Gelişmiş hava motoru üretiminde ana teknoloji, sıcak teknoloji ve temel teknoloji

İrtifa-ağırlık oranı ve güç-ağırlık oranı, hava motorlarının ileri düzeyini ölçmek ve değerlendirmek için en önemli teknik endekslerdir. Motorun itme-ağırlık oranını 10'dan fazla yapmak için, hava motoru sürekli yeni malzemeler kullanır ve ağırlığı azaltmak için yeni yapıları tanıtırken, aynı zamanda motordan önceki türbin sıcılığını büyük ölçüde artırır. Bu, motor üretime ilişkin daha yüksek teknik gerekliliklere neden olur ve hava motoru üretiminde yeni teknolojilerin sürekli ortaya çıkmasına ve gelişmesine yol açar. Yüksek performanslı hava motorlarının geliştirilmesi için geliştirilen bir dizi anahtar üretim teknolojisi, ileri üretim teknolojisi geliştirmesinin yönünde olacak veya halen olmuştur. Bu makale, anahtar teknoloji, sıcak teknoloji ve temel teknoloji olmak üzere üç açıdan hava motorunun anahtar üretim teknolojisini tanıtmaktadır. Anahtar üretim teknolojisi, ileri hava motoru geliştirmek için gerekli olan teknolojidir. Üretim odak noktası teknolojisi, moterin üretim verimliliğini ve kalitesini artırmak için çalışılması gereken bir teknolojidir. Temel üretim teknolojisi, motorda geliştirilmesi ve toplu üretimde giderek kazanılması ve geliştirilmesi gereken teknolojidir ve moterin üretim teknolojisi seviyesi ve üretim kapasitesi açısından temsil ettiği yumuşak güce işaret eder.

Hava motoru üretimindeki ana teknoloji

Tek kristal türbin pıtası üretim teknolojisi

Modern hava motorlarının türbin ön sıcaklığı büyük ölçüde arttı ve F119 motorunun türbin ön sıcaklığı 1900~2050K kadar yükselebilir. Geleneksel süreçle dökülen türbin pıtası bu kadar yüksek sıcaklığı dayanamaz ve hatta eriyebilir, etkili bir şekilde çalışamaz. Tek kristal türbin pıtası, itme-ağırlık oranı 10 seviyesi olan motorların türbin pıtası için yüksek sıcaklık direnci sorununu başarıyla çözer. Tek kristal türbin pıtasının mükemmel yüksek sıcaklık dayanımı, tüm pıtada yalnızca bir kristalin bulunmasıyla ilgilidir, böylece eşit-eksenli ve yönlü kristal yapılı pıta kristal sınırı arasındaki yüksek sıcaklık performansında meydana gelen eksiklikler ortadan kaldırılır.

Tek kristal türbin kabuğu, en fazla üretim sürecine sahip, en uzun döngüye sahip, en düşük nitelendirme oranı ve en sıkı yabancı bloke ve monopoli olan motor parçasıdır. Tek kristal türbin kabuğunu üretme süreci, çekirdek bastırma, çekirdek tamiri, çekirdek sinterleme, çekirdek denetimi, çekirdek ve kalıp eşleştirme, cera kalıbı enjeksiyonu, cera kalıbı X ışığı kontrolü, cera kalıbı duvar kalınlığı algılama, cera kalıbı tamiri, cera kalıbı birleştirme, kristal çıkarma sistemi ve döküm kapakları birleştirme, boyaya kum çıkarma, kabuk kurutma, kabuk de-cera-leme, kabuk kızartma, yaprak dökümü, tek kristal katılaşması, kabuk üfleme, ilk denetim, fluoresans denetimi, çekirdek-çıkarma, ovma, kiriş genişliği ölçümü, yaprak X-ışını kontrolü, röntgen filmi kontrolü, profilleme kontrolü, hassas yaprak, yaprak duvar kalınlığı algılama ve nihai kontrol süreçlerini içerir. Ayrıca, türbin yaprağı yatırımcılık döküm kalıbının tasarımını ve üretimini tamamlamanın gerekliliği de vardır.

Şu anda, yalnızca ABD, Rusya, Birleşik Krallık, Fransa ve Çin gibi dünyadaki birkaç ülkeye tek kristal türbin bıçağı üretme yeteneği bulunmaktadır. Son yıllarda Çin'de tek kristal türbin bıçağı üretiminde büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. İvme-ağırlık oranı 10 aşamalı motorların tek kristal türbin bıçakları geliştirilmiştir ve yüksek güç-ağırlık oranlı turboşas motorlarının tek kristal türbin bıçakları seri üretilmektedir.

Bütünleşik yaprak diski yüksek verimlilik, yüksek keskinlik ve düşük maliyetle işlenebilir teknoloji

Tümlü pala diski teknolojisinin uygulanması, havacılık moturu yapısı tasarımında yeniliklere ve imalat süreçlerinde atlamaya katkı sağlar, moterin ağırlığını azaltarak verimliliğini artırır ve moterin çalışmasını güvenilir hale getirir. Aynı zamanda, palanın ince kalınlığı, büyük bükülme ve yüksek verimlilikli aerodinamik tasarımı, palanın zayıf esnekliğini, kolay deformasyonu ve kontrol edilmesi zorluğunu beraberinde getirir; Pala arasındaki dar ve derin akış kanalı, pala diski işleme teknolojisinin gerçekleştirilmesini zorlaştırır. Titanyum aleşi ve süperalas gibi yüksek kuvvetli malzemeler kesilmesi zordur ve düşük verimliliktedir. Amerika ve İngiltere 1980'lerde yeni motora tek parça disk teknolojisini uygulamaya başladı, Çin'in tek parça disk teknolojisi ise yaklaşık 1996'da başladı.

Tümler bıçak-disk teknolojisinin uygulanması, motor bileşeni yapısı entegrasyon teknolojisinin gelişmesini desteklemiştir. Davullu seri bıçak-disk, merridenli disk, merriden-disk-eksen kombinasyonu, kapalı bıçak-disk ile halka, düzeltici statör halkası bıçak-disk ve iki aşamalı veya çok aşamalı bıçak-disk kombinasyonları, yeni hava motorlarının geliştirilmesinde sırasıyla kullanılmıştır. Eksenel akış diski ve sentrifüj türbinye dayanarak, büyük ve küçük bıçak yapısı diski ve eğik akış kotiledon diski geliştirilmiştir.

Monolitik bıçak diski yüksek performanslı hava motorlarında kullanılmaya başladığında, monolitik bıçak diski üretim teknolojisi gelişip iyileşmiştir. Şu anda, monolitik bıçak diski işleme süreci şu 5 türden oluşmaktadır: kaybolan kalıp hassas döküm monolitik bıçak diski, elektron ışını birleştirmesi monolitik bıçak diski, elektrokimyasal makinalandırma monolitik bıçak diski, doğrusal sürtünme birleştirme monolitik bıçak diski ve beş-eksenli CNC makineleri işleme monolitik bıçak diski.

Beş koordinatlı CNC makine aracı işleme entegral yaprak diski üretim süreci, yerli hava motoru entegral yaprak diski üretim süreçlerinde en erken, en geniş mühendislik uygulamasına sahip ve teknolojik olarak en olgun olanıdır. Bunların arasında, bu teknolojinin geliştirilmesi ve uygulanmasındaki anahtar nokta, yuva ve yuva teknolojisi, simetrik spiral fırça bıçak profili bitiş teknolojisi, bıçak ön ve arkası işleme hatası telafisi teknolojisi ve tamamlayıcı bıçak diski profili uyumlu işleme teknolojisidir [1]. Yabancı T700 motörü, BR715 motörü artırma aşaması, EJ200 motörü entegral bıçak diski bu işleme yöntemi kullanılarak işlenmiştir ve üretilmiştir; Çin'in CJ1000A, WS500 ve diğer hava araçları motorlarının entegral bıçak diski de beş koordinatlı CNC işleme teknolojisi kullanılarak üretilmektedir. Şekil 1, Çin'de üretilen ticari havacılık motorunun yüksek basınçlı sıkıcısınınn ilk aşaması entegral bıçak diski göstermektedir.

Boşluklu yaprak üretim teknolojisi

Turbofan motorunun fanı, yanma odasından uzakta olduğundanısıcaklık yükü düşükse de, gelişmiş havacılık motorunun aerodinamik verimliliği ve yabancı cisim hasarını önlemek için sürekli olarak artan gereksinimler bulunmaktadır. Yüksek performanslı havacılık motörü fanı, geniş kordonlu, omuzsuz ve boş fan yaprağını kullanmaktadır.

Luo Luo şirketi tarafından geliştirilen üçgen truss yapısı ile boşluksuz fan kabartması, orijinal arı kovanı tipi katmanlı kabartma üzerinde bir iyileştirmedir. Luo Luo şirketi bunu ikinci nesil boşluksuz fan kabartması olarak adlandırır. İşlem, 3 tabakalı titan alaşımını süperplastik biçimlendirme/difüzyon bağlama (SPF/DB) kombinasyon işlemi yöntemi kullanarak geniş kordonlu boşluksuz fan kabartmasına dönüştürmektir. Kabartmanın boş olan kısmı, Boeing 777 ve A330 uçaklarının Trent motorlarında zaten kullanılan bir üçgen truss yapısıdır. Çin'de üçgen truss yapısı ile boşluksuz fan kabartması üretim teknolojisi de bir ilerleme kaydetti (Şekil 2, boşluksuz fan kabartmasını ve içteki üçgen yapıyı göstermektedir), ancak mühendislik uygulamalarına uygun hale getirmek için dayanım, titreşim, yorgunluk testleri ve süreç optimizasyonu üzerine kapsamlı araştırmalar yapılmalıdır.

Boş lama üretilmesi süreci şu şekildedir: İlk olarak, 3 adet tiyanium alaşımlı levha hazırlanır ve üst, orta ve alt katmanlara yerleştirilir; orta katman çekirdek plakadır, üst ve alt katmanlar ise yaprak tabanı ve yaprak arka plakadır. Daha sonra, yağ kaldırma ve asitle temizleme işleminden geçtikten sonra, üç tiyanium levhasından oluşan fan boş yaprakları, ara katmanda akıcı kontrolü uygulanması, tiyanium levhalarının kaynaklanması, kalıbın ısıtılması, argon temizlemesi, difüzyon bağlantısı, süperplastik şekil verme, fırında soğutma, yüzey yıkama, yaprak kökünün ve giriş/çıkış kenarlarının işleme, yaprak denetimi ve diğer süreçlerden geçirilir [2] süperplastik şekil verme/difüzyon bağlantı (SPF/DB).

Yüksek seviye yatak taşı imalat teknolojisi

Yatak, hava motorunun ana bileşenlerinden biridir. Yatak, binlerce RPM hızında uzun süre çalışırken, aynı zamanda motor rotoru yüksek hızlı dönüşünden kaynaklanan devasa merkezkaç kuvvetini ve çeşitli türlerdeki sıkıştırma stresini, sürtünmeyi ve ultra-yüksek sıcaklığı karşılamalıdır. Yatakların kalitesi ve performansı, doğrudan motorun performansını, ömrünü, güvenilirliğini ve uçuş güvenliğini etkiler. Yüksek seviyeli yatakların geliştirilmesi ve üretimine, temas mekaniği, yağlama teorisi, triboloji, yorgunluk ve hasar,ısıl işleme ve malzeme organizasyonu gibi disiplinlerarası araştırmalar yakından bağlıdır ve ayrıca tasarım, malzemeler, imalat, üretim ekipmanları, test ve deneme, yağ ve yağlama konularında büyük miktarda teknik sorunları çözmek zorundadır.

Şu anda, yüksek kaliteli yatak taşlarının araştırmaları, geliştirilmesi, üretim ve satışları temel olarak Batı ülkelerindeki Timken, NSK, SKF ve FAG gibi yatak taşı üretici firmaları tarafından kontrol edilmektedir. Çin'in hava araç motoru üretim teknolojisi geri planda bulunurken, yerel yatak taşı üreticilerinin üretim kapasitesi ve geliştirmeleri, ileri düzeydeki hava araç motorları için kısa vadede uygun yüksek kaliteli yatak taşları sağlamaya yetmemektedir. Yatak taşı, Çin'in havacılık moturu araştırmaları ve geliştirmelerinde atılması zor olan "Everest Dağı" haline gelmiştir ve bu da Çin'in yüksek performanslı havacılık motorlarının gelişimini büyük ölçüde kısıtlamaktadır.

Toz türbinyuvası üretim teknolojisi

Hava motoru türbin diski, yüksek sıcaklık ve yüksek stresin birleşimine maruz kalır, sert çalışma koşulları, karmaşık üretim süreci ve teknik zorluklar nedeniyle, bu da Çin'deki motor geliştirmede karşılaşılan zorlulardan biri haline gelmiştir. Dış ülkelerde, iyi mekanik özelliklere ve termal ve soğuk işleme performansına sahip olan toz süper alaşım malzemeleri, yüksek performanslı hava motorlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Toz türbin diskinin üretimi, materyal geliştirme, ana alaşım eritimi, toz hazırlığı ve işleme, sıcak eşit basınçlı basma (hot isostatic pressing), izotermal forjeleme, ısıtedirme ve yüksek hassasiyetli tespit ve değerlendirme gibi bir dizi anahtar üretim teknolojisi içerir. Bu, ileri hava motoru üretiminin ayrılmaz bir parçasıdır. Dış ülkelerde toz türbin diski üzerine yapılan araştırmaların eğilimi, hizmet performansı açısından yüksek dayanımlı türbin diski yerine hasar dayanıklı türbin diski geliştirmeye ve tozlaşma sürecine ultra-yeni ve ince toz üretmeye yöneliktir. Sıcak eşit basınçlı basma dışında, ekstrüzyon şekillendirme ve izotermal forjeleme süreçleri de geliştirilmektedir. Çin'de, Pekin Havacılık Malzeme Enstitüsü çeşitli hava motoru toz türbin diskleri geliştirmiştir ki bu da ileri hava motoru toz türbin disklerinin anahtar üretim teknolojilerini çözmüştür ancak toz türbin disklerinin mühendislik üretim sorunu tamamen çözülmemiştir.

Bileşik malzeme üretim teknolojisi

Bileşik malzeme teknolojisi, yüksek performanslı hava motorlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. LEAP motor geliştirmesi gereksinimlerini karşılamak için, Sniema 3D dokuma rezin transfer modelleme (RTM) teknolojisini kullanarak bileşik fan kılıfı ve bileşik fan bıçakları üretmektedir. RTM teknolojisiyle üretilen LEAP motor parçaları yüksek dayanım gösterirken, aynı yapıdaki titan alaşımlı parçaların kütlelerinin yalnızca yarısı kadardır. F119 motorunun geliştirilmesi sürecinde, Pratt & Whitney sürekli SiC lifi ile takviye edilmiş titan matrisli bileşik geniş akorlu fan bıçakları geliştirmiştir. Bu tür bir bileşik bıçak, yüksek esneklik, hafif ağırlık ve etkiye dayanıklılık özelliklerine sahiptir ve üçüncü nesil geniş akorlu fan bıçağı olarak adlandırılır. F119 turbofan motorunun 3 aşamalı fan rotorları tamamen bu malzemeden yapılmıştır. Çin'de de, havacılık motoru parçalarının üretiminde bileşik malzeme imalat teknolojisi kullanılmaya başlanmıştır ve erime otogen TiB2 parçacığı ile takviye edilmiş alüminyum matrisli bileşik fan bıçakları alanında büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. Ancak, TiB2 parçacığı ile takviye edilmiş alüminyum matrisli bileşik fan bıçağının verimli işleme, işleme yüzeyi güçlendirme, yorgunluk direnci ve yabancı cisim hasarı karşı koyma teknolojisi, bu malzeme bıçağının mühendislik uygulamasını gerçekleştirmek için anahtar ve zor olan araştırmalarıdır.