Đổi mới hợp tác cho tương lai cho động cơ máy bay của SKF Leave a comment

Ngành hàng không toàn cầu đã trải qua một vài năm đầy biến động. Đầu tiên, nhu cầu đi lại của hành khách sụt giảm do lệnh phong tỏa và hạn chế đi lại phát sinh từ đại dịch vi-rút corona. Sau đó, khi thế giới bắt đầu trở lại bình thường, tình hình đã có sự phục hồi mạnh mẽ: chỉ riêng trong năm 2022, lượng hành khách đi máy bay đã tăng 47 phần trăm.

Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế dự kiến ​​nhu cầu vận tải hành khách bằng máy bay sẽ tăng vượt mức trước đại dịch vào năm 2023 và các nhà sản xuất máy bay đang báo cáo rằng dây chuyền sản xuất bận rộn và danh sách đơn đặt hàng đầy đủ.

Mặc dù đây là tin tuyệt vời cho ngành hàng không, nhưng về lâu dài, ngành này vẫn phải đối mặt với những thách thức đáng kể, trong đó có các mục tiêu phát triển bền vững do các nhà chức trách trên thế giới đặt ra. Tuy nhiên, không giống như nhiều ngành công nghiệp khác, các giải pháp kỹ thuật cần thiết để cung cấp dịch vụ vận tải hàng không không phát thải ở quy mô lớn vẫn chưa được xác định.

Vai trò quan hệ đối tác chính của SKF

SKF đang đóng góp vai trò trong việc hỗ trợ phát triển các công nghệ hàng không vũ trụ thế hệ tiếp theo thông qua Trung tâm Phát triển Hàng không Vũ trụ, một cơ sở thử nghiệm mới được nâng cấp tại Valence, Pháp.

Nhiều dự án mà chúng tôi đang thực hiện hiện nay dự kiến ​​sẽ sử dụng máy bay được chế tạo vào những năm 2030 trở đi

Yves Maheo , giám đốc Trung tâm phát triển hàng không vũ trụ của SKF

Paolo Andolfi, giám đốc kỹ thuật hàng không vũ trụ tại SKF cho biết: “Lần đầu tiên, chúng tôi có một cơ sở duy nhất được trang bị để thử nghiệm mọi bộ phận được sử dụng trên máy bay, bất kể đó là chuyển động lăn hay trượt, các bộ phận quay với tốc độ hàng nghìn vòng quay mỗi phút hay các bộ phận không chuyển động chút nào”.

Phát triển sản phẩm hàng không vũ trụ là một quá trình hợp tác lâu dài và chặt chẽ. Yves Maheo, giám đốc Trung tâm Phát triển Hàng không Vũ trụ cho biết: “Thời gian hoàn thiện một công nghệ hàng không vũ trụ tiên tiến có thể lên tới 10 năm”. “Nhiều dự án mà chúng tôi đang thực hiện hiện nay dự kiến ​​sẽ sử dụng máy bay được chế tạo vào những năm 2030 trở về sau.” Và không giống như một số ngành công nghiệp khác, khách hàng cuối cùng tham gia vào các dự án đổi mới ngay từ giai đoạn rất sớm.

“Chúng tôi hợp tác với khách hàng ở mọi cấp độ”, Maheo giải thích. “Khách hàng chia sẻ lộ trình công nghệ của họ với chúng tôi và chúng tôi chia sẻ lộ trình của chúng tôi với họ. Họ cử các kỹ sư của họ đến Valence để làm việc với nhóm của chúng tôi về các dự án thử nghiệm và phát triển.”

Mối quan hệ làm việc chặt chẽ đó giúp SKF đảm bảo hiểu rõ nhu cầu của khách hàng trong mọi dự án. Maheo cho biết: “Một ví dụ về điều đó là Textilub, một loại vật liệu dệt tự bôi trơn mới được sử dụng trong bộ truyền động hàng không vũ trụ”. “Máy bay có tuổi thọ cao và các bộ phận chắc chắn sẽ bị mòn và cần phải thay thế. Phần lớn công việc của chúng tôi luôn tập trung vào việc làm cho các thành phần đó bền hơn. Tuy nhiên, khi chúng tôi trao đổi với khách hàng, họ cho biết các linh kiện có tuổi thọ cao hơn là tốt, nhưng điều họ thực sự muốn là các bộ phận hao mòn theo cách ổn định, có thể dự đoán được, giúp việc đại tu và thay thế dễ quản lý hơn. Chúng ta có thể kết hợp hiểu biết đó vào quá trình phát triển vật liệu mới.”

Các giống lai tiên tiến

Một lĩnh vực nghiên cứu quan tâm khác hiện nay là phát triển ổ trục cho các thế hệ động cơ phản lực trong tương lai. Các bộ phận này nằm ở trung tâm của máy bay hiện đại, hỗ trợ trục chính quay nhanh của động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt lớn trên mọi máy bay chở khách.

Động cơ hiện đại có hơn 10 ổ trục dọc theo trục chính và sự xuất hiện của các thiết kế động cơ kết hợp hộp số giữa quạt ở phía trước động cơ và các bộ phận máy nén phía sau đã làm phát sinh yêu cầu về các ổ trục chịu tải nặng bổ sung.

Khả năng của vòng bi được sử dụng trong động cơ có tác động đáng kể đến hiệu suất của động cơ. Chúng cần chịu được tải trọng cao và tốc độ quay cao, đồng thời hoạt động đáng tin cậy trong thời gian dài trong môi trường nóng và khắc nghiệt. Hơn nữa, các kỹ sư phải tính đến không gian mà ổ trục chiếm dụng khi họ xác định cấu trúc của thiết kế động cơ mới.

Trong khi đó, với mỗi thiết kế mới, vòng bi phải chịu tải trọng cao hơn vì các nhà thiết kế muốn tận dụng tối đa hiệu quả công suất từ ​​không gian có sẵn. Sự phát triển đó đang đưa các thiết kế và vật liệu ổ trục hiện có tiến gần đến giới hạn vật lý của chúng.

Một dự án mới kết thúc với sự tham gia của chuyên gia từ SKF đã dẫn đến sự phát triển của một loại vật liệu mới có thể mở ra bước đột phá về hiệu suất cho vòng bi động cơ trong tương lai. Dự án ARCTIC (Công nghệ ổ trục tiên tiến để tăng năng lực) được tài trợ bởi Clean Sky 2 Joint Undertaking, trong khuôn khổ chương trình nghiên cứu và đổi mới Horizon 2020 của Liên minh châu Âu, với Rolls-Royce là nhà tài trợ chính của dự án.

Alexandre Mondelin, kỹ sư phát triển sản phẩm của SKF cho biết: “Các loại vòng bi có hiệu suất cao nhất dành cho động cơ máy bay hiện nay sử dụng thiết kế lai”. “Chúng có các bộ phận lăn bằng gốm và vòng thép.” Ông giải thích rằng trong những thiết kế như vậy, giới hạn hiệu suất của ổ trục được xác định bởi khả năng của vòng thép trong việc chịu được ứng suất tiếp xúc cao từ các viên bi gốm cứng hơn.

Mục tiêu của dự án ARCTIC là tạo ra hợp kim thép mới kết hợp với các bộ phận lăn bằng gốm có khả năng chịu được ứng suất tiếp xúc cao hơn 15% và tốc độ quay cao hơn 25% so với thép chịu lực hàng không vũ trụ thông thường. Việc phát triển một vật liệu như vậy từ một trang giấy trắng là một công việc vô cùng khó khăn. Các loại thép được sử dụng trong ổ trục động cơ ngày nay được phát triển vào nửa sau thế kỷ 20. Jean-Baptiste Coudert, kỹ sư phát triển công nghệ của SKF cho biết: “Việc phát triển một loại thép mới chỉ phục vụ cho một ứng dụng duy nhất cũng là điều cực kỳ bất thường”.

Hợp kim mới lạ

Để phát triển loại thép mới, một nhóm tại Trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ SKF ở Hà Lan đã áp dụng nhiều thập kỷ chuyên môn về khoa học vật liệu và thử nghiệm hàng chục công thức nguyên mẫu bằng phần mềm mô phỏng vật liệu Thermo-Calc độc quyền của công ty. Trong quá trình này, họ cũng phải thiết kế một chu trình xử lý nhiệt mới và đảm bảo rằng cả quá trình sản xuất vật liệu và xử lý nhiệt đều có thể được hoàn thành một cách hiệu quả về mặt chi phí ở quy mô công nghiệp. Sau đó, Yves Maheo và nhóm của ông tại Valence cần thiết kế và chế tạo một giàn thử nghiệm công suất cao, tốc độ cao mới cho ổ trục trục chính quy mô lớn được sản xuất bằng loại thép mới.

Hợp kim cuối cùng được cấp bằng sáng chế có tên là ARCTIC15 đã đạt được tất cả các mục tiêu của dự án. Việc tăng 15 phần trăm khả năng tải có vẻ khiêm tốn, nhưng nó sẽ giúp tăng đáng kể hiệu suất của động cơ. Vòng bi lai được chế tạo bằng loại thép mới có thể chịu được tải trọng nhiều hơn 50 phần trăm so với thiết kế thông thường. Điều này cho phép động cơ sử dụng vòng bi nhỏ hơn và đường kính trục chính nhỏ hơn.

Việc sử dụng công nghệ này trên thiết kế hiện tại có thể giảm tổn thất điện năng tới 25 phần trăm, cho phép giảm kích thước hệ thống bôi trơn và làm mát và tiết kiệm trọng lượng trực tiếp. Việc tối ưu hóa thiết kế hơn nữa có thể làm tăng mật độ công suất, mở đường cho việc cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm 25 đến 30 phần trăm lượng khí thải carbon dioxide và nitơ oxit (mục tiêu của khách hàng).

Trong các cuộc thử nghiệm, ARCTIC15 đã chứng minh được một loạt các lợi ích bổ sung. Nó bền hơn thép thông thường, đặc biệt là trong điều kiện bôi trơn kém hoặc thiếu dầu. Ngoài ra, vòng bi gốm lai ARCTIC15 tạo ra ít rung động hơn so với vòng bi truyền thống, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy tổng thể của động cơ.

SKF hiện đang hợp tác với Rolls-Royce để công nghiệp hóa hoàn toàn giải pháp này, sau đó là thử nghiệm vòng bi hybrid ARCTIC15 trên nguyên mẫu động cơ UltraFan® H2 của nhà sản xuất động cơ này, thiết kế động cơ phản lực cánh quạt có hộp số thế hệ tiếp theo dành cho máy bay chở khách dân dụng.