Parlar sobre l'aplicació de l'aliatge de titani en els motors d'avions
Feb 07, 2022
Parlar sobre l'aplicació de l'aliatge de titani en els motors d'avions
A la dècada de 1960, quan el Regne Unit estava desenvolupant el famós caça "Harrier" P1127 d'enlairament i aterratge vertical d'un sol tir, un dels seus prototips, XP972, estava en un vol de prova el 30 d'octubre de 1962. Durant el vol de prova, la pala del compressor d'aliatge de titani del motor Pegasus utilitzat va xocar amb la carcassa d'aliatge de titani, provocant que el compressor s'encén. (Aquest fenomen d'incendi s'anomena "foc de titani"), provocant que el motor s'encén i s'aturi, l'avió es va estavellar i el pilot va ser llançat amb paracaigudes i rescatat amb èxit.
Uns anys més tard, a finals dels anys 1960, quan Pratt & Whitney dels Estats Units van desenvolupar un motor F100 amb una relació empenta/pes de 8,0 per al caça de tercera generació F-15 , durant el procés de posada en marxa, un motor va xocar amb la fulla d'aliatge de titani d'un compressor d'alta pressió i la carcassa d'aliatge de titani durant una prova a terra, fent que el compressor s'encén ("foc de titani"), les flames es van estendre per tot arreu. , i finalment tot el motor va ser destruït en un incendi (figura 2).
Figura 1. El prototip de l'avió "Harrier" es va estavellar a causa d'un "foc de titani" al motor durant el vol de prova.
Aquests dos errors importants van ser els primers errors del món que van provocar que el titani s'incendiés a causa de la col·lisió de dues peces d'aliatge de titani, però no es van prendre seriosament en aquell moment, de manera que després van aparèixer moltes vegades en molts motors. Segons les estadístiques de l'any 1979, durant els 17 anys de 1962 a 1979, hi va haver un total de 144 incidents d'incendi de titani en motors d'aviació als països occidentals, dels quals 59 van cremar a través de la carcassa del compressor.
A finals de la dècada de 1950 van aparèixer els aliatges de titani que es poden utilitzar en motors d'aviació. A causa de la lleugeresa d'aquest aliatge, la seva gravetat específica és un 40 per cent inferior a la de l'acer aliat (la gravetat específica dels dos és de 4,5 g/cm3 i 7,8 g/cm3, respectivament) i un 50 per cent inferior a la del níquel La gravetat del níquel és de 8 g/cm3) i té una bona resistència a la corrosió. Atès que els motors aerodinàmics tenen un indicador de lleugeresa molt important, els aliatges de titani s'han adoptat ràpidament en els motors aerodinàmics.
En aquell moment, l'aliatge de titani s'utilitzava en el disseny del motor sempre que les condicions de temperatura ho permetessin, incloses les pales de treball de ventiladors i compressors, rodes de ruleta, fulles estàtiques, xassís i dispositius de segellat.
Tanmateix, durant l'ús, es va trobar que, a causa de condicions anormals accidentals durant el funcionament del motor, dues peces de titani (com ara fulles de treball i fulles estàtiques, fulles de treball i xassís) van xocar i van xocar. En condicions de pressió i temperatura ambientals adequades, es generaran espurnes i les peces es cremaran. Aquest fenomen s'anomena "foc de titani". Una vegada que les peces de titani s'encén, el procés de combustió es desenvolupa molt ràpidament. Només calen uns segons per cremar les fulles i la carcassa, i el grau de dany és molt greu. La figura 3 mostra les restes de la fulla de treball cremada pel foc de titani.
Figura 3. La pala de treball del compressor cremada pel foc de titani
El foc de titani no només es va produir entre el titani i les peces de titani, sinó també després que la fulla de titani i la carcassa d'acer es freguessin severament, la fulla de titani es va cremar i la flama també va cremar la carcassa d'una ranura anular, com es mostra a la figura. 4. Al motor, la pressió del flux d'aire i la temperatura dels components del ventilador són baixes, cosa que no és fàcil de produir foc de titani. Per tant, els errors causats pel foc de titani rarament es produeixen al ventilador.
Figura 4. La carcassa d'acer va ser cremada pel foc de titani, i faltava un arc.
A les dècades de 1970 i 1980, alguns motors famosos, COM ara el PW4000 de Pratt & Whitney, el CF6 i el F404 de GE, el RB211 de Rolls-Royce britànic i el HK-8, HK-86, Д{{8} de l'antiga Unió Soviètica. } i АИ-25 TENIEN fallades d'incendi de titani.
Segons les estadístiques soviètiques, només entre 1977 i 1988, hi va haver més de 30 incidents d'incendi de titani en motors soviètics com HK-8, HK-86, Д－30 i АИ-25. Un altre exemple és el motor F404 utilitzat pels Estats Units per al caça F/A-18 GE. A causa de les fulles de treball del compressor d'alta pressió d'aliatge de titani, va xocar amb la carcassa d'aliatge de titani, fent que el titani s'incendiés. La flama no només va cremar a través de la carcassa del compressor d'alta pressió, sinó que també va cremar a través de la carcassa de la coberta exterior, fent que el motor s'encén i es cremés l'avió, fent que la Marina dels EUA perdés 4 avions F/A-18 en un any el 1987. També és el motor CF-6 de GE. Des de 1976, els incidents d'incendis de titani s'han produït contínuament i van arribar a un màxim a mitjans-1979. Hi ha hagut 14 incendis de titani en un any, amb greus conseqüències.
Posteriorment, a més de prendre mesures per evitar el foc de titani en els motors de nova creació, també s'han modificat els dissenys d'alguns motors que s'utilitzen des de fa molts anys. Per exemple, el motor F404 va canviar la carcassa del multicompressor d'alta pressió d'aliatge de titani per una carcassa d'aliatge d'acer i, al mateix temps, la carcassa exterior d'aliatge de titani es va canviar per un compost PMR15 més lleuger. material. Després de la millora, el pes del motor va augmentar en 0,5 kg.
El CFM56, que és el model germà del F404 (les màquines bàsiques d'ambdós motors es desenvolupen a partir de les màquines bàsiques del F101 de GE), també s'ha millorat en conseqüència. El xassís del compressor d'alta pressió CFM56 estava fet originalment d'aliatge de titani. Per tal d'evitar que la fulla de treball d'aliatge de titani xoqui amb el xassís i provoqui foc de titani, s'ha afegit un conjunt de compartiments multicapa molt complexos resistents al desgast i titani resistents al foc al cinturó d'anell de la fulla de treball corresponent. el xassís.
Després que F404 canviés la carcassa de titani per acer aliat, el 1978, CFM56 també va canviar la carcassa del compressor d'alta pressió d'aliatge de titani a acer aliat. Al mateix temps, la carcassa exterior de l'aliatge de titani també es va canviar a material compost PMR15. Aquesta millora va reduir el nombre de peces del motor en 140 peces, però el pes va augmentar en 5,64 kg.
En l'etapa inicial dels motors de la sèrie CF6 de GE, la carcassa del compressor d'alta pressió estava feta d'aliatge de titani, però des de 1979 s'ha utilitzat acer aliat.
Many engines in the Soviet Union also changed their titanium alloy parts materials to alloy steel a few years after they were put into use. For example, the grade 6 working blades and static blades of the high－pressure compressor of the HK-8 engine were originally all made of titanium alloy, but since 1987, the Grade 4 to 6 static blades (operating temperature exceeds 300℃) have been replaced with alloy steel. In the original design of the HK－86 engine, the 6-stage working blades and static blades, grate ring and static sealing ring of the high-pressure compressor were all made of titanium alloy, but since 1981, 4 to 6 sets of static blades (operating temperature>300 graus), l'anell de reixeta i l'anell de segellat s'han substituït per acer aliat.
Les fulles shizuko de grau 4-6 del compressor d'alta pressió del motor A4-25 estaven fetes originalment d'aliatge de titani, però després de la dècada de 1980, s'han canviat d'aliatge de titani a acer aliat. En el disseny original del compressor d'alta pressió per al motor A30, a excepció de l'aliatge d'acer per a les fulles estàtiques de la 10a etapa, es va utilitzar l'aliatge de titani per a la resta de pales estàtiques a tots els nivells. A la dècada de 1980, els grups del 5 al 9 de fulles estàtiques i l'anell del tambor entre les rodes després de l'etapa 4 s'han substituït per acer aliat. Acer.
Les peces d'aliatge de titani també tindran requisits especials en el processament i la fabricació. Quan el nostre país va processar el primer lot de pales de ventilador d'aliatge de titani, es va trobar amb errors de processament sense precedents.
L'últim procés de la pala del ventilador és polir el cos de la pala. L'anomenat polit és quan les fulles es freguen entre si en una roda de poliment giratòria d'alta velocitat, i la superfície de les fulles es polida no només per complir els requisits de la mida del disseny, sinó també per fer que la superfície sigui brillant. Quan la fulla està polida, la superfície de la fulla i la mola es freguen entre elles, cosa que produirà una gran quantitat de mart lluminós, que es ruixarà a terra com focs artificials al cel nocturn. Quan la fulla d'acer està polida, aquests marts es ruixen cap avall, es refreden per l'aire, canvien gradualment de vermell a gris i, finalment, es converteixen en xips negres amb una temperatura més baixa, que no tindran cap efecte negatiu sobre les peces processades. Per tant, al taller de poliment de fulles, la caixa de peces de diversos compartiments que conté les fulles es col·loca generalment sota la roda de poliment. Les fulles que estan a punt de polir i les que s'han polit s'introdueixen a l'espai on estan instal·lades les fulles, i la part superior de les fulles no està coberta amb una tapa.
Quan vam processar el primer lot de pales de ventilador d'aliatge de titani, vam seguir l'antiga pràctica. Com a resultat, quan es van enviar les pales del ventilador a la secció de muntatge de components, vam trobar que hi havia múltiples punts d'ablació a la superfície de moltes pales, cosa que era desconcertant. Després d'una acurada anàlisi i inspecció, es va descobrir el misteri.
Resulta que quan es polien les fulles d'aliatge de titani, el mart produït per les encenalls, durant el procés de caiguda, absorbeix contínuament l'oxigen de l'aire, fent que el mart sigui cada cop més gran i la temperatura sigui més alta. Quan aquest mart d'alta temperatura esquitxa a la superfície de les fulles inserides a la caixa de peces, es produeixen alguns punts d'ablació. Després de trobar la causa, es va instal·lar una tapa a la caixa de peces on es van instal·lar les fulles, la qual cosa va solucionar aquest gran problema.
