เทคโนโลยีหลัก เทคโนโลยีร้อน และเทคโนโลยีพื้นฐานของการผลิตเครื่องยนต์อากาศยานขั้นสูง

อัตราส่วนแรงดันต่อน้ำหนักและอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักเป็นดัชนีทางเทคนิคที่สำคัญที่สุดในการวัดและประเมินความก้าวหน้าของเครื่องยนต์เจ็ต การไล่ตามอัตราส่วนแรงดันต่อน้ำหนักของเครื่องยนต์ให้เกิน 10 เครื่องยนต์เจ็ตได้นำนวัตกรรมใหม่ๆ และใช้วัสดุใหม่เพื่อลดน้ำหนักของชิ้นส่วนในเครื่องยนต์ขณะเดียวกันก็เพิ่มอุณหภูมิต้นเทอร์ไบน์ของเครื่องยนต์อย่างมาก สิ่งนี้กำหนดข้อกำหนดทางเทคนิคที่สูงขึ้นสำหรับการผลิตเครื่องยนต์ และกระตุ้นให้มีการปรากฏและการพัฒนานวัตกรรมใหม่ๆ ในวงการการผลิตเครื่องยนต์เจ็ต กลุ่มนวัตกรรมหลักที่พัฒนาขึ้นสำหรับการพัฒนาเครื่องยนต์เจ็ตประสิทธิภาพสูงจะกลายเป็นหรือได้กลายเป็นทิศทางของการพัฒนานวัตกรรมการผลิตขั้นสูงแล้ว บทความนี้แนะนำเทคโนโลยีการผลิตหลักของเครื่องยนต์เจ็ตจากสามด้าน: เทคโนโลยีหลัก, เทคโนโลยีที่เป็นกระแส และเทคโนโลยีพื้นฐาน เทคโนโลยีการผลิตหลักเป็นเทคโนโลยีที่จำเป็นสำหรับการพัฒนาเครื่องยนต์เจ็ตขั้นสูง เทคโนโลยีฮอตสปอตของการผลิตเป็นเทคโนโลยีที่ต้องศึกษาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความแม่นยำของการผลิตเครื่องยนต์ เทคโนโลยีพื้นฐานของการผลิตเป็นเทคโนโลยีที่ควรสะสมและพัฒนาอย่างค่อยเป็นค่อยไปในระหว่างการพัฒนาและการผลิตจำนวนมากของเครื่องยนต์ ซึ่งแสดงถึงพลังนุ่มของระดับเทคโนโลยีและการผลิตเครื่องยนต์

เทคโนโลยีหลักในการผลิตเครื่องยนต์เจ็ต

เทคโนโลยีการผลิตใบพัดเทอร์ไบน์แบบผลึกเดี่ยว

อุณหภูมิหน้าเทอร์ไบน์ของเครื่องยนต์เจ็ตสมัยใหม่เพิ่มขึ้นอย่างมาก และอุณหภูมิหน้าเทอร์ไบน์ของเครื่องยนต์ F119 สูงถึง 1900~2050K ใบพัดเทอร์ไบน์ที่หล่อโดยกระบวนการเดิมๆ ไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงเช่นนี้ได้ และอาจละลายจนไม่สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ใบพัดเทอร์ไบน์แบบผลึกเดี่ยวสามารถแก้ไขปัญหาเรื่องความทนทานต่ออุณหภูมิสูงของใบพัดเทอร์์ไบน์สำหรับเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงดันต่อน้ำหนักระดับ 10 ได้สำเร็จ คุณสมบัติความทนทานต่ออุณหภูมิสูงของใบพัดเทอร์ไบน์แบบผลึกเดี่ยวเกิดจากความจริงที่ว่าทั้งใบพัดมีเพียงผลึกเดียวเท่านั้น ซึ่งช่วยกำจัดข้อบกพร่องในสมรรถนะที่อุณหภูมิสูงที่เกิดจากโครงสร้างผลึกแบบหลายผลึก (equiaxial และ directional crystal) บริเวณขอบเมล็ดผลึก

ใบพัดเทอร์ไบน์แบบผลึกเดี่ยวเป็นส่วนประกอบของเครื่องยนต์ที่มีกระบวนการผลิตซับซ้อนที่สุด ใช้เวลาในการผลิตยาวนานที่สุด อัตราการผ่านการตรวจสอบต่ำที่สุด และมีการปิดกั้นและการผูกขาดจากต่างประเทศอย่างเข้มงวดที่สุด การผลิตใบพัดเทอร์ไบน์แบบผลึกเดี่ยวรวมถึงกระบวนการกดแกน ซ่อมแซมแกน เผาแกน ตรวจสอบแกน จับคู่แกนและแม่พิมพ์ การฉีดแม่พิมพ์蜡 การตรวจสอบแม่พิมพ์ Wax X-ray การตรวจความหนาของผนังแม่พิมพ์ การแต่งแต้มแม่พิมพ์ การรวมแม่พิมพ์ การออกแบบระบบผลึกและปากเทียน การลอกทราย การอบเปลือก การละลาย蜡ในเปลือก การเผาเปลือก การเทโลหะ การหล่อผลึกเดี่ยว การเป่าเปลือก การตรวจสอบเบื้องต้น การตรวจสอบด้วยแสงฟลูออเรสเซนต์ การถอดแกน การขัด การวัดความกว้างคอร์ด การตรวจสอบใบพัดด้วยรังสีเอกซ์ การตรวจสอบฟิล์มรังสีเอกซ์ การตรวจสอบโปรไฟล์ การปรับแต่งใบพัด การตรวจความหนาของผนังใบพัด และการตรวจสอบขั้นสุดท้าย นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องออกแบบและผลิตแม่พิมพ์สำหรับการหล่อใบพัดเทอร์ไบน์

ในปัจจุบัน มีเพียงไม่กี่ประเทศในโลก เช่น สหรัฐอเมริกา รัสเซีย สหราชอาณาจักร ฝรั่งเศส และจีน ที่สามารถผลิตใบพัดเทอร์ไบน์แบบผลึกเดี่ยวได้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา จีนได้ทำความก้าวหน้าอย่างมากในการผลิตใบพัดเทอร์ไบน์แบบผลึกเดี่ยว ใบพัดเทอร์ไบน์แบบผลึกเดี่ยวของเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนแรงดันต่อน้ำหนักระดับ 10 ได้ถูกพัฒนาขึ้นแล้ว และใบพัดเทอร์ไบน์แบบผลึกเดี่ยวของเครื่องยนต์เทอร์โบแชฟท์ที่มีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักสูงก็ได้ถูกผลิตเป็นจำนวนมาก

เทคโนโลยีการแปรรูปที่มีประสิทธิภาพสูง ความแม่นยำสูง และต้นทุนต่ำสำหรับแผ่นใบพัดรวม

การใช้เทคโนโลยีดิสก์ใบพัดแบบบูรณาการช่วยส่งเสริมการนวัตกรรมในการออกแบบโครงสร้างของเครื่องยนต์เจ็ทและกระตุ้นให้เกิดการพัฒนากระบวนการผลิต ทำให้บรรลุเป้าหมายของการลดน้ำหนักเครื่องยนต์และเพิ่มประสิทธิภาพ รวมถึงเพิ่มความน่าเชื่อถือของการทำงานของเครื่องยนต์ ในขณะเดียวกัน ความหนาบางของใบพัด การโค้งงอที่มาก และการออกแบบทางอากาศพลศาสตร์ที่มีประสิทธิภาพสูง ส่งผลให้ความแข็งแรงของใบพัดต่ำ มีแนวโน้มง่ายต่อการเปลี่ยนรูปและควบคุมได้ยาก นอกจากนี้ ช่องทางไหลของอากาศระหว่างใบพัดที่แคบและลึกยังทำให้การประมวลผลดิสก์ใบพัดเป็นเรื่องยาก อีกทั้งวัสดุที่มีความแข็งแรงสูง เช่น เหล็กไทเทเนียมและซุปเปอร์แอลลอย เป็นวัสดุที่ตัดยากและมีประสิทธิภาพต่ำ ประเทศสหรัฐอเมริกาและอังกฤษเริ่มนำเทคโนโลยีดิสก์แบบรวมชิ้นใหม่มาใช้ในเครื่องยนต์รุ่นใหม่ในช่วงทศวรรษที่ 1980 ในขณะที่เทคโนโลยีดิสก์รวมของจีนเริ่มขึ้นประมาณปี 1996

การใช้เทคโนโลยีใบพัดรวมดิสก์ได้ส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีการรวมโครงสร้างชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ ใบพัดรวมดิสก์แบบต่อกันพร้อมกลอง ดิสก์ใบพัดพร้อมเพลา การรวมดิสก์กลองเพลา ดิสก์ใบพัดปิดพร้อมแหวน ดิสก์ใบพัดรีดอากาศแบบสเตเตอร์ และการรวมใบพัดสองขั้นหรือหลายขั้นได้ถูกนำมาใช้ตามลำดับในกระบวนการพัฒนาเครื่องยนต์บินรุ่นใหม่ โดยอาศัยพื้นฐานจากดิสก์กระแสแกนและลูกล้อแรงเหวี่ยง จึงได้มีการพัฒนาดิสก์โครงสร้างใบพัดขนาดใหญ่และเล็ก และดิสก์ใบพัดแบบกระแสเฉียง

ตั้งแต่มีการใช้แผ่นใบพัดแบบมอนอลิธิกในเครื่องยนต์อากาศพลศาสตร์ประสิทธิภาพสูง เทคโนโลยีการผลิตแผ่นใบพัดแบบมอนอลิธิกก็ได้รับการพัฒนาและปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ในปัจจุบัน กระบวนการแปรรูปแผ่นใบพัดแบบมอนอลิธิกประกอบด้วยวิธีการประมวลผล 5 ประเภทหลัก ได้แก่ การหล่อแบบความแม่นยำโดยใช้วัสดุเทียนไข การเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน การขึ้นรูปด้วยไฟฟ้าเคมี การเชื่อมเสียดทานเชิงเส้น และการกลึงด้วยเครื่องมิลลิ่ง CNC แบบห้าแกน

กระบวนการผลิตจานใบพัดแบบบูรณาการด้วยเครื่องมือกล CNC แบบห้าแกนเป็นกระบวนการที่เริ่มต้นขึ้นก่อน มีการประยุกต์ใช้งานทางวิศวกรรมมากที่สุด และมีความพร้อมทางเทคนิคสูงในกระบวนการผลิตจานใบพัดแบบบูรณาการของเครื่องยนต์อากาศยานภายในประเทศ การพัฒนาและประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการเจาะช่องและการสร้างรูปโฉมใบพัดด้วยการกัดมิลลิ่งเกลียวสมมาตร เทคโนโลยีการปรับแต่งผิวใบพัดด้านหน้าและด้านหลังเพื่อชดเชยข้อผิดพลาดในการผลิต และเทคโนโลยีการกัด CNC แบบปรับตัวสำหรับจานใบพัดแบบบูรณาการ [1] เครื่องยนต์ต่างประเทศ เช่น T700, BR715 และ EJ200 ใช้วิธีการประมวลผลนี้ในการผลิตจานใบพัดแบบบูรณาการ ในขณะที่เครื่องยนต์อากาศยานของจีน เช่น CJ1000A และ WS500 ก็ใช้เทคโนโลยีการกัด CNC แบบห้าแกนในการผลิต เช่นเดียวกัน ภาพที่ 1 แสดงให้เห็นถึงจานใบพัดแบบบูรณาการขั้นแรกของคอมเพรสเซอร์แรงดันสูงสำหรับเครื่องยนต์อากาศยานพาณิชย์ที่ผลิตในประเทศจีน

เทคโนโลยีการผลิตใบพัดแบบกลวง

ใบพัดของเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนอยู่ห่างจากห้องเผาไหม้ และภาระความร้อนต่ำ แต่ข้อกำหนดของเครื่องยนต์เจ็ทสมัยใหม่เกี่ยวกับประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์และความสามารถในการป้องกันความเสียหายจากวัตถุแปลกปลอมกำลังพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ใบพัดของเครื่องยนต์เจ็ทสมรรถนะสูงใช้ใบพัดที่มีคอหนา ไม่มีไหล่ และเป็นแบบกลวง

ใบพัดรูปทรงสามเหลี่ยมที่บริษัท Luo Luo พัฒนาขึ้นเป็นการปรับปรุงจากใบพัดแซนด์วิชรังผึ้งแบบเดิม บริษัท Luo Luo เรียกสิ่งนี้ว่าใบพัดรุ่นที่สอง กระบวนการคือการใช้วิธีการรวมระหว่างการหล่อแบบซุปเปอร์พลาสติก (SPF/DB) เพื่อทำให้แผ่นไทเทเนียมอัลลอย 3 ชั้นกลายเป็นใบพัดรูปคอเดียวที่เป็นโพรง ส่วนที่เป็นโพรงของใบพัดมีโครงสร้างสามเหลี่ยม ซึ่งได้ถูกนำมาใช้ในเครื่องยนต์ Trent ของเครื่องบิน Boeing 777 และ A330 เทคโนโลยีการผลิตใบพัดแบบมีโพรงที่มีโครงสร้างสามเหลี่ยมในประเทศจีนก็ได้มีความก้าวหน้าเช่นกัน (ภาพที่ 2 แสดงใบพัดแบบมีโพรงและโครงสร้างภายในที่เป็นสามเหลี่ยม) แต่เพื่อให้เหมาะสมกับการนำไปใช้งานทางวิศวกรรม จำเป็นต้องทำการวิจัยเกี่ยวกับความแข็งแรง การสั่นสะเทือน และการทดสอบความเหนื่อยล้าพร้อมกับการปรับปรุงกระบวนการ

กระบวนการผลิตของใบพัดรูปทรงกลวงเป็นดังนี้: ก่อนอื่น ต้องเตรียมแผ่นโลหะไทเทเนียมอัลลอยด์ 3 แผ่น และวางไว้ในตำแหน่งชั้นบน กลาง และล่าง โดยชั้นกลางคือแผ่นแกน ชั้นบนและล่างคือแผ่นฐานใบพัดและแผ่นหลังใบพัดตามลำดับ จากนั้น ใบพัดรูปทรงกลวงสำหรับพัดลมจะถูกสร้างขึ้นโดยแผ่นโลหะไทเทเนียมอัลลอยด์สามแผ่นผ่านกระบวนการกำจัดน้ำมันและล้างกรด การเคลือบสารกันสนิมในชั้นกลาง การเชื่อมแผ่นไทเทเนียม การทำความร้อนในแม่พิมพ์ การทำให้บริสุทธิ์ด้วยอาร์กอน การเชื่อมโยงการแพร่กระจาย การสร้างรูปร่างแบบซุปเปอร์พลาสติก การเย็นลงในเตา การล้างผิว การประมวลผลปลายใบพัดและขอบทางเข้าออก การตรวจสอบใบพัด และกระบวนการอื่น ๆ [2] การสร้างรูปร่างแบบซุปเปอร์พลาสติก/การเชื่อมโยงการแพร่กระจาย (SPF/DB)

เทคโนโลยีการผลิตหมุดรองสูงสุด

ตลับลูกปืนเป็นหนึ่งในชิ้นส่วนสำคัญของเครื่องยนต์อากาศยาน ตลับลูกปืนทำงานที่ความเร็วหลายหมื่น RPM เป็นเวลานาน นอกจากนี้ยังต้องทนต่อแรงเหวี่ยงมหาศาลจากโรเตอร์ของเครื่องยนต์ที่หมุนด้วยความเร็วสูงและความเครียดจากการบีบอัดในรูปแบบต่าง ๆ การเสียดทาน และผลกระทบของอุณหภูมิสูงมากคุณภาพและสมรรถนะของตลับลูกปืนมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ อายุการใช้งาน ความน่าเชื่อถือ และความปลอดภัยในการบิน การพัฒนาและการผลิตตลับลูกปืนระดับสูงเกี่ยวข้องกับการศึกษาระหว่างสาขาวิชา เช่น เครื่องกลศาสตร์ของการสัมผัส ทฤษฎีการหล涧 ไทรโบโลจี ความเหนื่อยล้าและการเสียหาย การอบแข็งและการจัดโครงสร้างของวัสดุ นอกจากนี้ยังต้องแก้ไขปัญหาทางเทคนิคมากมายในด้านการออกแบบ วัสดุ การผลิต อุปกรณ์การผลิต การทดสอบและการตรวจสอบ รวมถึงไขมันและสารหล涧

ในปัจจุบัน การวิจัยและพัฒนา การผลิตและการขายของลูกปืนแบบไฮเอนด์ถูกผูกขาดโดยบริษัทผู้ผลิตลูกปืนในประเทศตะวันตก เช่น Timken, NSK, SKF และ FAG เทคโนโลยีการผลิตเครื่องยนต์อากาศยานของจีนยังล้าหลัง และความสามารถในการผลิตและการพัฒนาของบริษัทผู้ผลิตลูกปืนภายในประเทศไม่สามารถให้ลูกปืนระดับสูงที่เหมาะสมสำหรับเครื่องยนต์อากาศยานขั้นสูงได้ในระยะสั้น ลูกปืนได้กลายเป็น "เขาเอเวอเรสต์" ที่ยากจะก้าวข้ามในงานวิจัยและพัฒนาเครื่องยนต์อากาศยานของจีน ซึ่งจำกัดการพัฒนาเครื่องยนต์อากาศยานประสิทธิภาพสูงของจีนอย่างมาก

เทคโนโลยีการผลิตจานเทอร์ไบน์แบบผง

จานเทอร์ไบน์ของเครื่องยนต์เจ็ทจะถูก subjected ต่อการซ้อนทับของอุณหภูมิสูงและความเครียดสูง สภาพการทำงานที่รุนแรง กระบวนการเตรียมที่ซับซ้อน และความยากทางเทคนิค ซึ่งได้กลายเป็นหนึ่งในความท้าทายของการพัฒนาเครื่องยนต์ในประเทศจีน เหล็กกล้าชนิดผงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์บินสมรรถนะสูงในต่างประเทศเนื่องจากคุณสมบัติทางกลที่ยอดเยี่ยมและการทำงานที่ดีทั้งในสภาพร้อนและเย็น การผลิตจานเทอร์ไบน์ชนิดผงรวมถึงชุดเทคโนโลยีการผลิตสำคัญ เช่น การพัฒนาวัสดุ การหลอมโลหะผสมหลัก การเตรียมและการบำบัดผง การกดด้วยความดันเท่ากันทุกทิศทาง (Hot Isostatic Pressing) การขึ้นรูปด้วยการหล่ออุณหภูมิเดียว การบำบัดความร้อน และการตรวจสอบและประเมินความแม่นยำสูง เป็นต้น มันเป็นเทคโนโลยีการผลิตที่จำเป็นสำหรับการผลิตเครื่องยนต์บินขั้นสูง แนวโน้มของการวิจัยจานเทอร์ไบน์ชนิดผงในต่างประเทศคือการพัฒนาจากจานเทอร์ไบน์ความแข็งแรงสูงไปสู่จานเทอร์ไบน์ที่ทนต่อความเสียหายในแง่ของสมรรถนะการใช้งาน และกระบวนการการทำผงให้กลายเป็นผงละเอียดและบริสุทธิ์มากขึ้น นอกจากการกดด้วยความดันเท่ากันทุกทิศทางแล้ว กระบวนการขึ้นรูปแบบการบีบอัดและการหล่ออุณหภูมิเดียวก็ได้รับการพัฒนาเช่นกัน ในประเทศจีน สถาบันวัสดุการบินกรุงปักกิ่งได้พัฒนาจานเทอร์ไบน์ชนิดผงสำหรับเครื่องยนต์บินหลากหลายประเภท ซึ่งได้แก้ไขปัญหาทางเทคนิคในการผลิตจานเทอร์ไบน์ชนิดผงสำหรับเครื่องยนต์บินขั้นสูง แต่ปัญหาการผลิตทางวิศวกรรมของจานเทอร์ไบน์ชนิดผงยังไม่ได้รับการแก้ไขอย่างสมบูรณ์

เทคโนโลยีการผลิตวัสดุคอมโพสิต

เทคโนโลยีวัสดุคอมโพสิตได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์อากาศยานสมรรถนะสูง เพื่อตอบสนองความต้องการในการพัฒนาเครื่องยนต์ LEAP Sniema ได้นำเทคโนโลยีการหล่อแบบ 3D woven resin transfer molding (RTM) มาใช้ในการผลิตฝาครอบใบพัดคอมโพสิตและใบพัดคอมโพสิต ส่วนประกอบของเครื่องยนต์ LEAP ที่ผลิตด้วยเทคโนโลยี RTM มีความแข็งแรงสูง และน้ำหนักเพียงครึ่งเดียวของชิ้นส่วนโลหะไทเทเนียมที่มีโครงสร้างเดียวกัน ในระหว่างการพัฒนาเครื่องยนต์ F119 บริษัท Pratt & Whitney ได้พัฒนาใบพัดขนาดคอขวดกว้างที่เสริมเส้นใย SiC ต่อเนื่องในเมทริกซ์ไทเทเนียมชนิดนี้ ใบพัดคอมโพสิตมีคุณสมบัติของความแข็งแรงสูง น้ำหนักเบา และทนทานต่อแรงกระแทก จึงถูกเรียกว่า "ใบพัดขนาดคอขวดกว้างรุ่นที่สาม" เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน F119 มีโรเตอร์ใบพัด 3 ขั้นที่ทำจากวัสดุนี้ทั้งหมด ในประเทศจีน เทคโนโลยีการผลิตวัสดุคอมโพสิตก็ได้ถูกนำมาใช้ในกระบวนการผลิตชิ้นส่วนของเครื่องยนต์การบิน โดยเฉพาะใบพัดคอมโพสิตที่เสริมอนุภาค TiB2 ในแมทริกซ์อะลูมิเนียมที่หลอมละลายได้มีความก้าวหน้าอย่างมาก แต่การประมวลผลที่มีประสิทธิภาพสำหรับใบพัดคอมโพสิตที่เสริมด้วยอนุภาค TiB2 การเสริมผิวหลังการประมวลผล การป้องกันความเหนื่อยล้า และเทคโนโลยีป้องกันวัตถุแปลกปลอมเป็นจุดสำคัญและยากที่จะนำไปสู่การศึกษาทางวิศวกรรมและการประยุกต์ใช้