激光焊接的轻量化结构可以让飞机引擎更轻,而且又不会降低强度。这项技术能节省燃料,减少排放,其开发者 GKN Aerospace 预计它的牵引力将会非常之大。

对于空运而言,出色的燃油经济性和较小的碳足迹完全关乎重量。同时,飞机组件必须坚固,要能承受极端应变。

“通过添加材料来增加组件强度对于航空航天业来说并非可行的解决方案。我们开发出了一种针对轻量化结构的独特激光焊接技术。它能让飞机引擎部件减轻 10% 至 15%,并且能大幅节省燃油。”GKN Aerospace 公司的 Robert Lundberg 说。

瑞典的创新解决困局

轻量化、高强度:创新的引擎组件减少油耗 10 – 15%。图片来源:INNOVAIR

“在同一种技术解决方案中结合轻量化和高强度的效果并非微不足道。这些要求看似相互矛盾,但是我们能够突破常规思维,去挑战材料和性能的界限。我们正在使用引擎的事实让这个任务变得愈发困难,因为热应力和机械应力是如此重要,”Robert Lundberg说。

“GKN Aerospace 建造激光焊接的轻量化结构的方法涉及到用金属板材、锻件和小型模具组装的组件来替代重型模制组件。我们不得不推进激光焊接技术,但也要推进焊接模拟,这对预测组件中的变形和残余应力至关重要。没有它们,这种进行了极端重量优化的焊接结构就不可能实现。”

“我们最终实现了比传统引擎结构的重量轻 10% 至 15%。低油耗是航空航天业的强大推动力,这种解决方案有着巨大的市场。此类结构已在 PW1000G 引擎系列中采用,庞巴迪 C 系列、巴西航空工业公司E-Jet-E2、三菱 MRJ 和空客 A320neo 等飞机都将使用该系列引擎,” Robert Lundberg 表示。

“焊接的轻量化结构还有其他许多应用,例如空间技术、能源生产和汽车工业。通常情况下,航空航天业的创新可能促成重要技术转移。”

航空航天战略创新计划

技术发展要历经许多阶段(用技术成熟度 TRL 表示)。TRL 1 表示基础研究,而处于 TRL 9 阶段的技术已完全商业化。插图:INNOVAIR。

航空旅行和航空运输在减少温室气体排放方面发挥重要作用。这方面一直保持稳步进展,一架飞机的油耗在五十年内已经减半。在瑞典,因飞行产生的排放占全球二氧化碳排放量的 2-3%,其中 1% 是由国内航班所致。欧盟高度重视节油飞机的开发,多个成员国开展了欧盟资助的合作项目,集结了院校、当局和行业参与者。

INNOVAIR 是瑞典国家航空航天战略创新计划。 PW1000G 引擎项目便是航空航天工程创新结构的一部分,PW1000G 涡轮机将主要为欧盟的 ACARE(欧洲航空研究与创新咨询委员会)环境目标做出贡献。与此同时,他们也符合 INNOVAIR 促进航空航天业及其作为国际项目供应商角色的长远目标。

“军用航空和民用航空领域的创新和科技发展遵循一种我们称之为‘斜波’的原则;当一波浪潮开始之后,需要 15 年的发展才能实现商业化。它必须历经技术成熟度的每个阶段:构想、基础研究、应用研究、原型制作、产品开发、现场试验等。PW1000G 的轻量化结构就是一个好例子——只不过这款产品现在已经成熟。由于环保标准会不断发展,未来对于更轻量化、更高强度组件的需求只会提高。从 PW1000G 获得的经验对于下一波技术发展是很重要的。”Robert Lundberg 说。

参与 PW1000G 涡轮机结构项目的除了 GKN Aerospace,还有 University West、LuleåUniversity of Technology、PTC Innovatum、Swerea、Pratt & Whitney、Tooltec、Brogren Industries、Permanova Laserteknik 和 Midroc Automation等多家机构。

本文发表于 2017 年 11 月。