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技術(shù)支持
碳達峰碳中和政策對航空軸承的影響與對策思考

中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司總工程師 馬芳

【摘 要】 航空運輸是交通運輸碳排放中的重要組成部分,全球航空業(yè)、航空公司、制造商、零部件供應(yīng)商均在不斷提升技術(shù),通過各種方式尋求實現(xiàn)碳中和目標。在當前發(fā)展預(yù)期下,重新審視航空軸承尤其是航空發(fā)動機軸承面臨的影響與對策極為必要,為應(yīng)對雙碳政策在航空運輸領(lǐng)域推進所帶來的空前機遇與挑戰(zhàn),我國航空軸承領(lǐng)域亟待在產(chǎn)品創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新方面開展新技術(shù)與新產(chǎn)品研究,實現(xiàn)大尺寸高速圓錐/圓柱滾子軸承、開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機配套軸承、電磁懸浮軸承等關(guān)鍵產(chǎn)品創(chuàng)新;形成新型介質(zhì)潤滑、軸承綠色制造、低碳化試驗評價等先進應(yīng)用創(chuàng)新,構(gòu)建分階段全流程的航空軸承“碳優(yōu)化”技術(shù)發(fā)展路徑,為實現(xiàn)雙碳目標與助力清潔能源發(fā)展貢獻軸承力量。

【關(guān)鍵詞】 碳中和;碳達峰;航空軸承;航空發(fā)動機

0 引言

2019年12月11日,歐盟公布了《歐洲綠色協(xié)議》,設(shè)定了2050年歐洲實現(xiàn)碳中和的目標。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的定義,碳中和是指當一個組織在1年內(nèi)的二氧化碳排放通過二氧化碳去除技術(shù)應(yīng)用達到平衡。碳中和已成為社會的環(huán)境管理工具,其實現(xiàn)途徑分為碳排放和碳吸收兩大類。2020年9月22日舉行的第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上,習近平主席提出:中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。2020年12月12日,習主席在氣候雄心峰會進一步承諾:到2030年,中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右。實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標。

在當前的技術(shù)實踐與新能源發(fā)展趨勢之中,不論是氫能航空還是電能汽車都已成為Z為關(guān)注的焦點產(chǎn)品,而交通運輸業(yè)也正是碳排放存量與增量的Z大來源。從全球范圍看,交通運輸行業(yè)的二氧化碳排放量占人類碳排放總量的四分之一;在我國,交通運輸行業(yè)是國內(nèi)碳排放三大行業(yè)之一,當前我國交通行業(yè)碳排放年均增速保持在5%以上,交通運輸領(lǐng)域碳排放占全國終端碳排放約10~ 15%。

交通運輸?shù)奶寂欧胖�,航空運輸是重要組成部分,據(jù)統(tǒng)計,2020年全球航空運輸業(yè)每年的二氧化碳排放量超過10億噸,約占全部人類活動碳排放的2.8%;我國航空碳排放占交通運輸中的17.67%。數(shù)年來,全球航空業(yè)、航空公司、制造商、零部件供應(yīng)商不斷提升技術(shù),通過各種方式尋求實現(xiàn)碳中和目標。在當前發(fā)展預(yù)期下,基于現(xiàn)有傳統(tǒng)航空技術(shù)的進步,仍難以實現(xiàn)2050年碳排放量減少至2005年50%的目標,迫切需要新技術(shù)甚至是顛覆性技術(shù)改變航空技術(shù)現(xiàn)狀以滿足碳排放的要求。

在這一背景下,重新審視航空軸承尤其是航空發(fā)動機軸承面臨的影響與對策極為必要,為應(yīng)對雙碳政策在航空運輸領(lǐng)域推進所帶來的空前機遇與挑戰(zhàn),我國航空軸承領(lǐng)域亟待在產(chǎn)品創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新方面邁出新的一步,攀登新的高峰。

1 產(chǎn)品創(chuàng)新

1.1大尺寸高速圓錐/圓柱滾子軸承

GTF(齒輪傳動風扇)發(fā)動機已建立了對圓錐/圓柱滾子軸承的創(chuàng)新性應(yīng)用,主要體現(xiàn)為在動力齒輪箱中采用大尺寸高性能圓錐/圓柱滾子軸承,作為構(gòu)成齒輪傳動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)支承和重要構(gòu)件,其中圓錐滾子軸承由于采用錐角設(shè)計,可承受較大的(單向)軸向和徑向的聯(lián)合負荷,應(yīng)用潛力更大。目前普惠PW100G齒輪風扇發(fā)動機已投入商業(yè)運行,羅羅基于齒輪傳動的UltraFan超扇發(fā)動機即將于2022年結(jié)束驗證階段,燃油效率可較遄達700提高25%。國外主要軸承企業(yè)在齒輪傳動風扇發(fā)動機用圓錐滾子軸承方面已處于領(lǐng)先地位,F(xiàn)AG已經(jīng)形成了系統(tǒng)化的研究與產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用,重點在圓錐滾子軸承承載能力、可靠性、高速性、低摩擦、低振動等性能指標提升方面獲得突破,并且仍在進行著持續(xù)的優(yōu)化改進。

此類產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)在于高度關(guān)注與航空動力制造商的聯(lián)合研發(fā),開展圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用技術(shù)研究,建設(shè)專用大尺寸圓錐滾子軸承交付能力,重點滿足高速、可靠性高、壽命長、低摩擦等要求,形成與GTF發(fā)動機方案協(xié)同的技術(shù)路線,并預(yù)先開展配套設(shè)計、工藝、檢測、使用等方面技術(shù)研究,實現(xiàn)高性能圓錐滾子軸承的自主化研制。

1.2 開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機配套軸承

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機出現(xiàn)于20 世紀70 年代末,也稱?涵道風扇發(fā)動機或槳扇發(fā)動機,其兼具渦扇發(fā)動機巡航速度高(Ma0.7~0.82)和螺旋槳發(fā)動機推進效率高(>0.8)特點。當前研究路線集中于采取先進的槳扇推進器作為產(chǎn)生拉力或推力的主體,對現(xiàn)有的渦扇發(fā)動機進行革新,即“超涵道比風扇”概念。先進槳扇推進器的應(yīng)用提出了對反向旋轉(zhuǎn)齒輪箱的需求,AVIO發(fā)展了PGB反向旋轉(zhuǎn)齒輪箱行星齒輪軸承方案,由行星齒輪單列調(diào)心滾子軸承以及配套新材料、表面處理、狀態(tài)檢技術(shù)構(gòu)成。

此類產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)為先進行星齒輪軸承設(shè)計與應(yīng)用技術(shù),與直升機減速/傳動系統(tǒng)行星齒輪存在著一定技術(shù)差異。主要研究工作包括提升高速、無機匣氣動負荷下軸承工況適應(yīng)性設(shè)計、先進集成結(jié)構(gòu)行星輪雙列圓柱滾子及單列調(diào)心滾子軸承設(shè)計及制造、高承載/重量比與對中補償工作狀態(tài)下軸承承載分析與評價技術(shù)等。

1.3 電磁懸浮軸承

磁懸浮軸承是利用磁力將被控對象穩(wěn)定懸浮于給定的位置,實現(xiàn)無接觸的高性能軸承。常用的主動磁懸浮軸承由傳感器、被懸浮物體(轉(zhuǎn)子)、控制器和執(zhí)行器四大部分組成。用磁懸浮軸承取代傳統(tǒng)滾動軸承設(shè)計的多電發(fā)動機(也稱全電發(fā)動機)是航空發(fā)動機的未來發(fā)展方向,發(fā)達國家已將其列為21世紀先進航空發(fā)動機高效率與輕量化的關(guān)鍵高新技術(shù),并開始應(yīng)用研究;電磁懸浮軸承在小型發(fā)動機以及智能發(fā)動機中有很大的應(yīng)用前景。

此類產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)為磁懸浮軸承的航發(fā)適應(yīng)性改進與失效預(yù)防保護技術(shù),航空特殊條件下磁懸浮軸承的應(yīng)用技術(shù)等。在航空發(fā)動機應(yīng)用中,磁懸浮軸承需要適應(yīng)相應(yīng)的環(huán)境參數(shù),如250℃以上的高溫,周期性不穩(wěn)定氣動附加載荷,對發(fā)動機高速轉(zhuǎn)子的位置進行檢測實現(xiàn)懸浮等。為滿足這些極端特殊環(huán)境要求,需要在材料、結(jié)構(gòu)、加工制造工藝和控制算法等方面采取一系列的專門措施,并且需要相應(yīng)的試驗條件以及跨學科協(xié)同攻關(guān)。

圖1 未來航空動力技術(shù)

2 應(yīng)用創(chuàng)新

2.1新型介質(zhì)潤滑

隨著航空動力系統(tǒng)革新,燃油、液氫等工作介質(zhì)直接潤滑可以提供更低的溫度輸入或更小的結(jié)構(gòu)重量,對軸承系統(tǒng)提出了全新的技術(shù)要求。

此類應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)為介質(zhì)材料相容性分析技術(shù)及潤滑影響分析技術(shù)等。主要研究新潤滑介質(zhì)與軸承材料相容性問題、新潤滑介質(zhì)對鋼材、高分子材料、陶瓷等材料的相容性問題。尤其針對高溫、高壓的工況條件下,是否會對材料的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。新潤滑介質(zhì)對軸承潤滑性能的影響方面,主要研究針對工況的潤滑劑材料性能,極壓性能、化學性能、熱性能、低溫特性、電磁特性等。通過軸承臺架試驗,驗證其是否能夠滿足潤滑要求,同時對軸承疲勞壽命進行評估。

2.2 軸承綠色制造

軸承的綠色制造主要涵蓋鍛造、熱處理、冷工藝、再制造等環(huán)節(jié),相對傳統(tǒng)軸承工藝發(fā)生了顯著改變。

該領(lǐng)域重點為發(fā)展近凈成型技術(shù),改革自由鍛制坯-輾環(huán)工藝,采用精密鍛造方法,并全線控制金屬流線,提高軸承疲勞壽命。近凈成形是在材料再結(jié)晶溫度以上進行鍛造,成形后只需要進行少量機加或不再機加即符合Z終零件質(zhì)量和形狀要求的成形技術(shù),是先進制造技術(shù)的重要組成部分。,不僅節(jié)約材料、能源,減少加工工序,顯著提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,還可以使金屬流線沿零件輪廓合理分布,獲得更好的材料組織結(jié)構(gòu)與性能,從而提高產(chǎn)品可靠性和使用壽命。

2.3 低碳化試驗評價

低碳化試驗評價是在航空軸承產(chǎn)品研制方式改進和試驗驗證技術(shù)革新兩方面共同基礎(chǔ)上發(fā)展的新型軸承試驗體系。

在改進產(chǎn)品研制模式方面,是通過綠色試驗理念,實現(xiàn)試能源、物資消耗根本性下降。搭建完善的四級試驗體系,開展一級材料評估試驗形成材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,結(jié)合二級標準軸承壽命修正系數(shù)評估試驗,完善軸承實際壽命預(yù)測,補充三級全尺寸軸承工況適應(yīng)性考核試驗,替代耗時長、任務(wù)量大,能耗高的傳統(tǒng)壽命可靠性試驗,更加準確更加綠色的完成產(chǎn)品試驗。

同時,采用新技術(shù)開展軸承試驗平臺開發(fā),試驗設(shè)備節(jié)能減耗淘汰升級,結(jié)合四級試驗體系,針對電混/全電環(huán)境等新技術(shù)概念軸承,建設(shè)試驗設(shè)備、平臺,保證新技術(shù)概念軸承的工況適應(yīng)性充分考核,通過數(shù)據(jù)積累支撐設(shè)計迭代優(yōu)化,解決新技術(shù)概念軸承工作環(huán)境中可能面臨的污染、電蝕、脆性、沖擊蠕變等化學、物理損傷問題,實現(xiàn)新技術(shù)概念軸承的可靠性設(shè)計,為航空發(fā)動機綠色發(fā)展提供可靠性驗證保障。

3 總結(jié)與展望

通過以上對雙碳政策下航空軸承產(chǎn)品創(chuàng)新與應(yīng)用創(chuàng)新的思考,建議應(yīng)以全面布局,重點突破,循序漸進,階段提升的模式開展航空軸承“碳優(yōu)化”體系構(gòu)建,走出中國高端航空軸承的發(fā)展新路。

具體的航空軸承領(lǐng)域碳優(yōu)化發(fā)展可規(guī)劃為三個主要階段。

(1)階段 當前~2025年

推進碳優(yōu)化技術(shù)基礎(chǔ)研究,以減少現(xiàn)有軸承生產(chǎn)交付能源消耗為基礎(chǔ),常規(guī)結(jié)構(gòu)技術(shù)改進為主導(dǎo),實現(xiàn)初步的航空軸承碳優(yōu)化技術(shù)儲備,應(yīng)對“雙碳”政策、產(chǎn)業(yè)革新等不確定性風險。

(2)第二階段 2025年~2035年

開展碳優(yōu)化技術(shù)原理驗證,關(guān)注航空領(lǐng)域重點發(fā)展的低碳動力系統(tǒng)技術(shù)路線,進一步鞏固碳優(yōu)化軸承產(chǎn)品預(yù)研優(yōu)勢能力,驗證并提升相關(guān)技術(shù)成熟度。

(3)第三階段 2035年~2050年及未來

推進碳優(yōu)化技術(shù)全流程應(yīng)用,立足航空配套領(lǐng)域發(fā)展趨勢,推進自主研發(fā)能力建設(shè),推進各項前期關(guān)鍵技術(shù)研究工程化應(yīng)用與產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。

【參考文獻】

[1]韓玉琪,王則皓等.通向碳中和的航空新能源動力發(fā)展路徑分析[J].航空動力,2022,000(003):13-15.

[2]邱明.軸承關(guān)鍵共性技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].2016上海軸承峰會論文集,2016,40(6):68-72.

來源:上海軸承峰會論文集

中國軸承工業(yè)協(xié)會

2023-06-07

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