Välkommen ombord!

Välkommen ombord!

Ingenjörerna inom SKF Aerospace samarbetar med SKFs kunder för att utveckla innovationer för dagens och morgondagens behov.

Författare
Gregory A Zimmerman, SKF Aerospace manager global application and product engineering, SKF Aerospace North America, Falconer NY 17433, USA

Flyg- och rymdteknik Cylindriska rullager

För flygindustrin har det senaste decenniet varit det mest spännande, dynamiska och innovativa i dess historia. Rekordstora beställningar, nya administrativa och miljömässiga krav, oförutsägbara bränslepriser och globala konflikter är bara några av de faktorer som har drivit fram lanseringen av ett aldrig tidigare skådat antal nya plattformar och tekniska lösningar inom flygindustrin. SKF Aerospace-team från hela världen arbetar sida vid sida med SKFs kunder för att säkerställa att dagens och morgondagens krav uppfylls.

Jakten på fart och tillförlitlighet
Flygets historia sträcker sig över mer än 2 000 år, från de första försöken att flyga med drakar från torn, till supersonisk och hypersonisk flygning med moderna jetplan. Långt innan bröderna Wrights berömda första flygning i Kitty Hawk ägde rum, fantiserade kända uppfinnare som Leonardo da Vinci, John Stringfellow och Lawrence Hargrave om den ena flygmaskinen märkligare än den andra. Experiment med segelflygplan lade grunden till principen för flygfarkoster tyngre än luft, och i början av 1900-talet gjorde framsteg inom motorteknik och aerodynamik kontrollerad motordriven flygning till en realitet.

Den 17 december 1903 klockan 10.35, flög Orville Wright för första gången en motordriven flygfarkost som var tyngre än luft. Flygningen varade i 12 sekunder och sträckan var 36,5 meter (fig. 1). Det moderna flygplanet med sitt karakteristiska stjärtparti fick sitt genomslag 1909, varefter flygplanens historia knöts till utvecklingen av allt starkare motorer.

Den första motorflygningen i historien

Fig. 1: Den första motorflygningen i historien, utförd av bröderna Wright den 17 december 1903.

Mellan 1940 och 1960 ökade flygplanens hastigheter med en faktor fyra, och med ännu snabbare modeller på ritbordet. Dessa idéer kommer till heders i dag, med överljudsflygningens potentiella återfödelse. År 1907 satte flygpionjären Glenn Curtiss ett internationellt hastighetsrekord (220 km/h) – dock inte i ett flygplan utan på en motorcykel (fig. 2).

Glenn Curtiss sätter hastighetsrekord

Fig. 2: 1907, Glenn Curtiss sätter hastighetsrekord, 220 km/h, på motorcykel.

Det skulle ta ytterligare sex år innan den första motorn som var speciellt konstruerad för flygplan slog igenom. Den roterande 14-cylindriga Gnome på 117 kW (160 hk), monterad på fransmannen Louis Béchereaus träflygplan, vann 1913 års Gordon Bennett Aviation Trophy med en medelhastighet på 200 km/h.

Efter första världskriget drevs hastighetsutvecklingen av militärens globala sug efter teknik, samtidigt som vi fick se de första flygindustristandarderna med fokus på säkerhet. Detta bidrog till utvecklingen av kommersiell flygtrafik.

En viktig milstolpe i flygets historia och i jakten på höga hastigheter är Lockheed Martin SR-71 Blackbird (fig. 3). År 1976 satte planet hastighets- och höjdrekord, med 3 529,6 km/h på en höjd av 25 929 meter – ett rekord som står sig än i dag.

Lockheed Martin SR-71 Blackbird

Fig. 3: Lockheed Martin SR-71 Blackbird innehar sedan 1976 ett internationellt hastighetsrekord på 3 529,6 km/h.

SR-71 flög regelbundna spaningsuppdrag vid hastigheter över Mach 3 och kunde från en höjd av 24 kilometer överblicka mer än 250 000 kvadratkilometer av jordens yta per timme. De extrema förhållandena gjorde det möjligt för flygplanet att undvika fientliga stridsflygplan och missiler, men de två personerna i besättningen måste bära astronautliknande dräkter för att skydda sig i händelse av tryckförlust i kabinen.

Motorer – översikt
Motorn är den avgörande komponenten för alla ovan nämnda flygplan. Förr i tiden fanns det många olika principer för att driva ett flygplan, men i dag är turbofläktmotorn, som är en utveckling av turbojetmotorn, den vanligaste lösningen för kommersiell flygning (fig. 5).

En turbojetmotor är en gasturbinmotor som fungerar genom att suga in och komprimera luft med en kompressor (axiell, radiell eller båda), blanda bränsle i den komprimerade luften, bränna blandningen i en brännkammare och låta den uppvärmda förbränningsgasen med högt tryck passera genom en turbin och ut genom ett utblås. Kompressorn drivs av turbinen, som i sin tur drivs av den expanderande gasen som passerar genom den. Motorn omvandlar den kemiska energin i bränslet till kinetisk energi i avgaserna, vilka ger upphov till en framåtriktad dragkraft. All luft som passerar insuget fortsätter genom kompressorn, brännkamrarna och turbinen. Eftersom turbojetmotorn är en värmemotor expanderar förbränningsgaserna mer ju högre förbränningstemperaturen är.

En turbofläktmotor har en fläkt (fig. 5) som pressar en del av luften runt motorns kärna istället för genom den. Massflödesförhållandet mellan luften som passerar utanför kompressorn och luften som passerar genom den kallas motorns bypass-förhållande. De största fördelarna med en turbofläktmotor är betydligt lägre bränsleförbrukning och ljudnivå. Vissa moderna turbofläktmotorer har så höga bypass-förhållanden som 12:1.

Turbojetmotorns funktionsprincip.

Fig. 5: Turbojetmotorns funktionsprincip.

SKF Aerospace
SKF Aerospace har mer än 2 500 medarbetare och är en av världens största tillverkare av lager för flygmotormarknaden. SKF är ett ledande företag inom lager för flygmotorer och flygkroppar, elastomerlager, kompositlösningar, tätningar, lagerenheter och tillhörande teknik. SKF bidrar till att förändra flygindustrin genom att hjälpa flygplansbyggare att uppfylla en mängd olika kundkrav. Detta gör man med nya, innovativa lösningar, och det är de som driver SKF framåt.

Nordamerika
SKF Aerospace i USA grundades 1940 då SKF köpte en fabrik för flygplanslager i Philadelphia, Pennsylvania. För att möta den växande efterfrågan på flygplanslager förvärvade SKF 1986 MRC, en del av TRW Bearings Division. Företaget ligger i Falconer, New York (fig. 6). I förvärvet av MRC ingick en anläggning för precisionskullager i Winsted, Connecticut. Så småningom stängde SKF anläggningen för flygplanslager i Philadelphia och överförde en del av dess produktion till MRC-anläggningar. År 1990 förvärvade SKF Chicago Rawhide – i dag SKF Sealing Solutions – som ligger i Elgin, Illinois. Här tillverkas flygplanstätningar och produkter för rörelsestyrning.

SKF Aeroengine North America

Fig. 6: SKF Aeroengine North America, i Falconer, New York.

År 2000 etablerades SKF Aero Bearing Service Center (ABSC) i Charleston, South Carolina. ABSC specialiserar sig på översyn och reparation av flygmotorlager. År 2007 slöt SKF ett samriskavtal med General Electric Aircraft Engine som att etablera en tillverkningsanläggning i Ladson, South Carolina. 2013 förvärvade SKF Kaydon Corporation, som tillverkar produkter för alla segment, inklusive flyg. Kaydons flygproduktportfölj omfattar koltätningar och periferitätningar. Koltätningar används i första hand för att täta huvudaxellager i flyg- och flygmotorapplikationer. Axeltätningar till flygturbinmotor är konstruerade för att täta huvudaxellagringar och oljetråg för effektivare och miljömässigt mera hållbar drift.

Europa
SKF Aerospace Europe startades med Clevedon, som ligger i North Somerset, England. Det hette formellt AMPEP, Aerospace. Verksamheten grundades 1963 och köptes så småningom upp av SKF-företaget SARMA. År 2005 noterades ytterligare en förändring när AMPEP blev SKF (U.K.) Limited, Aerospace – Clevedon. Clevedon har specialiserat sig på konstruktion och tillverkning av självsmörjande PTFE-/glasfiberarmerade lager för både flygapplikationer och industri. Lagren används i stor utsträckning både i flygfarkoster med fasta vingar och i helikoptrar, framför allt för rörelse av roderytor. 1966 förvärvade SKF lagerfabriken RIV i Villar Perosa, Italien. Anläggningen i Villar Perosa tillverkar specialutvecklade lager och lösningar för flygmotorer, transmissionsutrustning och andra speciella tekniskt avancerade tillämpningar.

År 1971 byggde SKF en fabrik i Lons-le-Saunier, Frankrike. 2005 blev SKF ensamägare till Stonehouse-fabriken i Gloucestershire, England. Stonehouse har en 90-årig historia som lagertillverkare och som en betydande leverantör till globala flygplansföretag. 2006 förvärvade SKF SNFA, ett ledande franskt företag inom högprecisionslager. SNFA grundades i Valenciennes år 1952. Företaget konstruerar och tillverkar högprecisionslager för flyg-, rymd och specialtillämpningar. År 2013 öppnades Aerospace Technical Center Europe i Valence, Frankrike. Här arbetar högkvalificerad teknisk personal med avancerad produktutveckling. Teknikerna hart tillgång till testanläggningar i världsklass för att ta fram flygtekniklösningar.

Framsteg inom lagerstål för flygapplikationer
Efter hand som flygindustrin har flyttat fram gränserna för många teknikområden har lager blivit nyckelkomponenter för teknikens utveckling. De viktigaste aspekterna för lagren till huvudaxel och växel var utvecklingen av material och värmebaserade tillverkningsmetoder (smide, värmebehandling, etc.). Dessa var de primära fokusområdena, och är det fortfarande (fig. 7).

Framsteg inom material, värmebehandling och tillverkningsteknik

Fig. 7: Framsteg inom material, värmebehandling och tillverkningsteknik har alla varit grundläggande för utvecklingen av huvudaxellager. Här handlar det både om ökad prestanda och om förmågan att integrera tilläggsfunktioner.

I takt med att motorer blev allt mer specifikt utformade för flygplan gick de ingående komponenterna samma väg. Från 1930- till 1950-talet var enkla lagerstål (tidiga 52100-kvaliteter) den primära lösningen. En lågkvalitativ legering med dagens standard, men med acceptabel tillförlitlighet. När statliga tillsynsmyndigheter blev en drivande kraft i försörjningskedjorna publicerades industristandarder som specificerade minimikrav för kritiska material. Ett exempel är de första globala standarderna för civil luftfart som fastlades i och med Chicagokonventionen 1944. Standardiseringen utvidgades till militärflyget och ledde till användning av väldefinierade tillverkningsprocedurer som styrs av motor- och växeltillverkarna. Resultatet blev högre tillförlitlighet och minskade risker.

På 1960-talet lanserades M50-stålet – den första stålsorten som utvecklats speciellt för flygmotorlager. M50-stål i flygmotorlager innebar att stålets hållfasthet inte längre är den begränsande faktorn för drifttemperaturen. I stället blev smörjningen den begränsandefaktorn, och har så förblivit. Det gick nu att öka den nominella livslängden avsevärt i jämförelse med tidiga 52100-stål, samtidigt som gränstemperaturerna kunde höjas mycket. Framstegen i produktion av sätthärdade stål M50NiL gjorde det möjligt att integrera strukturella funktioner i flygmotorlager, samtidigt som lagrens goda grundegenskaper kunde bibehållas. Sätthärdade stål, med större kvarstående kompressiva spänningar i kontaktytan, ger ytterligare motstånd mot rullkontaktutmattning. De ”mjukare”, mer elastiska, egenskaperna i komponenternas kärnor tillåter konstruktören att använda snävare passning, vilket är nödvändigt med ökande driftvarvtal och konsekvenser av ringutvidgning relativt axeln.

Dessa egenskaper måste bibehållas vid temperaturer som kan nå och i vissa situationer överstiga 200 °C, och där materialet måste ha en ythårdhet på minst ~58 HRC för att säkerställa tillförlitlig drift. Nitrering av M50/M50NiL kan avsevärt öka ythårdheten (upp till ~70 HRC), vilket i huvudsak ger förbättrad beständighet mot kontaminering. Nitrering är att tillföra kväve till komponentytan genom en diffusionsprocess. Detta resulterar i en kväveprofil som ger ökad ythårdhet. Vid nitrering av stål med flygplanskvalitet har omfattande tester visat betydelsen av den resulterande mikrostrukturen (till exempel inget vitt ytskikt och inga fällningar längs korngränserna), om man ska kunna dra full nytta av processen. Eftersom nitrering är både tidskrävande och kostsam används tekniken numera främst på stora lager (håldiameter > 120 mm) till huvudaxeln (fig. 10). Man kan anta att de driftförhållanden som nästa generations flygmotorlager (2030+) utsätts för kommer att överstiga kapaciteten hos de lagerstål som används i dag (fig. 8).

Cylindriskt rullager till motorns huvudaxel.

Fig. 10: Cylindriskt rullager till motorns huvudaxel.

Kullager till huvudaxeln i en flygmotor

Fig. 8: Kullager till huvudaxeln i en flygmotor (axialbelastning). Utveckling av toppbelastningar som möjliggjorts av framsteg inom material, konstruktion och tillverkning.

Detta fenomen är redan en drivkraft i konstruktionsarbetet bakom nya högpresterande motorlösningar. Här testas alternativa materialkombinationer och ytbehandlingar för att förbättra livslängd och prestanda, inklusive hybridlager (löpbanor av stål och kulor av kiselnitrid) samt stålsorterna nitrerat M50 och nitrerat M50NiL. Av de många potentiella kandidatmaterial som undersökts under de senaste två decennierna framstår Pyrowear®675 (P675) som en legering med alla de egenskaper som man kan önska sig för nästa generations lager. Bland dessa kan nämnas: goda högtemperaturegenskaper, med en hårdhet på ~58 HRC vid 357 °C, dubbel vakuumsmältning, korrosionsbeständighet, stor kvarstående kompressiv spänning på grund av sätthärdning, låg restaustenithalt, fin kornstorlek, samt uppkolade, sätthärdade och balanserade stora karbider som ger god slitstyrka utan att minska RCFlivslängden. P675 är en höghållfast, uppkolad kvalitet av martensitiskt rostfritt stål som har utvecklats av Carpenter Technology Corporation.

Språng mot framtiden
För femtio år sedan publicerade Aviation Week en annons som beskrev den ”nya” Boeing 737, som redan hade säkrat 124 order från 15 flygbolag. Detta markerade början av den första familjen jetflygplan i världen. Flygplanet var konstruerat med större likformighet och längre räckvidd än de aktuella modellerna 707 och 727. Dessutom hade kabinen sex stolars bredd – en nyhet vid den tiden. Planet skulle lyfta första gången den 9 april 1967, i och med den inledande leveransen av 737-100 till tyska Lufthansa. I dag fortsätter modell 737 att sätta nya rekord med en total orderbok på mer än 13 000 flygplan och omkring 9 000 leveranser sedan starten. 737 MAX som för närvarande håller på att flygtestas kommer att ha CFM LEAP-motorn som enda motoralternativ (fig. 9). CFM International är ett 50-50-samriskbolag mellan GE Aviation i USA och Snecma i Frankrike.

LEAP-motor

Fig. 9: LEAP-motor.

LEAP är en nästa generations flygmotor som har konstruerats och utvecklat med fokus på att reducera bränsleförbrukningen och minska emissions- och bullernivåer. Det sitter varianter av LEAP-motorn i flygplansmodellerna Boeing 737 MAX, Airbus A320neo och COMAC C919.

CFM:s LEAP-familj representerar det primära motorvalet för nästa generations mellanklassflygplan (fig. 9). LEAP-1A kan levereras som option för Airbus A320neo, LEAP-1B är det enda motoralternativet för Boeing 737 MAX och LEAP-1C är det enda västerländska motoralternativet för COMAC C919. Motorerna har redan beställts av mer än 50 kunder över hela världen.

SKF har en mångårig affärsrelation med CFM International och har bidragit med kunskap inom tillverkningsteknik, konstruktion och testning av lager till huvudaxel och växel inom ramen för utvecklingen av LEAP-motorn. Huvudaxellagren, av hybridtyp med keramiska rullkroppar, som har utvecklats för LEAP-motorprogrammet kommer att bidra till lättare, tystare och mer bränslesnåla flygmotorer, som avger upp till 16 procent mindre koldioxid än föregångaren, CFM56.

– Att ingå i ett av branschens mest prestigefyllda motorutvecklingsprogram är en spännande möjlighet för SKF, säger Rutger Barrdahl, direktör för SKF Aerospace.

− Det är också en bekräftelse av att SKFs gemensamma strategi för teknikutveckling ligger i linje med branschens fokus på att minska utsläppen.

Relaterat innehåll