Vítejte na palubě!

Vítejte na palubě!

Technici SKF Aerospace spolupracují se zákazníky SKF na vývoji inovativních řešení pro současnost i pro budoucnost!

Autor
Gregory A. Zimmerman, manažer pro globální aplikace a přípravu výroby, SKF Aerospace North America, Falconer, NY, USA

Letectví a kosmonautika Válečková ložiska

Pro letecký průmysl se uplynulé desetiletí stalo tím nejúžasnějším, nejdynamičtějším a nejinovativnějším obdobím v celé jeho historii. Rekordní počty objednávek civilních letadel, nové vládní předpisy a předpisy na ochranu životního prostředí, nepředvídatelné pohyby cen paliv a globální konflikty představují jen některé z příčin, které způsobily, že na trh bylo uvedeno nebývalé množství nových platforem a technických řešení. Technici SKF Aerospace na celém světě úzce spolupracují se zákazníky SKF, aby jim pomohli splnit dnešní i budoucí výzvy.

Závod o rychlostní rekordy a spolehlivost
Dějiny letectví trvají více než 2000 let: od nejranějších forem létání – draků a skoků z věže – až po nadzvukové a hypersonické letouny, které jsou těžší než vzduch a jsou poháněné motory. Dlouho předtím, než bratři Wrightové uskutečnili první let s Kitty Hawk, slavní vynálezci, jako například Leonardo da Vinci, John Stringfellow a Lawrence Hargrave, sršeli nápady, jak dostat do vzduchu nejroztodivnější létací stroje. Pokusy s kluzáky připravily půdu pro letadla těžší než vzduch. Ještě před začátkem 20. století umožnily pokroky v konstrukci motorů a aerodynamice poprvé sestrojit řiditelná letadla poháněná motorem.

Dne 17. prosince 1903 v 10.35 se Orville posadil k řízení a bratři Wrightové uskutečnili první let stroje, který byl těžší než vzduch a byl poháněn motorem. Let trval 12 sekund a letadlo uletělo 36,5 m (obr. 1). Moderní letadlo s charakteristickým ocasem bylo postaveno již před rokem 1909. Od té doby je historie letectví úzce spojena s vývojem stále výkonnějších motorů.

Úplně první motorizovaný let uskutečnili bratři Wrightové 17. prosince 1903.

Obr. 1: Úplně první motorizovaný let uskutečnili bratři Wrightové 17. prosince 1903.

V období od čtyřicátých do šedesátých let 20. století se rychlost letadel zvýšila čtyřnásobně a na rýsovacích prknech již vznikaly další koncepce ještě rychlejších strojů – koncepce, které se dnes staly realitou a z nichž se vyvinula nadzvuková letadla. Světový rychlostní rekord (220 km/h) vytvořil v roce 1907 Glenn Curtiss – avšak nikoli v letadle, nýbrž na motocyklu (obr. 2).

V roce 1907 dosáhl Glenn Curtiss na motocyklu rychlosti 220 km/h a vytvořil tak světový rekord.

Obr. 2: V roce 1907 dosáhl Glenn Curtiss na motocyklu rychlosti 220 km/h a vytvořil tak světový rekord.

O šest let později – v roce 1913 – byl jeden z prvních motorů zkonstruovaných přímo pro pohon letadel, čtrnáctiválcový rotační motor Gnome s výkonem 117 kW (160 k), zabudován do dřevěného letadla. Francouz Louis Béchereaua s ním ve stejném roce dosáhl průměrné rychlosti 200 km/h a získal cenu Gordon Bennett Aviation Trophy v rychlostní soutěži.

Po 1. světové válce začaly armády na celém světě podporovat technický vývoj, který vyústil v závody o dosažení nejvyšší rychlosti. Současně letecký průmysl přijal první normy zaměřené na bezpečnost, které měly zásadní význam pro vývoj civilního letectví.

Důležitý milník v análech letectví a soutěže o dosažení nejvyšší rychlosti představuje SR-71 Blackbird společnosti Lockheed Martin (obr. 3). V roce 1976 překonal světový rekord, když dosáhl vzdušné rychlosti 3529,6 km/h v letové výšce 25 929 m. Tento rekord platí dodnes.

SR-71 Blackbird společnosti Lockheed Martin drží světový rychlostní rekord, který vytvořil v roce 1976 dosaženou rychlostí 3529,6 km/h.

Obr. 3: SR-71 Blackbird společnosti Lockheed Martin drží světový rychlostní rekord, který vytvořil v roce 1976 dosaženou rychlostí 3529,6 km/h.

SR-71 létal na pravidelných misích rychlostmi vyššími než Mach 3 a dokázal prozkoumat více než 250 000 km2 zemského povrchu z výšky 24 km za jednu hodinu. Takové extrémní provozní podmínky mu umožnily se bezpečně vyhnout proudovým stíhačkám nebo raketám. Dvoučlenná posádka však musela pro případ ztráty tlaku v kabině nosit skafandry podobné kosmickým.

Přehled motorů
Základem úspěchů všech výše uvedených letadel je hnací jednotka. V minulosti se zkoušelo mnoho originálních a rozmanitých způsobů pohonu letadel. Dnes se však stal nejběžnějším pohonem civilních letadel jednoproudový (turbokompresorový) motor (obr. 5).

Jednoproudový motor je motor s plynovou spalovací turbínou, který stlačuje vzduch v sání a v kompresoru (axiálním, odstředivém nebo v obou). V motoru dochází ke směšování paliva se stlačeným vzduchem. Směs je spalována ve spalovací komoře a poté ohřátý vysokotlaký plyn prochází turbínou a tryskou. Kompresor je poháněn turbínou, jíž uvádí do pohybu rozpínající se plyn procházející turbínou. Motor přeměňuje vnitřní energii paliva na kinetickou energii ve výfuku a vytváří tah. Veškerý nasávaný vzduch prochází kompresorem, spalovací komorou a turbínou. Jednoproudový motor je tepelný motor: čím je teplota spalování vyšší, tím větší je expanze plynů.

Turbodmychadlový (dvouproudový) motor má navícpřídavnou turbínu (obr. 5), která tlačí část vzduchu kolem hlavní části motoru. Poměr toku vzduchu kolem a skrz hlavní část motoru je tzv. obtokový poměr. Hlavními výhodami turbodmychadlového
motoru je jak významné snížení spotřeby paliva, tak i redukce hluku. Nejnovější turbodmychadlové motory dosahují obtokového poměru až 12:1. Spalovací teplota však nesmí být vyšší než teplota plynu na vstupu do turbíny, která závisí na konstrukci a materiálech turbíny.

Princip fungování dvouproudového motoru.

Obr. 5: Princip fungování dvouproudového motoru.

SKF Aerospace
SKF Aerospace má více než 2500 zaměstnanců a patří k největším světovým výrobcům ložisek pro letecké motory. SKF zaujímá vedoucí postavení ve výrobě ložisek pro letecké motory a draky letadel a ve výrobě elastomerových ložisek, kompozitních konstrukčních prvků, těsnění, jednotek a souvisejících technických řešení. SKF pomáhá změnit letecký průmysl – nabízí výrobcům letadel celou řadu inovativních řešení, aby dokázali plnit nejrůznější požadavky zákazníků. To představuje motivaci společnosti SKF na cestě vpřed.

Severní Amerika
SKF Aerospace zahájila činnost ve Spojených státech v roce 1940. Společnost SKF koupila závod na výrobu ložisek pro letecký průmysl ve Philadelphii v Pennsylvánii. Na základě rostoucí poptávky po leteckých ložiskách převzala v roce 1986 firmu MRC, součást ložiskové divize TRW, se sídlem ve Falconeru ve státě New York (obr. 6). Firmě MRC patřil i závod na výrobu přesných kuličkových ložisek ve Winstedu v Connecticutu. Společnost SKF později uzavřela výrobní závod ve Philadelphii a přenesla část výroby do závodů MRC. V roce 1990 koupila dále firmu Chicago Rawhide, dnes SKF Sealing Solutions, se sídlem v Elginu ve státě Illinois. Tento závod v současnosti vyrábí letecká těsnění a součásti pro řízení pohybu.

Obr. 6: SKF Aeroengine North America se sídlem ve Falconeru, New York.

Obr. 6: SKF Aeroengine North America se sídlem ve Falconeru, New York.

V roce 2000 SKF založila v Charlestonu v Jižní Karolíně Aero Bearing Service Center (ABSC). ABSC se specializuje na repasování a opravy ložisek pro letecké motory. V roce 2007 vytvořily společnosti SKF a General Electric Aircraft Engines společný podnik s výrobním závodem v Ladsonu v Jižní Karolíně. V roce 2013 převzala SKF firmu Kaydon Corporation, která vyrábí díly pro všechna průmyslová odvětví včetně leteckého průmyslu. Výrobní program firmy Kaydon pro letecký průmysl zahrnuje uhlíková a obvodová těsnění. Uhlíková těsnění se používají především k utěsnění ložisek hlavní hřídele v leteckých motorech. Těsnění hřídele leteckého turbínového motoru jsou určena k utěsnění ložiskového prostoru hlavní hřídele a olejové vany a tím přispívají k efektivnějšímu a ekologicky udržitelnějšímu provozu.

Evropa
Společnost SKF Aerospace Europe vznikla z původní firmy AMPEP Aerospace v Clevedonu v North Somersetu v Anglii. Firmu založenou v roce 1963 koupila společnost SARMA, která patřila do skupiny SKF. K další změně došlo v roce 2005, když se z AMPEP stala SKF (U.K.) Limited, Aerospace – Clevedon. Clevedon se specializuje na konstrukci a výrobu samomazných ložisek ze skelných vláken s kluznou plochou z PTFE pro letecký i strojírenský průmysl. Tato ložiska jsou používána hlavně v letounech s pevnými nosnými plochami a helikoptérách – především k ovládání řídicích ploch. V roce 1966 převzala skupina SKF závod na výrobu ložisek RIV ve Villar Perosa v Itálii. Závod vyrábí speciální ložiska a řešení pro letecké pohony, převodovky a jiné hi-tech aplikace.

V roce 1971 SKF vybudovala továrnu v Lons-le-Saunier ve Francii. V roce 2005 SKF získala 100procentní kontrolu v závodě Stonehouse v anglickém Gloucestershiru. Stonehouse má jako výrobce ložisek a hlavní dodavatel výrobců letadel po celém světě devadesátiletou historii. V roce 2006 SKF získala firmu SNFA, předního francouzského výrobce přesných ložisek. Firma SNFA se sídlem ve Valenciennes, která vznikla v roce 1952, konstruuje a vyrábí vysoce přesná ložiska pro letecký průmysl, kosmonautiku a speciální aplikace. V roce 2013 bylo ve francouzském Valence otevřeno středisko Aerospace Technical Center Europe. Středisko zaměstnává vysoce kvalifikované technické pracovníky v oblasti vývoje progresivních výrobků a je vybaveno špičkovým zkušebním zařízením na testování řešení pro letecký průmysl.

Pokroky ve výrobě ocelí pro letecká ložiska
Letecký průmysl posunul limity mnoha technických řešení a ložiska se stala klíčovou součástí, která umožnila dosáhnout uvedených úspěchů. Pro ložiska hlavní hřídele motorů a převodovek byl nejdůležitější pokrok v oblasti materiálů a tepelného zpracování (kování, tepelné zpracování atd.). To byla nejdůležitější oblast zájmu a zůstává jí i v současné době (obr. 7).

Zásadní pokroky v oblasti materiálů, technologie tepelného zpracování a výrobní technologie umožnily další vývoj ložisek pro hlavní hřídele motoru včetně zvýšené výkonnosti a schopnosti obsáhnout integrované struktury.

Obr. 7: Zásadní pokroky v oblasti materiálů, technologie tepelného zpracování a výrobní technologie umožnily další vývoj ložisek pro hlavní hřídele motoru včetně zvýšené výkonnosti a schopnosti obsáhnout integrované struktury.

Postupem doby začaly být konstruovány motory přímo pro letadla a stejným vývojem prošla i výroba součástí. Od třicátých do padesátých let byla používána „špinavá“ ložisková ocel (první ocel 52100). Z hlediska současných standardů se jedná o méně kvalitní ocel, ale s přijatelnou spolehlivostí, která však na tehdejší dobu představovala špičkové řešení. Jakmile se vlády staly hnací silou dodavatelských řetězců, průmyslové normy stanovily minimální požadavky na kritické materiály – např. první celosvětové standardy pro letectví z roku 1944, tzv. Chicagská úmluva. To byl začátek cesty, která vedla k vojenským letadlům, k zavedení zmrazených prováděcích plánů a konstrukcím ložisek kontrolovaným výrobci originálních zařízení (OEM) motorů a převodovek a dále k tlaku na zvýšení spolehlivosti a snižování rizik.

V šedesátých letech se stala ocel M50 první ocelí vyvinutou přímo pro ložiska leteckých motorů. Zavedení této ocele do výroby znamenalo, že vlastnosti oceli již nepředstavovaly omezující faktor vysokých provozních teplot. Omezujícím faktorem se tedy stalo – a v dnešní době stále zůstává – mazání. Ve srovnání s první ocelí 52100 bylo dosaženo výrazného zlepšení trvanlivosti při mnohem vyšších mezních teplotách. Pokrok ve výrobě cementační oceli M50NiL umožnil zapracovat vlastnosti struktury do konstrukce ložisek pro letecké motory při zachování jiných vlastností potřebných pro vysoké výkony. Cementační ocel, která má vyšší tlakové zbytkové napětí ve stykové ploše, se vyznačuje vyšší únavovou odolností v místě valivého styku. „Měkčí“ jádro s vyšší pružností umožňuje konstruktérovi volit větší přesah pro uložení ložisek, jaký vyžaduje zvýšení provozních otáček a vliv zvětšení objemu kroužků vzhledem ke hřídeli.

Tyto vlastnosti musí být zachovány při teplotách, které mohou dosáhnout a v některých případech dokonce i překročit 200 °C. Při uvedených teplotách si materiál musí uchovat tvrdost povrchu min. ~58 HRC, aby byla zajištěna spolehlivá funkce. Tvrdost povrchu může podstatně zvýšit nitridování oceli M50/M50NiL (až na ~70 HRC), které zlepší hlavní vlastnost – odolnosti proti znečištění. Nitridování je difuzní proces, při němž je povrch sycen dusíkem. Výsledkem je dusíkový profil, který zajišťuje vyšší tvrdost. V případě nitridování ocelí pro letectví dokázalo rozsáhlé testování důležitost vzniklé mikrostruktury (např. bez povrchové bílé vrstvy a precipitace na hranicích zrn) pro dosažení veškerých předností tohoto procesu. Vzhledem k časové náročnosti a vysokým nákladům se nitridování v současné době používá většinou při výrobě velkých ložisek (s dírou >120 mm) pro hlavní hřídel motoru (obr. 10). Podle předpokladů provozní podmínky ložisek leteckých motorů příští generace (po roce 2030) překročí možnosti dnešních ložiskových ocelí (obr. 8).

Válečkové ložisko hlavní hřídele motoru.

Obr. 10: Válečkové ložisko hlavní hřídele motoru.

Trend zvyšování náročnosti provozních podmínek kuličkových ložisek hlavní hřídele leteckého motoru (axiální zatížení), který umožnil pokroky v oblasti materiálů, konstrukce a výroby.

Obr. 8: Trend zvyšování náročnosti provozních podmínek kuličkových ložisek hlavní hřídele leteckého motoru (axiální zatížení), který umožnil pokroky v oblasti materiálů, konstrukce a výroby.

Tento vývoj se již nyní projevuje poptávkou po vysokovýkonných motorech z kombinací alternativních materiálů a povrchových úprav, jejichž účelem je dosáhnout prodloužení životnosti stávajících materiálů a zvýšení výkonnosti včetně hybridních ložisek (s ocelovými oběžnými drahami a kuličkami z nitridu křemíku) a nitridovaných ocelí M50 a M50NiL. Z nespočtu potenciálně použitelných materiálů, které byly zkoumány v uplynulých dvou desetiletích, je podle všeho nejvhodnější Pyrowear®675 (P675). Tento materiál má veškeré vlastnosti, jaké má mít legovaná ložisková ocel příští generace, a to včetně schopnosti zachovat tvrdost -58 HRc při teplotě 357 °C, přetavení ve vakuu, odolnosti proti korozi, výrazného tlakového zbytkového napětí po cementaci, nízkého podílu zbytkového austenitu, jemných zrn cementované vrstvy a rovnováhy velkých karbidů zajišťující odolnost proti opotřebení, avšak nikoli na úkor odolnosti proti únavovému poškození v místě valivého styku (RCF). P675 je vysokopevnostní martenzitická nerezová ocel vhodná k cementování, kterou vyvinula společnost Carpenter Technology Corporation.

Skok do budoucnosti
Před 50 lety časopis Aviation Week zveřejnil inzerát, který popisoval „nový“ Boeing 737. V té době si již 15 leteckých společností objednalo 124 letadel tohoto typu. Tak vznikla první řada tryskových letadel na světě. Toto letadlo má společné konstrukční vlastnosti s typy Boeing 707 a 727, avšak má delší dolet a šest sedadel vedle sebe, což tehdy byla naprostá novinka. První let se uskutečnil 9. dubna 1967 a první letadla typu 737-100 byla dodána německé Lufthanse. Typ 737 nadále láme rekordy – v objednávkové knize je celkem evidováno více než 13 000 letadel a od uvedení na trh jich bylo dodáno více než 9 000. V současné době probíhá vývoj typu 737 MAX, který je nyní testován a je poháněn výhradně motorem CFM LEAP (obr. 9). CFM International je společný podnik, v němž mají stejný podíl americká společnost GE Aviation a francouzská společnost Snecma.

Motor Leap.

Obr. 9: Motor Leap.

LEAP je letecký motor příští generace, jehož konstrukce a vývoj jsou zaměřeny na zlepšení spotřeby paliva a snížení emisí a hlučnosti. Různé varianty motoru LEAP budou instalovány do letounů Boeing 737 MAX, Airbus A320neo a COMAC C919.

Řadu CFM LEAP tvoří motory navržené pro příští generaci letounů s jednou uličkou (obr. 9). LEAP-1A je určen pro Airbus A320neo, LEAP-1B je jediný pohon, který bude montován výhradně do letounů 737 MAX a LEAP-1C je jediná hnací jednotka Western pro COMAC C919. Tyto motory si již objednalo více než 50 zákazníků z celého světa.

Společnost SKF má dlouhé obchodní vztahy s CFM International a svými znalostmi v oblasti výrobní technologie, konstrukce a testování ložisek hlavní hřídele a pomocných převodovek přispěla k celému vývoji motoru LEAP. Keramická hybridní ložiska hlavní hřídele, která byla vyvinuta pro program motorů LEAP, přispívají k lehčímu, tiššímu a úspornějšímu leteckému motoru, který vypouští až o 16 procent méně uhlíku než předcházející typ CFM56.

„Účast na jednom z nejprestižnějších programů vývoje motorů představuje pro SKF jedinečnou příležitost,“ říká Rutger Barrdahl, ředitel SKF Aerospace. „Je to také výraz uznání SKF za spolupráci na vývoji technických řešení zaměřených na snižování emisí v tomto odvětví.“

Související obsah