranje/difuzna veza (SPF/DB).

Tehnologija visoke klase proizvodnje šipova

Podloga je jedan od ključnih komponenti aeromotora, podloga koja radi na brzini od desetine hiljada RPM duži period vremena, takođe mora da izdrži ogroman centripetalni snagov rotor motora i razne oblike stresa, trenja i ultra-velike temperature. Kvalitet i performanse podloga direktno utiču na performanse motora, njegov životni vek, pouzdanost i sigurnost leta. Razvoj i proizvodnja visokokvalitetnih podloga povezana je sa međudisciplinarnim istraživanjem u oblasti mehanike kontakta, teorije ulja, tribologije, umor i štete, termoobradnje i materijalne strukture itd., a mora se rešiti veliki broj tehničkih problema u oblasti dizajna, materijala, proizvodnje, opreme za proizvodnju, testiranja i ulja za ulaganje.

U trenutku, istraživanje i razvoj, proizvodnja i prodaja visokonapornih osovnica su uglavnom monopoloizovane od strane proizvođača osovnica iz zapadnih zemalja kao što su Timken, NSK, SKF i FAG. Tehnologija proizvodnje avionskih motora u Kini je otstupila, a proizvodna sposobnost i nivo razvoja domaćih preduzeća za proizvodnju osovnica ne mogu u kratkom roku obezbediti visokonaporne osovnice prilagođene naprednim avionskim motorima. Osovina je postala "Majev Everet" koji je teško preći u kineskom razvoju aero motora, što velikim delom ograničava razvoj visoke performanse aero motora u Kini.

Tehnologija proizvodnje prašinske turbine

Turbinsko diskoteka aero motora je podložena superpoziciji visoke temperature i visokog stresa, strogi radni uslovi, složen proces pripreme i tehničke težine, što je postalo jedan od problema u razvoju motora u Kini. Prahovi superlegure su široko korišćeni u visoko performantnim avionskim motorima u inozemstvu zahvaljujući svojim izuzetnim mehaničkim osobinama i dobroj performansnom hladnom i topлом procesu. Proizvodnja prahovitog turbinskog diska uključuje seriju ključnih tehnologija proizvodnje kao što su razvoj materijala, taljanje glavnih legura, priprema i obrada prašnjaka, topla izostatna pritisnina, izotermičko forgeanje, toplinska obrada i visokoprecizna detekcija i procena itd. Ona nosi ključnu tehnologiju neophodnu za proizvodnju naprednih avijskih motora. Trend inostranih istraživanja o prahovitim turbinama je da se razvije od diska sa visokom jačinom do diska otpornog na oštećenja u pogledu funkcionalne performanse, a proces prašenja do ultračistog finog prašnjaka. Pored tople izostatne pritisnine, razvijaju se i procesi formiranja ekstrudovanja i izotermičkog forgeanja. U Kiniji, Bejing institut za avijske materijale je razvio niz avijskih motora sa prahovitim turbinskim diskovima, što je rešio ključne probleme proizvodnje naprednih avijskih motora sa prahovitim turbinskim diskovima, ali problem inženjerske proizvodnje prahovitih turbinskih diskova nije potpuno rešen.

Tehnologija proizvodnje složenih materijala

Tehnologija slojevastih materijala bila je široko primenjena u visoko performantnim aviokondenzatorima. Da bi se ispunile zahteve LEAP motora, Sniema je primenila 3D prepletenu tehniku prenosnog modeliranja rezina (RTM) za proizvodnju slojevastih ventilatorskih omotača i slojevastih ventilatorskih listova. Deo LEAP motora izrađen RTM tehnikom ima visoku čvrstoću, a masa je samo polovina mase delova od titanijum alijansa iste strukture. Toku razvoja motora F119, Pratt & Whitney je razvila neprekinute SiC vlakna učvršćena u titanijum matricu kompozitnih širokotonskih ventilatorskih listova. Ovaj vrsta kompozitnog lista poseduje osobine visoke krutosti, laganosti i otpornosti na udarce, i naziva se trećem generacijom širokotonskih ventilatorskih listova. U turboventilatoru F119 sva tri stana ventilatorskih rotor sa ovog materijala. U Kini, tehnologija proizvodnje slojevastih materijala takođe je primenjena u proizvodnji delova aviokondenzatora, a autogeni TiB2 čestici učvršćene aluminijum matrice kompozitnih ventilatorskih listova su napravile veliki napredak. Međutim, efikasna obrada TiB2 čestica učvršćenih aluminijum matrice kompozitnih ventilatorskih listova, poboljšanje obradjenog površinske, otpornost na umor i otpornost na štetu od strane stranih tela su ključni i teško realizovati u inženjerskom istraživanju primene ovog materijala.