Snecma и ее партнер AEC создают новую технологию изготовления композитных лопаток вентилятора авиационного двигателя

    

Kомпозиционные материалы привносят в авиацию много полезного — они увеличивают прочность деталей, снижают их вес и подверженность коррозии, а также позволяют сократить количество деталей конструкции. В авиационных двигателях композиты тоже снижают вес, что влечет за собой экономию топлива. По сравнению с титановыми композитные лопатки вентилятора не только легче — им можно придать более сложную аэродинамическую форму и обойтись меньшим количеством деталей. Это достигается благодаря компьютерному 3D-моделированию аэродинамических процессов, развитие которого идет с 1990-х гг.

По данным компании General Electric, впервые применившей широкохордовые композитные лопатки на вентиляторе двигателя GE90 для Boeing 777, они весят на 10% меньше, чем пустотелые титановые лопатки. Впоследствии композитные лопатки были использованы на GEnx для Boeing 787 и 747-8; эти работы привели к созданию масштабируемой архитектуры eCore, которую можно применить как для перспективной программы Boeing 777-9X, так и — через совместное предприятие CFM International с участием Snecma — для семейства двигателей LEAP-1, предназначаемых для узкофюзеляжных Airbus A320NEO, Boeing 737MAX и Comac C919.

В классической технологии General Electric лопатки изготавливаются из армирующих слоев волокна, пропитанных связующим веществом. Такой подход годится для больших лопаток мощных двигателей с вентиляторами диаметром 123-128 дюймов (3,00-3,25 м), но его нельзя масштабировать для относительно небольших лопаток вентиляторов диаметром 60-75 дюймов (1,5-1,9 м). Длинные лопатки получаются достаточно гибкими, чтобы выдержать попадание птицы, а короткие лопатки оказываются слишком жесткими и от попадания, скажем, гуся могут рассыпаться.

На предприятии CFM International компания Snecma традиционно отвечает за системы низкого давления, поэтому она взялась за задачу изготовления лопаток вентилятора для двигателя LEAP. Ответ Snecma на проблему избыточной жесткости - ткать лопатки из нитей углеволокна, а не из слоев. Сотканная трехмерная структура лопатки скрепляется с помощью технологии, называемой формованием с переносом смолы. В результате получается лопатка, способная выдержать попадание птицы или других посторонних предметов в сертификационных испытаниях FAA - Federal Aviation Administration, Федеральное управление гражданской авиации США — агентство Департамента транспорта США, управляющее всеми аспектами гражданской авиации.

Партнером для организации производства Snecma выбрала Albany Engineered Composites (AEC), дочернее предприятие компании Albany International, знаменитой производством приводных ремней для бумагоделательных машин (по словам президента компании Джозефа Мороуна, ее оборот в прошлом году составил 720 млн. долл., на 18 заводах по всему миру работают 4300 сотрудников).

Жаккардовы станки ткут углепластиковые нити для создания лопаток вентилятора двигателя LEAPAEC применила технологический процесс, восходящий к одному из чудес промышленной революции XIX в. Это жаккардовое переплетение, широко используемое в многослойных тканях, таких как парча или матлассе. Жаккардова вязальная машина позволяет ткать сложные узоры в едином процессе. Сейчас, конечно, машины управляются компьютерами, но процесс изготовления композитной лопатки турбовентилятора все равно похож на вязку стеганого одеяла.

После десятилетия исследовательских работ Snecma и AEC смогли продемонстрировать успех выбранной технологии, сейчас идет подготовка к организации серийного производства лопаток и других композитных деталей. Должны быть построены две фабрики — одна в Рочестере (шт. Нью-Гемпшир), другая на востоке Франции около Нанси.

AEC имеет большой опыт работы с композиционными материалами, среди прочего она выпускает композитные подкосы для шасси Boeing 787, которое поставляет компания Messier-Dowty, входящая вместе со Snecma в группу Safran. По мнению Джозефа Мороуна, технология, разработанная для тканья лопаток, найдет и другие применения — например, для изготовления фюзеляжей — так что ее распространение может принципиально изменить «правила игры». Впрочем, одно только изготовление лопаток для двигателей LEAP может увеличить доходы компании на 300–500 млн долл. в год.

По словам гендиректора AEC Жан-Жака Орсини, изготовление лопаток началось в прошлом ноябре, первоначально в работе было занято 24 сотрудника, сейчас 60. На опытном производстве сегодня выпускается только 40 лопаток в месяц, но к 2020 г. при работе в три смены каждые полчаса будет производиться новая лопатка. Это потребует 400 сотрудников, распределенных поровну между AEC и Snecma.

По прогнозам CFM International, к 2020 г. спрос на ее двигатели составит 1500 в год, что превышает нынешний уже рекордный уровень производства 1350 двигателей в год. Большинство двигателей будут семейства LEAP, а не CFM56, поскольку совместное предприятие, которое собирает двигатели и во Франции, и в США, учитывает планируемый переход Arbus и Boeing на программы выпуска ремоторизованных узкофюзеляжных самолетов семейств A320NEO и 737MAX.

Строительство фабрики AEC в США уже началось, стоимость проекта составляет 100 млн. долл. Стройка завершится в середине 2013 г., завод будет готов выпускать лопатки в начале 2014 г. Аналогичная фабрика во Франции под Нанси (в местечке Коммерси) будет введена в строй годом позже.

Лопатки ткутся как цельный кусок материи, более толстый у основания, заостренный по сторонам и тонкий на вершине. Для изготовления 18 лопаток вентилятора LEAP требуется почти 322 км волокна. Сотканная структура заполняется смолой под давлением почти 9 атм, и этим завершается процесс формования. Затем лопатка проходит термообработку в печи при температуре 175°С в течение 5 ч.

Контроль качества осуществляется с использованием рентгеновских и ультразвуковых установок. Поверхность лопаток подвергается дополнительной обработке для повышения ее стойкости.

По словам представителей AEC, вес готовой лопатки составляет около 4 кг, примерно в 8 раз меньше, чем у аналогичной титановой лопатки.

По мнению Snecma и AEC, разработанную технологию можно применять для лопаток вентиляторов диаметром до 120 дюймов (3 м). Тем не менее процесс изготовления еще должен быть сертифицирован, поэтому пока нет планов распространить новую технологию на изготовление лопаток для двигателей семейства GE90/GEnx.

  

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab®  по материалам сайта Деловой Авиационный Портал.