Nyckeltekniken, het teknik och grundläggande teknik för tillverkning av avancerade flygmotorer

Förhållandet mellan dragningskraft och vikt, samt förhållandet mellan effekt och vikt, är de viktigaste tekniska indexen för att mäta och utvärdera den avancerade karaktären hos flygmotorer. För att sträva efter ett dragningsviktförhållande på mer än 10 använder flygmotorn kontinuerligt nya material och introducerar nya strukturer för att minska vikten på flygmotor-komponenter samtidigt som man starkt höjer turbinens införattemperatur. Detta ställer högre tekniska krav på motortillverkningen och främjar den kontinuerliga uppkomsten och utvecklingen av nya tekniker inom tillverkning av flygmotorer. En rad nyckeltillverknings tekniker som har utvecklats för att möjliggöra högpresterande flygmotorer kommer antingen att bli eller redan blivit riktlinjer för utvecklingen av avancerad tillverknings teknik. I denna artikel introduceras nyckeltekniken för flygmotorer från tre aspekter: nyckelteknik, populär teknik och grundläggande teknik. Nyckeltillverknings tekniken är den nödvändiga tekniken för att utveckla en avancerad flygmotor. Populär tillverknings teknik är en teknik som måste studeras för att förbättra produktions-effektiviteten och kvaliteten på motorn. Grundläggande tillverknings teknik är den teknik som bör gradvis ackumuleras och utvecklas under motorens utveckling och massproduktion, och representerar den mjuka makten i form av teknisk nivå och produktionskapacitet inom motortillverkning.

Nyckelteknik för tillverkning av flygmotorer

Tillverknings teknik för enkristallsturbinblad

Turbinens inflyttnings temperatur hos moderna flygmotorer har ökat mycket, och turbinens inflyttnings temperatur för F119-motorn når upp till 1900~2050K, och turbinbladen som gjorts med traditionell process kan helt enkelt inte klara av så hög temperatur och kommer till och med att smälta och inte fungera effektivt. Enkristallsturbinbladen löser framgångsrikt problemet med högtemperaturmotstånd för turbinbladen i motorer med tyngdtrycksförhållande på 10 nivåer. Det utmärkta högtemperaturmotståndet hos enkristallsturbinbladen beror huvudsakligen på att det bara finns en kristall i hela bladet, vilket därmed elimineras de brister i högtemperaturprestanda vid korngränser som orsakas av den polycrystallica strukturen hos ekvianta och riktade kristallsbladen.

Den enskilda kristallturbinsbladen är den motor-del som har flest tillverkningsprocesser, längsta cykel, lägst kvalifikationsfrekvens och striktast utländsk blockering och monopol. Processen för tillverkning av enskilda kristallturbinsblad inkluderar kärnpressning, kärnreparation, kärnsintering, kärninspektion, matchning av kärna och form, vaxforminjektion, vaxform X-ljusinspektion, vaxformvägg tjockleksdetektering, vaxformslagning, kombination av vaxform, extraheringssystem och gussningsportkombination, målarblandning, skalrentning, skaldrying, skalavvaxning, skalröstande, bladgussning, enskild kristallfastnat, skalblåsning, preliminär inspektion, fluorescensinspektion, kärnborttagning, slipning, strängviddsmätning, blad X-stråleinspektion, X-strålfilminspection, profilinspektion, finjustering av blad, bladväggstjockleksdetektering och slutlig kontroll av tillverkningsprocessen. Dessutom krävs det att man utför design och tillverkning av investeringsgjutningsform för turbinsblad.

För närvarande kan endast några få länder i världen, såsom USA, Ryssland, Storbritannien, Frankrike och Kina, tillverka enkristallsturbinblad. Under de senaste åren har det gjorts stora framsteg inom tillverkningen av enkristallsturbinblad i Kina. Enkristallsturbinbladen för motorer med tyngdsmassförsäljning på 10:de graden har utvecklats och enkristallsturbinbladen för hög-effekt-till-tyngd turboskruvmotorer produceras nu i storskalig produktion.

Hög-effektiv, hög-noggrannhet och låg-kostnad bearbetningsteknik för integrerade bladskivor

Användningen av integralbladsskivteknik främjar innovationen av strukturdesign hos flygmotorer och ett hopp i tillverkningsprocessen, uppnår syftet med viktminskning och effektivitetsökning av motorn, och förbättrar pålitligheten hos motorens drift. Samtidigt leder den tunna tjockleken på bladen, stora böjningar och hög-effektiv luftmekanisk design till bristande styvhet hos bladen, enkla deformationer och svåra att kontrollera problem; Den smala och djupa luftflödeskanalen mellan bladen gör realiseringen av skivbearbetningsteknik svår. Högstarka material som titanallieringar och superallieringar är svåra att skära och har låg effektivitet. USA och Storbritannien började på 1980-talet använda den nya enhetliga skivtekniken för motorer, Kinas enhetliga skivteknik startade runt 1996.

Användningen av integrerad bladskivteknik har främjat utvecklingen av motorkomponenters strukturintegreringsteknik. Tandade integrerade bladskivor med trumma, bladskivor med axel, kombination av skiva-trumma-axel, stängda bladskivor med ring, rektifieringsstatorns ringskiva och två- eller flerstegsbladskivokombinationerna har tillämpats efter varandra i utvecklingen av nya flygmotorer. På basis av axialflödesdisk och centrifugpumpen har stora och små bladsstruktursskivor och snedflödescotyledonskivor utvecklats.

Sedan monolitiska bladskivan infördes i högeffektiva flygmotorer har tillverknings tekniken för monolitiska bladskivor utvecklats och förbättrats. För närvarande omfattar processen för bearbetning av monolitiska bladskivor huvudsakligen följande 5 slags processmetoder: den förlorade vaxprecisionssmältade monolitiska bladskivan, den elektronstrålsvidderade monolitiska bladskivan, den elektrokemiska bearbetningsmonolitiska bladskivan, den linjära friktionssvetsade monolitiska bladskivan och den femkoordinata CNC-maskinbearbetade monolitiska bladskivan.

Femkoordinat-NC-maskinsnittning av integrerade bladskivor är den tidigaste och mest omfattande tekniken med hög teknisk modersmålsmogenhet inom den inhemskt utvecklade processen för tillverkning av luftmotorbladsskoror. Nyckeln till utvecklingen och tillämpningen av denna teknik ligger i fällnings- och skivningsmetoden, symmetrisk spiralfräsning av bladsprofiler, justeringsteknik för bearbetningsfel på bladets fram- och bakkanter samt adaptiv bearbetning av hela bladskivan [1]. Utländska motorer som T700, BR715 boosterskeden och EJ200 integrerade bladskivor tillverkas med denna metod. Kinas CJ1000A och WS500 flygmotorbladsskoror tillverkas också med femkoordinat-NC-bearbetningsteknik. Figur 1 visar den första stadiet av en integrerad bladskiva från en kommersiell högdryckskompressor som tillverkats i Kina.

Tillverkningsmetod för tömda blad

Turbogeneratörens fläkt ligger långt ifrån förgasningskammaren, och värmebelastningen är låg, men kraven från den avancerade aeroenginen på dess aerodynamiska effektivitet och förmågan att förhindra skada orsakad av främmande objekt förbättras ständigt. Den högpresterande aeroenginefläkten använder bred sträng, inget axelstycke och har tomma fläktskivor.

Den tomma ventilatorbladen av den triangulära trassstrukturen som utvecklats av Luo Luo Company är en förbättring av den ursprungliga honungsbi-bladstrukturen. Luo Luo Company kallar det för den andra generationens tomma ventilatorblad. Processen består i att använda superplastisk formning/diffusionskoppling (SPF/DB) kombineringsprocessmetod för att göra den 3-lagrade titaniumlegeringsplattan till ett bredsträngigt tomt ventilatorblad. Den tomma delen av bladen är en triangulär trassstruktur, som redan används på Trent-motorn för Boeing 777 och A330-flygplan. Den tomma ventilatorbladsproducerande tekniken med triangulär trassstruktur i Kina har också gjort en genombrott (Figur 2 visar det tomma ventilatorbladet och den interna triangulära strukturen), men för att uppfylla kraven för teknisk tillämpning behöver en hel del forskning om styrka, vibration, utmattningstester och processoptimering utföras.

Tillverkningsprocessen för tom blad är följande: Först och främst måste 3 titaniumlegeringsplattor förberedas och placeras i övre, mellersta och nedre lagret. Mellersta lagret är kärnplattan, medan övre och nedre lagren är bladskaftet och bladbaksplattan, respektive. Därefter bildas ventilatortombladen av tre titaniumlegeringsplattor efter oljeremovalj och pikring, kontroll av mellanlagrets fluxbeläggning, titaniumplattsvetsning, formhettning, argonrensningsprocess, diffusionssambandning, superplastisk formning, avkyling i ugn, ytvättning, bearbetning av bladrot och inletts- och utletsränder, blajnsinspektion och andra procedurer [2] superplastisk formning/diffusionssambandning (SPF/DB).

Högkvalitativt lager tillverknings teknik

Lager är en av de nyckelkomponenterna i en flygmotor. Lagret körs vid höga varv, ofta tiotusentals RPM, under lång tid och måste också motstå den enorma centrifugalkraften och olika typer av tryckstress, friktion och ultrahög temperatur som orsakas av motorens rotor vid höghastighetsrotation. Kvaliteten och prestationen på lagren påverkar direkt motorens prestanda, livslängd, tillförlitlighet och flygsäkerhet. Utveckling och produktion av högpresterande lagrar är nära kopplat till tvärvetenskaplig forskning inom kontaktmekanik, smörjningsteori, tribologi, trötthet och skada, hårdning och materialstruktur, och måste också lösa en stor mängd tekniska problem inom design, material, tillverkning, tillverkningsutrustning, testning och provning, smörjmedel och smörjning.

För närvarande är forskning, utveckling, tillverkning och försäljning av högpresterande lager i stort sett monopoliserade av lagertillverkare i västliga länder som Timken, NSK, SKF och FAG. Kinas teknik för flygmotorproducering är bakomåt, och den inhemskas produktionskapacitet och utvecklingsnivå när det gäller lagertillverkare kan inte på kort sikt erbjuda högpresterande lager som är lämpliga för avancerade flygmotorer. Lager har blivit den "Mount Everest" som är svår att övervinna inom Kinas forskning och utveckling av flygmotorer, vilket starkt begränsar utvecklingen av högegenskapade flygmotorer i Kina.

Produktionsteknik för pulverturbinskiva

Turbinskivan i en flygmotor utsätts för superposition av hög temperatur och hög spänning, stränga arbetsvillkor, komplex tillverkningsprocess och teknisk svårighet, vilket gjort att den blivit en av de svårigheter vid motorutvecklingen i Kina. Pudersuperalloyer används bredvid i högpresterande flygmotorer i utlandet på grund av deras utmärkta mekaniska egenskaper och goda varmväggande- och kallbearbetningsförmågor. Tillverkningen av puder-turbinskivor omfattar en serie nyckeltillverknings tekniker som materialutveckling, smältning av huvudlegeringar, pudertillberedning och behandling, varmt isostatiskt pressning, isoterisk smedning, vedermätning och högprecisionstestning och utvärdering etc. Den bär på de nyckeltillverknings tekniker som är nödvändiga för tillverkning av avancerade flygmotorer. Trenderna i utländsk forskning om puder-turbinskivor är att utveckla från höghållfasthets-turbinskivor till skador motstående turbinskivor när det gäller tjänstegenskaper, och pulveriseringsprocessen mot ultrarena fint puder. Utöver varmt isostatiskt pressning har också processerna för extrusionssformning och isoterisk smedning utvecklats. I Kina har Beijing Institute of Aeronautical Materials utvecklat en mängd olika flygmotor-puder-turbinskivor, vilket har löst de nyckeltillverknings tekniska problemen för avancerade flygmotor-puder-turbinskivor, men ingenjörstillsammansättningens problem med puder-turbinskivor har inte lösts fullständigt.

Teknik för tillverkning av sammansatta material

Kompositmaterialteknik har används bredt i högpresterande flygmotorer. För att uppfylla kraven på LEAP-motordelen har Sniema antagit 3D-vävad resinsönderingsmoldning (RTM) för att tillverka komposita ventilhus och komposita ventilblad. LEAP-motorkomponenter som tillverkas med RTM-tekniken har hög styrka, och vikten är bara hälften av vikten hos titaniumlegeringsdelar av samma struktur. Under utvecklingen av F119-motorn utvecklade Pratt & Whitney kontinuerliga SiC-fiberförstärkta titaniummatriskomposita breddchordventilblad. Denna typ av kompositblad har egenskaperna hög styvhet, låg vikt och kollisionstolerans, och kallas för tredje generations breddchordventilblad. Alla de tre faserna av F119 turbofanmotorens ventilrotorer är gjorda av detta material. I Kina har också kompositmaterialtillverknings tekniken använts i produktionen av flygmotorers delar, och smält autogen TiB2 partikel förstärkt aluminiummatriskomposit ventilblad har gjort stora framsteg. Men effektiv bearbetning av TiB2 partikel förstärkt aluminiummatriskomposit ventilblad, ytestolkning, motstånd mot trötthet och motstånd mot skador orsakade av främmande föremål är nyckelfrågor och svårigheter för att realisera teknisk forskning om tillämpningen av detta material på ventilblad.