Ключова технологія, популярна технологія та базова технологія виробництва сучасних авіадвигунів

Відношення тяги до ваги і відношення потужності до ваги є найважливішими технічними індексами для вимірювання та оцінки сучасності авіаційних двигунів. Щоб досягти відношення тяги до ваги більше 10, авіаційний двигун постійно використовує нові матеріали та вводить нові структури для зменшення ваги компонентів двигуна, одночасно значно підвищуючи температуру перед турбіною. Це ставить більш високі технічні вимоги до виготовлення двигуна та сприяє неперервному виникненню та розвитку нових технологій у галузі виготовлення авіаційних двигунів. Серія ключових технологій виготовлення, розроблених для розвитку високопродуктивних авіаційних двигунів, стануть або вже стали напрямком розвитку сучасних технологій виготовлення. У цій роботі розкриваються ключові технології виготовлення авіаційного двигуна з трьох сторін: ключова технологія, популярна технологія та базова технологія. Ключова технологія виготовлення є необхідною для розробки сучасного авіаційного двигуна. Популярна технологія виготовлення - це технологія, яку необхідно досліджувати для покращення ефективності та якості виготовлення двигуна. Базова технологія виготовлення - це технологія, яка повинна поступово накопичуватися та розвиватися під час розробки двигуна та масового виробництва, що представляє м'яку силу рівня технологічної оснаженості та продуктивності виробництва двигунів.

Ключова технологія виробництва авіаційних двигунів

Технологія виготовлення лопаток турбіни з однокристалічної структури

Температура перед турбінею сучасного авіаційного двигуна значно зросла, а температура перед турбінею двигуна F119 досягає 1900~2050K. Лопатки турбін, виготовлені традиційним способом, просто не можуть витримувати таку високу температуру і навіть можуть розплавитися, що заважає ефективній роботі. Однокристалічні лопатки турбін успішно вирішили проблему високої температурної стійкості лопаток турбін двигунів з ваговою потужністю у 10 ступенів. Відмінна висока температурна стійкість однокристалічних лопаток турбін головним чином зумовлена тим, що всього один кристал присутній у цілій лопатці, таким чином вилучуючи недоліки високої температури між граневими межами, які виникають через полікристалічну структуру еквіаксіальних і напрямкових кристалів.

Лопатка з одно kristalu є деталлю двигуна, яка вимагає найбільшої кількості процесів виготовлення, найдовшого циклу, найнижчої ступеня випуску продукції та найстрогшого закордонного блокування та монополізації. Процес виготовлення лопаток з одноkристалу включає формування сердечника, ремонту сердечника, спекання сердечника, перевірку сердечника, згруповання сердечника з формою, заливку воскової форми, рентгенову перевірку воскової форми, вимірювання товщини стінки воскової форми, обробку воскової форми, комбінування воскових форм, систему вилучення кристалів та заливку, змивку фарби, сушку оболонки, витаплювання воску, запіканку оболонки, заливку листа, утворення одноkристалу, дмухання оболонки, початкову перевірку, флуоресцентну перевірку, вилучення сердечника, гратування, вимірювання ширини хорду, рентгенову перевірку лопатки, перевірку рентгенівського зображення, перевірку профілю, шлифування лопатки, вимірювання товщини стінки лопатки та остаточну перевірку процесу виготовлення. Крім того, необхідно завершити проектування та виготовлення форми для виробництва лопаток методом інвестиційного лію.

На даний момент лише кілька країн у світі, такі як США, Росія, Велика Британія, Франція та Китай, змогли виготовляти одно kristalinі турбінові лопатки. За останні роки в Китаї досягнуто значних успіхів у виробництві одноkristalinих турбінових лопаток. Розроблено одноkristalinі турбінові лопатки для двигунів з відношенням тяги до ваги на рівні 10, а також організовано масове виробництво одноkristalinих турбінових лопаток для турбовалкових двигунів з високою відносною потужністю.

Технологія високої ефективності, високої точності та низької вартості обробки інтегральних лопаткових дисків

Застосування технології цілого лопаткового диска сприяє інноваціям у проектуванні структури авіадвигуна та розовженню виробничих процесів, досягає мети зменшення ваги двигуна та підвищення ефективності, а також покращує надійність його роботи. При цьому невелика товщина лопаток, велика гнучкість та висока ефективність аеродинамічного дизайну призводять до низької жорстикості лопаток, що робить їх схильними до деформації та складними для керування; вузький та глибокий повітряний канал між лопатками робить реалізацію технології обробки лопаткового диска складною. Високопрочні матеріали, такі як титанова сплави та сверхсплави, важко обробляються та мають низьку ефективність. У 1980-х роках США та Велика Британія почали застосовувати нову технологію цілого диска для нових двигунів, а в Китаї технологія цілого диска почалась близько 1996 року.

Застосування інтегральної технології лопаточно-дискової конструкції сприяло розвитку технологій інтеграції структури компонентів двигуна. Послідовно у процесі розробки нових авіадвигунів застосовуються тандемні інтегральні лопаточно-дискові конструкції з барабаном, лопатка з віссю, комбінована конструкція диск-барабан-вісь, закритий лопатковий диск з обручем, регулювальний статорний кільцевий лопатковий диск та двоступенева або багатоступенева комбінація лопаткових дисків. На основі осевого диску та центрувального імпелеру розроблено велику та малих розмірів лопаткову структуру диска та косогарний лопатковий диск.

Оскільки монолітне лопаткове дискове рішення було застосовано у високопродуктивних авіаційних двигунах, технологія виготовлення монолітних лопаткових дисків постійно розвивається та удосконалюється. На сьогоднішній день процес обробки монолітних лопаткових дисків головним чином включає наступні 5 методів: втрачена воскова точна листка для монолітного лопаткового диска, електронно-пучкове зварювання монолітного лопаткового диска, електрохімічна обробка монолітного лопаткового диска, лінійне тривійне зварювання монолітного лопаткового диска та п'ятикоординатна CNC-обробка монолітного лопаткового диска.

Процес виготовлення цілого листового диска за допомогою п'ятикоординатного CNC-станка є найранішою, найширокою інженерною застосуванням та має високу технічну зрілість у процесі виготовлення цілих листових дисків для авіамоторів у Китаї. Серед ключових факторів розвитку і застосування цієї технології є технологія прорізання і фрезерування, симетрична спіральна фрезерування профілю лопатки, технологія компенсації похибок обробки передньої і задньої краю лопатки та адаптивна технологія обробки профілю всього листового диска [1]. За кордоном у двигунах T700, BR715 та EJ200 цілі листові диски виготовляються за цим методом. У Китаї для авіамоторів CJ1000A, WS500 тощо також використовується технологія п'ятикоординатної CNC-обробки для виготовлення цілих листових дисків. Рис. 1 показує перший етап цілого листового диска високотискової компресорної установки комерційного авіамотора, виготовленого в Китаї.

Технологія виготовлення порожніх лопаток

Вентилятор турбовентиляційного двигуна знаходиться далеко від камери згоряння, і тепловий навантаження низький, але вимоги до його аеродинамічної ефективності та здатності запобігти пошкодженню від чужорідних об'єктів постійно покращуються. Високопродуктивний авіаційний двигун має вентилятор з широкими хордами, без плечів та порожніми лопатками.

Порожнича лопатка вентилятора трикутної ферменої структури, розроблена компанією Luo Luo, є покращенням оригінальної медчужинної сендвіч-лопатки. Компанія Luo Luo називає її другим поколінням порожничих лопаток вентилятора. Технологія полягає у використанні комбінованого методу суперпластичного формування/дифузного з'єднання (SPF/DB), щоб зробити тришарову титанову пластину у вигляді широкострунної порожничої лопатки вентилятора. Порожня частина лопатки має трикутну фермену структуру, яка вже застосовується на двигунах Trent для літаків Boeing 777 та A330. У Китаї також досягнуто прогресу у технології виробництва порожничих лопаток вентилятора трикутної ферменої структури (Рисунок 2 показує порожню лопатку вентилятора та внутрішню трикутну структуру), але для відповідності інженерним вимогам необхідно провести багато досліджень з міцності, вibrацій, втоми та оптимізації процесу.

Процес виготовлення порожньої лопатки відбувається наступним чином: Спочатку необхідно підготувати 3 плити з титанової сплаву і розмістити їх у верхньому, середньому і нижньому шарах. Середній шар — це ядерна плита, верхній і нижній шари — це листовий басейн і плита задньої сторони лопатки відповідно. Потім, порожні лопатки вентилятора утворюються з трьох плит з титанового сплаву після процедури очищення від олії, травлення, нанесення флюса на середній шар для перевірки, з'єднання плит титану, нагрівання форми, очиску аргоном, дифузне з'єднання, суперпластичне формування, охолодження у печі, мивку поверхні, обробку кореня лопатки та країв входу та виходу, перевірку лопатки та інші процедури [2] суперпластичне формування/дифузне з'єднання (SPF/DB).

Технологія виготовлення високоякісних підшипників

Підшипник є одним із ключових компонентів авіаційного двигуна. Підшипник працює на високих швидкостях у тисячах обертів на хвилину протягом довгого часу, а також витримує велику центруючу сили від високоскоростного обертання ротора двигуна та різні форми стискової напруженності, тертя та надзвичайно високої температури. Якість та характеристики підшипників безпосередньо впливають на продуктивність двигуна, його тривалість, надійність та безпеку літака. Розробка та виробництво високоприкладних підшипників тісно пов'язані з міждисциплінарним дослідженням контактної механіки, теорії смазування, трибології, втомлення та пошкодження, термообробки та матеріалів. Також необхідно вирішити велику кількість технічних проблем у дизайну, матеріалах, виготовленні, обладоті для виготовлення, тестуванні та перевірці, жиру та смазуванні.

На даний момент дослідження та розробки, виробництво та продаж високотехнологічних підшипників фактично монополізовані підприємствами з сфери виготовлення підшипників у західних країнах, таких як Timken, NSK, SKF та FAG. Технологія виготовлення літако́вих двигунів Китаю відстала, а виробничі можливості та рівень розвитку китайських підприємств з виготовлення підшипників не можуть надати високотехнологічні підшипники, придатні для передових літако́вих двигунів у короткостроковій перспективі. Підшипник став "Еверестом", який важко переборогти у дослідженнях і розробках авіадвигунів Китаю, що значно обмежує розвиток високоперформансних авіадвигунів у Китаї.

Технологія виготовлення порошкових турбінних дисків

Диски турбін авіадвигунів піддаються накладенню високих температур і напружень, працюють у важких умовах, мають складний процес підготовки та технічні труднощі, що робить це одним із ключових завдань у розробці двигунів в Китаї. Порошкові суперсплави широко використовуються у високопродуктивних авіадвигунах за кордоном завдяки своїм відмінним механічним властивостям та хорошим термічним та холодним процесам обробки. Виробництво порошкового диска турбіни включає серію ключових технологій виготовлення, таких як розробка матеріалів, плавлення основного сплаву, підготовка та обробка порошку, горяче ізостатичне стискання, ізотермічне ковкування, термічну обробку, високоточне визначення та оцінку тощо. Це необхідні ключові технології для виготовлення сучасних авіадвигунів. Тенденцією зарубіжних досліджень у галузі порошкових дисків турбін є переход від високопрочних до дисків, що володіють здатністю опору пошкодженням, з точки зору експлуатаційних характеристик, а також удосконалення процесу отримання надзвичайно чистого мелкого порошку. Крім горячого ізостатичного стискання, розвиваються також технології формування шляхом екструзії та ізотермічного ковкування. У Китаї Інститут авіаційних матеріалів у Пекіні розробив різні типи порошкових дисків турбін для авіадвигунів, що вирішив ключові технічні проблеми виробництва сучасних порошкових дисків турбін, проте проблема інженерного виробництва порошкових дисків турбін ще не вирішена повністю.

Технологія виготовлення складових матеріалів

Технологія складних матеріалів широко використовується у високопродуктивних авіаційних двигунах. Щоб задовольнити потреби розробки двигуна LEAP, Sniema застосовує 3D плетену технологію перенесення смоли (RTM) для виготовлення складних обкладинок вентилятора та складних лопаток вентилятора. Деталі двигуна LEAP, виготовлені за допомогою технології RTM, мають високу міцність, а маса становить лише половину ваги деталей з титанового сплаву такої ж структури. У процесі розробки двигуна F119 компанія Pratt & Whitney розробила неперервні SiC-волокна, що підсилюють титанову матричну композицію широких хорд лопаток вентилятора. Цей вид композитної лопатки має властивості високої жорсткості, легковаги і супротивлення удару, і називається третєм поколінням широких хорд лопаток вентилятора. Усі три етапи роторів вентилятора турбовентиляторного двигуна F119 виготовлені з цього матеріалу. В Китаї технологія виготовлення складних матеріалів також застосовується у виготовленні частин авіаційних двигунів, і досягнуті значні успіхи у саморозчинному TiB2 частинковому підсиленому алюмінієвому матричному композитному вентиляторі. Але ефективна обробка TiB2 частинково підсиленої алюмінієвої матричної композитної лопатки, підсилення поверхні обробки, супротивлення втомі та супротивлення пошкодженню іншими об'єктами є ключовими та важкими для реалізації досліджень інженерної застосування цієї матеріальної лопатки.