פיתוח של משקל אור, חומרים גמישים עבור מנוע Casings ו Nozzles

המרדף של רכיבים מהירים וחזקים יותר הוביל עשרות שנים של חדשנות בתעופה והנדסת רכב. משקל אור, חומרים מורכבים גבוה סטריגרים משמשים כיום כבסיס לאריזות מנוע הדור הבא ו nozzles, המאפשרים להישגים ביצועים פעם חשב בלתי אפשרי.על ידי החלפת ⁇ מתכת מסורתיות עם פולימרים מתקדמים, מהנדסים להשיג ירידה משמעותית במשקל תוך שמירה על שלמות מבנית הנדרשת לסביבות תפעוליות קיצוניות.

יסודות של חומרים Composite

Composites משלב שני חומרים שונים יותר כדי ליצור מוצר עם תכונות גבוהות יותר.המטריקס נקשר סיבי חיזוק, העברת עומסים והגנה עליהם מפני נזק סביבתי. יונקים נפוצים כוללים epoxy, פולימידיד, ו phenolic resins, כל אחד שנבחר עבור דרישות תרמיות מכניות ספציפיות.שלב חיזוק מורכב בדרך כלל פחמן, זכוכית, או סיבים מסודרים בצורות רציפה או חדלות, מאפשר יחס חומרים מותאמים באופן יוצא דופן.

הממשק בין אוריינטציה סיבים, חלקיק נפח, ובחירת matrix קובע תכונות סופיות.עבור אריזות מנועים ו nozzles, אשר חווים טמפרטורות גבוהות, לחץ שונה, גזים ממצה קורוזיטיבי, פרמטרים אלה חייבים להיות מאוזנים בקפידה. מודרני עיצוב מורכב ממינוף ניתוח אלמנט סופי וחומרים חישוביים כדי לחזות ביצועים לפני אבטיפוס יחיד נבנה.

תכונות קריטיות עבור Casings ו Nozzles

רכיבים המנועים עומדים בפני כמה מהתנאים התובעניים ביותר בכל מערכת מכנית. Casings חייב להכיל גזים בלחץ גבוה, לעמוד בתנודות, ולעמוד מול רכיבה תרמית. Nozzles, במיוחד במנועי טילים, לסבול משטף חום קיצוני ומכשולים חלקיקים ארסיים. Composites שנבחרו לתפקידים אלה חייב להפגין שילוב ייחודי של תכונות.

משקל אור

הפחתה המונית היא הנהג העיקרי לאימוץ מורכב.כל קילוגרם שנשמר במבנה המנוע מתרגמת לצריכת דלק נמוכה יותר, עומס גבוה או טווח מורחב.לדוגמה, החלפת ממזרה כבדה עם מטבול פחמן פחמן-פחמן עלולה להפחית את המשקל ב-40-60 עד 60 ו- #37; משקל זה חוסך ארקדי משקל באמצעות מערכת ההנעה כולה, ומאפשר מבנים קטנים יותר תמיכה וכלי רכב קלים יותר.

כוח גבוה ועוצמה

Composites חייב לעמוד על עשרות, דחוס, ו Shear לטעון ללא עיוות קבוע או כישלון. סיבי פחמן מחזק פולימרים (CFRPs) מציעים עוצמות אלפיות מעל 3,500 MPa ונוקשות בטווח של 230 GPa - דומה פלדה גבוהה סטראט בשבריר של צפיפות.זה מאפשר חלקים דקים קיר ועיצובים מבניים יעילים יותר.

התנגדות Oxidation Resistance

Nozzles מנוע יכול להגיע לטמפרטורות מעל 2000 & #176; C ביישומים של טילים, בעוד כיבוני גז רואים טמפרטורות מתמשך של 600 & #8211; 1,000 & #176; C. Polymer ממטריקס מרוכבים לבד לא יכול לשרוד תנאים כאלה; ולכן, מרתקת קרמיקה (CMCs) ו פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן-פחמן מורכב עבור החלקים החמים ביותר. חומרים אלה לשמור את הכוח שלהם בטמפרטורות גבוהות ונמוכות, כך נמוך, לחץ, לחץ תרמי, הפחתת מתחמי, לחץ תרמי.

קורוזיה והתנגדות כימית

גזים ממצה מכילים מינים תגובתיים כגון חמצן, מימן ותרכובות כלור. מתכות רבות סובלים מחמצן או מלחץ קריקט corrosion בסביבות אלה. Composites, במיוחד אלה עם סיבים אינרטיים ומערכות ממטריקס, מתנגדים להתקפה כימית ולא דורשים ציפויים מגן.זה מרחיב את חיי הרכיב ומפחית את מרווחי התחזוקה.

עייפות והשפעה סובלנות

רכיבים של המנוע כפופים לעייפות מחזור גבוהה מטט וספיצי לחץ טרנסיטיביים. Composites בדרך כלל להפגין עמידות עייפות מצוינת בהשוואה למתכות, הודות למבנה השכבות שלהם המעכב את ההתפשטות של סדקים.בנוסף, אדריכלות סיבים יכולה להיות מיועדת לעצור נזק השפעה, תכונה בטיחות חשובה עבור להכיל במהלך אירועים להב במנועי מטוסים.

חומרים המשמשים Composite Engine Components

מגוון של חומרים מתקדמים פותח כדי לענות על הדרישות הספציפיות של צ'ינגס ו nozzles.הבחירה תלויה בטמפרטורה התפעולית, מטרות עלות ומגבלות הייצור.

Carbon סיבים Reinforced Polymers (CFRPs)

CFRP הוא בעל ביצועים גבוהים ביותר מורכב עבור חלקי מנוע מבני הפועלים מתחת 300 & #176; C. זה משלב נוקשות גבוהה וכוח עם צפיפות נמוכה. מנוע מטוסים מצופים כיסונות ו טבעות המכילות שנעשו מ- CFRP הציל מאות קילוגרמים על זעזועים מודרניים כגון GE9X. Prepreg פחמן / Poxy מציעים איכות עקבית מעובדים על ידי טיפול או לרפא טכניקות של חומרת.

Glass Fiber Reinforced Polymers (GFRPs)

כאשר רגישות עלות היא גבוהה או חשמל בידוד נדרש, סיבים זכוכית הם נבחרים. GFRP הוא גם יותר דונם מאשר CFRP, מה שהופך אותו מתאים לחלקים כי חייב לספוג אנרגיה השפעה. עם זאת, את המודולוס התחתון שלה ואת כוח להגביל את השימוש שלה במבנים ראשוניים עומס.זה נמצא לעתים קרובות ב casing, ducing, חזיונות, ו .

Kevlar (Aramid) סיבים

סיבים aramid מספקים התנגדות השפעה יוצאת דופן ונוקשות. Kevlar-epoxy מורכב משמשים לכילה בליסטית בתאים המנועים ועבור לוחות אקוסטיים קלים.ספיגה האנרגיה שלהם גבוהה שלהם הופכת אותם אידיאליים עבור מערכות השקיה כי חייב לשמור פסולת במהלך כשלון להב מאוורר.עם זאת, הרגישות של aramid כדי להרים ולרדמת אולטרה סגולה דורש הגנה זהירה ועיצוב.

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

עבור חלקים שרואים טמפרטורות מעל לגבולות של מזחלות אורגניות, CMCs - כגון סיבים סיליקון carbide מטריצה (SiC / SiC) - מציעים פתרון. CMCs לשמור כוח ונוקשות מעל 1,200 ו- #176; C, יש צפיפות נמוכה, והם טמונים חמצון טמטורנטים.

פחמן-Carbon Composites

פחמן פחמן-פחמן (C/C) מורכב חיזוק סיבים פחמן במריצה פחמן.הם שומרים על תכונות מכניות עד 3,000 ו- #176; C באטמוספירה לא מוכרת ויש להם מזהמים נמוכים של התרחבות תרמית.נכסים אלה הופכים אותם הכרחיים עבור צווארי חממה של רקטות ומזלכי האף.המטמים של החללית עשויים פחמן-פחמן, משגרים מודרניים כמו פלקון 9 / C.

טכניקות ייצור עבור תרכובות Geometries

הפחתת שמיכות מנוע ו nozzles מתרכובות דורש תהליכים מיוחדים שיכולים להתמודד עם משטחים מעוקלים, עוביים שונים, ותכונות משולבות.

Prepreg Layup ו- Autoclave Curing

Prepreg - pre-impregated סיבים - נחתכים וערערער על כלי באוריינטציה מדויקת.הרכבה הוא ריק-מחוסן וחוספס בלחיצת רכב תחת לחץ וטמפרטורה גבוהה. שיטה זו מניבה שברירי סיבים גבוהים ונפיחות נמוכה, חיוני עבור כוח.זה משמש נרחב עבור מטעני מנוע מטוסים, שבו דרישות איכות גבוהות יותר הנחתים אוטומטית (AT) וסיבים נמוכים יותר) ו-AFP (A) מופחתת כוח חוזר באופן נרחב.

Rein Transfer מוליד (RTM)

סיבים יבשים preforms ממוקמים עובש סגור, ו נוזל resin מוזרק תחת לחץ. RTM מייצרת חלקי רשת-shape עם סיום משטח טוב ופסולת מופחתת.זה לטובת ייצור בינוני של קטינגס קטנות יותר ורכיבים דוקטרקטיים. גבוה מדכא RTM (HP-RTM) מקטין את זמני מחזור, מה שהופך אותו קיימא עבור יישומי רכב כגון צריכת גברים כפולים וכיסוי מכסה.

תגית: Winding

סיבים רצופים פצעים סביב מזחלות מתפתלות בזוויות מבוקרות.תהליך זה יוצר מרכיבים אלקיליים כמו נועלות, ducting, וכלי לחץ. Filament Winding מציע יישור סיבים מצוינים וכוח גבוה בכיוון ההורופ.זה השיטה העיקרית לייצור הרחבות ללא הפסקות טילים וקווי תאורה מודרניים.

ייצור תוספת של Composites

הדפסה תלת מימדית של חומרים מורכבים היא מתפתחת כגישה ייצור גמישה. filaments קצרי עוצמה ניתן להפקיד שכבת-על-ידי-שכבה לייצר ג'ממטות מורכבות שקשה לעצב.דפסת סיבים 3D מאפשרת סיבים ארוכים להיות ממוקמים לאורך שבילי עומס. בעוד עדיין מוגבל בגודל חלקי ו באמצעות חישוב, שיטות תוספים משמשים עבור prototyping, כלי, ייצור נמוך של חלקי מנוע מורכב.

יתרונות בביצועים של מנוע

אימוץ של תרכובות קל משקל מביא הטבות מדידה על פני מדדי ביצועים מרובים.

יעילות דלק וחילות

כל קילוגרם שנשמר על המנוע מקטין את שריפת הדלק הנדרשת כדי להניע את הרכב.עבור מטוס, 1 & #37; ירידה במשקל יכולה להוריד את צריכת הדלק על ידי כ-0.75 ו- #37; מפרשים ונרמלים על בואינג 787 Dreamliner תרמו ל-20 & #37; שיפור יעילות הדלק על פני מודלים קודמים.

המונחים: Thrust-to-Weight Ratio

רכיבי מנוע אור מאפשרים לאותו דחף עם פחות מסת מבנית, שיפור היחס הכולל של מערכת ההנעה.זה קריטי עבור כלי טיס קרב וכלי רכב שיגור חלל שבו כל קילוגרם של תת-קרקעיות המונית מנוע ישירות מקיבולת המטען. מנועי טורפיאן מודרניים להשיג יחס דו-פעמי מעל 6:1 הודות לשימוש נרחב של מסובכים.

שירות מורחב חיים

Composites מתנגד קורוזיה ועייפות טוב יותר מאשר מתכות רבות.מנועי צ'ינגס שנעשו מ- CFRP הוכיחו חיי שירות של עשרות אלפי מחזורים ללא השפלה משמעותית.זה מקטין את עלויות התחזוקה ומגדיל את זמינות המטוסים.עבור ננולים רקטות, פחמן פחמן פחמן-פחמן מורכב יכול לשרוד מספר רב של ירי עם שחיקה מינימלית, המאפשרת ניתנות.

אתגרים בעיצוב וייצור

למרות היתרונות שלהם, מרכיבים מורכבים של מנוע להציג אתגרים הנדסיים ייחודיים שיש לטפל בהם.

ניהול ארס

Polymers degrade מעל 300 & #176;C. עבור יישומים של חתיכה חמה, בידוד או קירור חייב להיות מסופק. CMCs ופחמן פחמן לחסל בעיה זו, אבל להציג עלויות גבוהות יותר ושיטות ההצטרפות מורכבות.ההתרחבות המאוחרת משתתפת בין מרוכבים לבין החזקות מתכתיות יש לנהל עם מפרקים גמישים או חומרים מתואמים.

השפעה ופגיעה בסובלנות

Composites רגישים בקושי גלויה נזק (BVID), שבו זיהומים פנימיים להתרחש ללא סימני משטח.זה יכול להפחית את כוח השגרה באופן משמעותי. מעצבים חייבים לשלב שקעים סובלניים, שכבות הקרבה, או משטרי בדיקה.תעשיית האווירל פיתחה פרוטוקולים חזקים המבוססים על בדיקות נרחבות.

ייצור משתנה

תכונות Composite רגישים לעיבוד פרמטרים כגון טמפרטורה, לחץ, והתאמה סיבים. Variation יכול להוביל פיזור בלתי מתקבל על הדעת בכוח ובנוקשות. ניטור תהליכים מקוונים, בקרה על תהליכים סטטיסטיים, והערכה לא הרסנית קפדני (NDE) הם חיוניים כדי להבטיח עקביות חלקית.

עלויות ומחזוריות

חומרים מורכבים בעלי ביצועים גבוהים נשארים יקרים בהשוואה לחומרי אלומיניום או פלדה. Raw, כלי, וזמני מחזור איטיים נוהגים עלות.יתר עלות.יתר על כן, מסובבים תרמוסט הם קשים למחזור; רובם בסופו של דבר במזומנים.מחקר לתוך מקרלים תרמופלסטיים ותהליכים אוטומטיים שואפות להפחית עלויות, בעוד ששיטות מחזור כימיות מכניות מפותחות.

תוצאות חיפוש ב- Engine Applications

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

הגנרל אלקטריק GE9X, המחזק את בואינג 777X, כולל את האריזות המסובכות הגדולות ביותר שיוצרו אי פעם.הקלות הללו נעשות מסיבים פחמן /טופקסי באמצעות מיקום סיבים אוטומטיים ומחוץ ל-autoclave.הם מכילים את להבי המעריצים ופועלים כנתיב עומס מבני.ה.החיסכון אפשר קוטר של 134 אינץ' תוך שמירה על משקל שניתן לנהל.

Rocket Nozzle מרחיב

חברות חלל פרטיות כגון SpaceX ו-Blue Origin משתמשות בהרחבות פחמן-פחמן על מנועי הבמה העליונים שלהם.TheFLT:0Raptor EngineFLT:1 משתמשות בתא סגסוגת נחושת מחדש, אך משתמש בהרחבה פחמן-פחמן-פחמן-פחמן כדי לחסוך במשקל.

מנוע הרכב Components

במנועי רכב בעלי ביצועים גבוהים, בלוקים מורכבים של צריכת מאניפל, כיסויי שסתום, וצנצות מבניות להפחית את המסה. סיבי פחמן מחזקים פולימרים (CFRP) הוכחו בטיפוסים, אך אתגרים הייצור נשארים.

בדיקות ואימות

לפני כניסת שירות, רכיבים מורכבים של מנועים עוברים בדיקות קפדניות.בדיקות מכניות כוללות Tenile, דחוס, וכוח Shear בכיוונים מרובים. הבדיקות הירומליות למדוד עמידות חום, רכיבה תרמית ויכולת גלי חום. מבחנים שומניים כפופים לחלקים של מיליוני מחזורים בעומסים הצפויים.באמצעות תכונות הפחתת היקנות הם קריטיים עבור קתות כי חייב לעמוד בלחץ פנימי.

שיטות הערכה לאנדיניות כגון סריקה קולית, X-ray coputed tomography, ו Shearography לזהות פגמים פנימיים כמו delaminations, רִיק, וסיבים כובד.ניתוח סטטיסטי של אוכלוסיות פגם מודיע קריטריונים קבלה והערכות סיכון.

שיקולים סביבתיים וקיימות

בעוד התעשייה נעה לעבר פליטות פחמן אפס נטו, ההשפעה מחזור החיים של תרכובות חייב להיות מטופלים. מרכיבים קלים להפחית צריכת דלק ופליטות במהלך השימוש, תוך כדי פיזור האנרגיה המוטבעת של ייצור.Efforts הם בדרך לפתח רסטין מבוסס ביולוגית, סיבים פחמן ממוחזרים ומערכות תרמופלסט שניתן להחזיר ולהעבד מחדש.

כיוונים עתידיים ומחקר

מחקרים מתקדמים נועדו לדחוף את הגבולות של ביצועים מורכבים.נוחומרים כגון צינורות פחמן ו גרפן משולבים במכונים כדי לשפר את מוליכות חשמלית, קשיחות וניהול תרמי. מערכות מורכבות עצמית יכול לתקן microcracks באופן אוטונומי. ייצור אדרטיבי יאפשר מבנים צמיגים וחיישנים משולבים, להפוך מנועים לחצבים חכמים לפקח על הבריאות שלהם.

עיצובים היברידיים המשלבים מתכות ומורכבים בארכיטקטורה מותאמות מציעים את הטוב ביותר של שני העולמות: הגנה תרמית מתכתית עם אורות מורכבת.התקדמות בממשק ומקדם של התאמה להתרחבות תעשה את ההיברידיות האלה מעשי יותר.

אינטגרציה דיגיטלית

טכנולוגיה תאום דיגיטלית - העתק וירטואלי של המרכיב הפיזי - מאפשר ניטור ביצועים בזמן אמת ותחזוקה חיזוי. עבור חלקי מנוע מורכבים, תאומים דיגיטליים לשלב נתונים תהליך, עומסי שירות, וחשיפה סביבתית לחיזוי חיים שימושיים. גישה זו משפרת את הבטיחות, מפחיתה את עלויות תחזוקה ומסייעת לייעל עיצובים של הדור הבא.

מסקנה

משקל אור, חומרים מורכבים גבוהה הפכו הכרחיים עבור אריזות המנוע המודרני ואת nozzles. היכולת שלהם להפחית במשקל בעוד עם תנאים קיצוניים של יציבות, דחיפה, עמידות כי יהיה בלתי אפשרי עם מתכות לבד. כמו טכנולוגיות ייצור מערכות ייצור בוגר וחדש חומר יוצא, מורכב ימשיך להניע את האבולוציה של חלל ומהנדסי רכב.

(ב) עיין ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]