Tal om anvendelsen af ​​titanlegering i flymotorer

Tal om anvendelsen af ​​titanlegering i flymotorer

I 1960'erne, da Det Forenede Kongerige udviklede det verdensberømte enkeltskuds, vertikale start og landing "Harrier" jagerfly P1127, var en af ​​dets prototyper, XP972, på en testflyvning den 30. oktober 1962. testflyvningen kolliderede kompressorbladet af titanlegering i den brugte Pegasus-motor med kappen af ​​titanlegering, hvilket fik kompressoren til at bryde i brand. (Dette brandfænomen kaldes "titaniumbrand"), hvilket fik motoren til at tænde forkert og stoppe, flyet styrtede ned, og piloten blev med succes hoppet i faldskærm og reddet.

Et par år senere, i slutningen af ​​1960erne, da Pratt & Whitney fra USA udviklede en F100-motor med et trækkraft-til-vægt-forhold på 8,0 til tredje generations jagerfly F-15 , under idriftsættelsesprocessen kolliderede en motor med titanlegeringsbladet på en højtrykskompressor og titanlegeringshuset under en testkørsel på jorden, hvilket fik kompressoren til at antænde ("Titanium brand"), flammerne spredte sig overalt , og til sidst blev hele motoren ødelagt i en brand (Figur 2).

Figur 1. Prototypen af ​​"Harrier" flyet styrtede ned på grund af en "titanium brand" i motoren under testflyvningen.

Disse to store fejl var de tidligste fejl i verden, der fik titanium til at gå i brand på grund af sammenstødet mellem to titanlegeringsdele, men de blev ikke taget alvorligt på det tidspunkt, så de senere dukkede op mange gange i mange motorer. Ifølge statistikker i 1979 var der i de 17 år fra 1962 til 1979 i alt 144 titaniumbrandhændelser i flymotorer i vestlige lande, hvoraf 59 brændte gennem kompressorhuset.

I slutningen af ​​1950'erne dukkede titanlegeringer op, der kan bruges i luftfartsmotorer. På grund af denne legerings lethed er dens vægtfylde 40 procent lavere end for legeret stål (den specifikke vægtfylde af de to er henholdsvis 4,5 g/cm3 og 7,8 g/cm3) og 50 procent lavere end nikkel (den specifikke vægtfylde). tyngdekraften af ​​nikkel er 8g/cm3), og den har god korrosionsbestandighed. Da flymotorer har en meget vigtig indikator-lethed, er titanlegeringer hurtigt blevet bredt brugt i flymotorer.

På det tidspunkt blev titanlegering brugt i motordesign, så længe temperaturforholdene tillod det, inklusive arbejdsbladene på ventilatorer og kompressorer, roulettehjul, statiske knive, chassis og tætningsanordninger.

Men under brug blev det konstateret, at på grund af utilsigtede unormale forhold under motordrift kolliderede to titaniumdele (såsom arbejdsblade og statiske knive, arbejdsblade og chassis) og stødte sammen. Under betingelserne for passende miljøtryk og temperatur vil der blive genereret gnister, og delene vil brænde. Dette fænomen kaldes "titanium brand." Når først titanium-delene brænder, udvikler forbrændingsprocessen sig meget hurtigt. Det tager kun et par sekunder at brænde knivene og kappen, og skadesgraden er meget alvorlig. Figur 3 viser vraget af arbejdsbladet brændt af titaniumbranden.

Figur 3. Kompressorens arbejdsblad brændt af titaniumbrand

Titaniumbranden opstod ikke kun mellem titanium og titanium delene, men også efter at titanium bladet og stålhuset var blevet kraftigt gnidet, titanium bladet brændte, og flammen brændte også huset ud af en ringformet rille, som vist i figuren 4. I motoren er luftstrømstrykket og temperaturen i blæserkomponenterne lav, hvilket ikke er let at producere titanium brand. Derfor forekommer fejl forårsaget af titaniumbrand sjældent i blæseren.

Figur 4. Stålhuset blev brændt af titaniumbrand, og der manglede en bue.

I 1970'erne og 1980'erne, nogle berømte motorer, SÅsom Pratt & Whitney's PW4000, GE's CF6 og F404, British Rolls-Royce's RB211, og det tidligere Sovjetunionens HK－8, HK－Д{7}8, } } og АИ-25 HADDE alle titaniumbrandfejl.

Ifølge sovjetiske statistikker var der alene mellem 1977 og 1988 mere end 30 titaniumbrandhændelser på sovjetiske motorer såsom HK－8, HK－86, Д－30 og АИ-25. Et andet eksempel er F404-motoren, der bruges af USA til det F/A-18-fartøjsbaserede jagerfly GE. På grund af titaniumlegeringshøjtrykskompressorens arbejdsblade kolliderede den med titanlegeringshuset, hvilket fik titanium til at gå i brand. Flammen brændte ikke kun gennem højtrykskompressorhuset, men brændte også gennem det ydre dækselhus, hvilket fik motoren til at brænde og brænde flyet ud, hvilket fik den amerikanske flåde til at miste 4 F/A-18 fly på et år i 1987. Det er også GE's CF-6-motor. Fra 1976 har titanium-brandhændelserne fundet sted kontinuerligt og nåede et højdepunkt i midten af ​​-1979. Der var 14 titanium brandhændelser på et år, med alvorlige konsekvenser.

Efterfølgende er der, udover at træffe foranstaltninger for at forhindre titaniumbrand i de nyudviklede motorer, også blevet ændret på design af nogle motorer, der har været i brug i mange år. For eksempel ændrede F404-motoren højtryks-multinkompressorhuset af titanlegering til et legeret stålhus, og samtidig blev det ydre kabinet af titanlegering ændret til en lettere PMR15-komposit materiale. Efter forbedringen steg motorens vægt med 0,5 kg.

CFM56, som er søstermodellen til F404 (kernemaskinerne til begge motorer er udviklet fra kernemaskinerne i GE's F101), er også blevet forbedret tilsvarende. Chassiset på CFM56 højtrykskompressoren var oprindeligt lavet af titanlegering. For at forhindre, at arbejdsbladet i titaniumlegering kolliderer med chassiset og forårsager titaniumbrand, er der tilføjet et sæt meget komplekse slid- og titanium-brandsikre flerlagsrum til ringremmen på den tilsvarende arbejdsklinge i chassiset.

Efter at F404 ændrede titaniumbeklædningen til legeret stål, ændrede CFM56 i 1978 også højtrykskompressorens beklædning fra titanlegering til legeret stål. Samtidig blev den ydre beklædning af titanlegeringen også ændret til PMR15 kompositmateriale. Denne forbedring reducerede antallet af motordele med 140 styk, men vægten steg med 5,64 kg.

I den indledende fase af GE's CF6-seriemotorer var højtrykskompressorhuset lavet af titanlegering, men siden 1979 er legeret stål blevet brugt i stedet.

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 grader), ristring og tætningsring er alle blevet udskiftet med legeret stål.

Shizuko-bladene i 4-6 kvalitet på A4-25-motorens højtrykskompressor blev oprindeligt lavet af titanlegering, men efter 1980'erne er de blevet ændret fra titanlegering til legeret stål. I det originale design af højtrykskompressoren til A30-motoren, bortset fra det legerede stål til 10. trins statiske vinger, blev titanlegeringen brugt til resten af ​​de statiske vinger på alle niveauer. I 1980'erne er den 5. til 9. gruppe af statiske blade og tromleringen mellem hjulene efter trin 4 alle blevet erstattet med legeret stål. Stål.

Titaniumlegeringsdele vil også have særlige krav til forarbejdning og fremstilling. Da vores land behandlede det første parti af blæserblade af titaniumlegering, stødte det på hidtil usete behandlingsfejl.

Den sidste proces af blæserbladet er at polere bladets krop. Den såkaldte polering er, når knivene gnider mod hinanden på et højhastigheds roterende polerhjul, og overfladen af ​​knivene poleres for ikke kun at opfylde kravene til designstørrelsen, men også for at gøre overfladen lys. Når klingen er poleret, gnider overfladen af ​​klingen og slibeskiven mod hinanden, hvilket vil producere en stor mængde lysende mars, som vil blive sprøjtet på jorden som fyrværkeri på nattehimlen. Når stålbladet er poleret, sprøjtes disse marsvin nedad, afkøles af luften, skifter gradvist fra rød til grå og bliver til sidst til sorte spåner med lavere temperatur, hvilket ikke vil have nogen dårlig effekt på de bearbejdede dele. Derfor er boksen med flere rum, der indeholder knivene, generelt placeret under polerskiven i knivpolerværkstedet. De klinger, der er ved at blive poleret, og de klinger, der er blevet poleret, indsættes i det rum, hvor knivene er installeret, og toppen af ​​knivene er ikke dækket af et låg.

Da vi behandlede det første parti af titaniumlegeringsventilatorblade, fulgte vi den gamle praksis. Som et resultat, da blæserbladene blev sendt til komponentsamlingssektionen, fandt vi ud af, at der var flere ablationspunkter på overfladen af ​​mange vinger, hvilket var forvirrende. Efter omhyggelig analyse og inspektion blev mysteriet opdaget.

Det viser sig, at når titanlegeringsbladene er poleret, absorberer den mars, der produceres af spånerne, under processen med at falde, kontinuerligt ilt fra luften, hvilket gør marsken større og større, og temperaturen er højere. Når disse højtemperaturmarmer sprøjter på overfladen af ​​knivene, der er indsat i reservedelskassen, forårsages nogle ablationspunkter. Efter at årsagen var fundet, blev der monteret et låg på reservedelskassen, hvor knivene var installeret, hvilket løste dette store problem.