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易倍体育emc《大飞机》:让“心脏”跳得更有力

发布时间:2024-07-21 08:32:42 来源:emc全站官网 作者:emc全站网页版浏览: 28 次

  发动机是飞机的“心脏”,要想使飞机具有优良的性能,发动机是至关重要的因素。因此,飞机制造商在研发新机型时,往往要同发动机厂商密切合作,要求其研发推力、功率符合新机型要求,并且推重比、燃油消耗率、噪声和污染排放等各项性能指标都更加优异的发动机,以保证新机型在市场竞争中脱颖而出。为此,发动机制造商千方百计地把最先进的设计、材料和制造工艺运用到产品中去,以满足飞机制造商的要求。

  近20年来,发动机制造商推出了一系列先进的涡扇发动机,其中包括GE和普惠合作研制的GP7200,GE的GE90、GEnx、GE9X,罗罗的Trent系列发动机,CFM公司的Leap系列发动机,普惠的PW1000G系列齿轮涡扇发动机等。这些发动机大都采用了新技术、新材料和新工艺,代表了未来发动机制造业的发展趋势。

  早在1970年代,罗罗就开始着手采用复合材料来制造风扇叶片,但未获成功。GE是首家成功将碳纤维风扇叶片运用到产品中的制造商。1970年代以来,GE在一系列项目上进行试验,为该材料在GE90上大量使用打下了基础。

  1995年,使用碳纤维风扇叶片的GE90发动机作为波音777客机的动力装置投入服役。此后,GE又将该技术用于GEnx发动机。随着波音777和波音787客机销量的上升,GE90和GEnx这两种发动机也取得了巨大成功。

  为实现碳纤维风扇叶片的量产,GE和斯奈克玛合资组建了西凡公司。该公司的工厂设在美国德克萨斯州的圣马可斯市,厂房面积约为25000平方米。公司首要任务是制造GE90发动机的宽弦风扇叶片,自1994年9月交付首批叶片以来,至今已交付了20000多件GE90风扇叶片。18年来,该叶片从未发生过故障,FAA对其不设置寿命期限。

  西凡公司采用的技术主要是将预浸料条片铺叠成预成型件,经过固化后再进行最终加工。叶片通常由数百层以上的单向料带和纤维组成,跟部厚度可达100毫米,而在叶尖则仅有6毫米。工厂配置的主要设施包括冷冻室、超净室、热压罐、加工中心、材料实验室等。

  生产该材料的主要工作流程为:预浸料收到后储存在冷冻室内,在超声切割设备上按照工艺要求进行切割,然后转移到超净室。按照产品要求,层材在激光投射系统上进行铺叠,形成预成型件。所谓激光投射系统,就是采用一系列精心设计的反光镜和电流计把静止的激光束转变为一种按照设定路线快速运动的光束,绘出一个图形,起到替代样板的作用,可使制造时间大大缩短。

  预成型件移出超净间后,送入热压罐进行固化。采用实时高分辨率数字式超声或X光成像系统可对经过固化的零件的完整性进行评估。全沉浸超声系统的脉冲回波和直通传送可随着极复杂的零件外形提供二维或三维实时图像。两台CT系统可提供实时数字式X光图像来对厚的叠层进行评估。该公司还具备设计、制造和修理复材工具的能力。材料鉴定和质量保证实验室具备对预浸件、树脂和经固化的成品进行全面鉴定的能力。

  近年来,空客和波音都开始发展新一代单通道客机,空客推出了A320neo系列,波音则推出波音737MAX系列,中国商飞公司也在研制C919客机。作为动力供应商的CFM公司则相应地研制了Leap系列发动机。试验表明,预浸层料铺叠技术对Leap发动机的风扇叶片并不适用,这是因为Leap发动机的风扇直径较小,叶片相对较短,挠性不足。

  为此,负责低压部件的斯奈克玛公司与美国奥尔巴尼工程复材公司(AEC)合作,研发出一种三维编织技术,将碳纤维编织出一种多层的整体叶片,叶跟处较厚,两侧弯曲,叶尖处较薄。“织机”由计算机控制,8件叶片共需用32万多米长的纤维,编织出的叶片是干的。

  叶片在高压喷水切割设备上进行切边后被装入一个特制的模具,闭合后树脂以125PSI的压力注入,完成树脂转移模压过程(RTM)。然后,叶片置入炉内进行固化,无需抽线小时。叶片需进行X光和声学检验以确定是否存在空穴。叶片表面用氧化铝喷砂,使表面毛糙,然后涂漆以防侵蚀,最后再包上钛合金前缘。叶片成品重4千克,仅为钛合金叶片的1/8。经过多年的研发,该技术终于在2011年获得成功,叶片经受了鸟撞试验,开始小批量生产。

  为了增加产量,AEC公司和斯奈克玛公司商定将在美国和法国各组建一家新的工厂。预计到2020年,Leap系列发动机产量将达到年产1500台,工厂将实行三班倒,达到每30分钟就能产出一件叶片。目前,投资1亿美元、占地9000平方米的美国新工厂已破土动工,计划于2014年投产。法国的新工厂则将在2015年投产。生产高峰期每家工厂将配备20~30台织机,各配备200名员工。预计仅风扇叶片一项,年收入可达3~5亿美元。

  为了在该项技术方面追赶,罗罗与GKN公司合资成立了一家名为斯他尔(CTAL)的公司。双方共投资1480万英镑(其中一半由英国政府提供),在英国南部的怀特岛上建立试验工厂,有70名技术人员专门研发碳纤维风扇叶片的自动化制造工艺技术和设备。罗罗公司计划将碳纤维风扇叶片用于其正在为波音777X大型客机研制的RB3025涡扇发动机。

  除了采用复合材料制造风扇叶片之外,GE还采用复合材料来制造GEnx发动机的风扇机匣和其他一些零部件。复材风扇机匣由GKN宇航公司制造,可使每台发动机减轻160千克。复合材料制造的风扇机匣和风扇叶片都成功地经受了严格的包容试验、鸟撞试验和天气试验的考验。

  包容试验就是在一个风扇叶片的根部设置一定量的,在发动机运行过程中引爆,如果风扇机匣未被叶片碎片击穿,碎片得以从外涵道排出,就说明机匣具有足够的强度。在鸟撞试验中,复材叶片经受了中型(2.5磅)和大型(8磅)异物的冲击。天气试验在GE公司位于俄亥俄州皮波尔斯市的室外试车台进行,在经历了一个小时、雨量为225加仑/分钟的暴雨试验和15分钟的冰雹试验后,叶片完好无损。

  铝化钛(TiAl)是一种金属间化合物,重量轻,耐高温、耐氧化。该材料在600°C下的优良机械性能和耐腐蚀性使其可以取代传统的镍基超级合金。铝化钛的密度约为4克/立方厘米,只有镍基合金的一半。因此,采用铝化钛来制造发动机零件,例如低压涡轮叶片和高压压气机叶片等,对提高发动机的推重比很有效。

  GE是这项新材料的先行者。GE公司用铝化钛来制造GEnx发动机的第6级和第7级低压涡轮叶片,叶片由美国精密铸件公司和意大利阿维奥公司负责铸造,由莫勒制造公司飞机分部负责加工。

  另一项可用于叶片的金属间化合物是硅化铌(NbSi), 用该材料来制造涡轮叶片,与高性能镍基合金如Rene 80相比,可使每台发动机的重量减少45~135千克。除了显著减轻重量外,用于涡轮叶片的冷却气流也可大大减少。该材料目前还在研究阶段,待条件成熟后,硅化铌可能首先用于低压涡轮叶片的前几级,然后再用于结构复杂的高压涡轮叶片。

  陶瓷基复合材料(CMC)是一种用陶瓷纤维加强的陶瓷材料。陶瓷基体和纤维可以由任何陶瓷材料组成,碳和碳纤维也可看做是一种陶瓷材料。

  陶瓷基复材零件的制造过程通常包括下列三个主要步骤:按照零件所需的形状铺放并固定纤维、渗入基体材料和最终加工。

  在第一步中,纤维按照通常采用的技术进行铺放和固定,诸如纤维铺放、缠绕、编织和捆扎,形成预成型件。

  在第二步中,有5种方法可用来将陶瓷基体填充到预成型件的纤维之间:即从一种气体混合物中沉积而成、从一种陶瓷聚合物高温分解而成、从一系列元素的化学反应而成、在相对低温下烧结而成和用陶瓷粉电泳沉积而成。

  第三步加工包括钻孔、铣削、磨削和研磨等,需采用金刚钻工具。CMC也可采用高压水喷射和激光进行加工。如需要,还可进行浸渍等处理工序。

  陶瓷基复材具有重量轻、性能好、需要的冷却气流少等优点。试验证明,该材料比传统材料更能承受高温,而重量只有镍基合金的1/3。

  GE已在F136军用发动机上安装了一个CMC涡轮导向叶片,还在F414发动机上装用CMC涡轮转子叶片进行过试验。在民用发动机方面,则考虑用于燃烧室、高压转子叶片以及排气段等。如果用于燃烧室筒体,该材料的重量只有传统金属的一半,却仍可承受1200°C的高温,NOx排放减少20%,所需冷却空气减少50%。如果用于叶片,其重量可比金属零件减少70%。GE考虑在Leap发动机上采用CMC涡轮导向叶片,而在GE9X发动机上采用CMC涡轮转子叶片。如获成功,则不但叶片重量减少很多,涡轮盘、涡轮轴和轴承的重量也将显著减少。

  据估计,按GE90-115发动机计算,如果使用新材料,整台发动机可减重455千克,占发动机总重量的6%。GE计划投资1.25亿美元在美国北卡罗莱纳州的阿希维尔组建面积为11613平米的工厂,专门制造陶瓷基复材发动机零件。


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