Praten over de toepassing van titaniumlegering in vliegtuigmotoren

Praten over de toepassing van titaniumlegering in vliegtuigmotoren

In de jaren zestig, toen het Verenigd Koninkrijk bezig was met de ontwikkeling van de wereldberoemde, enkelschots, verticaal opstijgende en landende "Harrier"-jager P1127, maakte een van zijn prototypes, de XP972, op 30 oktober 1962 een testvlucht. Tijdens de testvlucht kwam het compressorblad van titaniumlegering in de gebruikte Pegasus-motor in botsing met de behuizing van titaniumlegering, waardoor de compressor vlam vatte. (Dit vuurverschijnsel wordt "titaniumvuur" genoemd), waardoor de motor afsloeg en stopte, het vliegtuig neerstortte en de piloot met succes werd geparachuteerd en gered.

Een paar jaar later, eind jaren 1960, toen Pratt & Whitney uit de Verenigde Staten een F100-motor ontwikkelde met een stuwkracht-gewichtsverhouding van 8,0 voor de derde generatie F{7}} , tijdens het inbedrijfstellingsproces kwam een ​​motor in botsing met het blad van titaniumlegering van een hogedrukcompressor en de behuizing van titaniumlegering tijdens een testrit op de grond, waardoor de compressor vlam vatte ("Titanium fire"), de vlammen verspreidden zich overal , en uiteindelijk werd de hele motor verwoest door een brand (Figuur 2).

Figuur 1. Het prototype van het vliegtuig "Harrier" stortte neer door een "titaniumvuur" in de motor tijdens de testvlucht.

Deze twee grote storingen waren de eerste storingen ter wereld die ervoor zorgden dat titanium in brand vloog door de botsing van twee onderdelen van titaniumlegering, maar ze werden destijds niet serieus genomen, zodat ze later vele malen in veel motoren voorkwamen. Volgens statistieken waren er in 1979, in de 17 jaar van 1962 tot 1979, in totaal 144 titaniumbrandincidenten in vliegtuigmotoren in westerse landen, waarvan er 59 door de compressorbehuizing brandden.

Eind jaren vijftig verschenen titaniumlegeringen die in vliegtuigmotoren kunnen worden gebruikt. Vanwege de lichtheid van deze legering is het soortelijk gewicht 40 procent lager dan dat van gelegeerd staal (het soortelijk gewicht van de twee is respectievelijk 4,5 g/cm3 en 7,8 g/cm3) en 50 procent lager dan dat van nikkel (het soortelijk gewicht de zwaartekracht van nikkel is 8g/cm3), en het heeft een goede corrosieweerstand. Omdat vliegtuigmotoren een zeer belangrijke lichtheid van de indicator hebben, zijn titaniumlegeringen snel algemeen toegepast in vliegtuigmotoren.

In die tijd werd een titaniumlegering gebruikt in het motorontwerp zolang de temperatuuromstandigheden dit toelieten, inclusief de werkende bladen van ventilatoren en compressoren, roulettewielen, statische bladen, chassis en afdichtingen.

Tijdens het gebruik bleek echter dat als gevolg van toevallige abnormale omstandigheden tijdens het draaien van de motor twee titanium onderdelen (zoals werkbladen en statische bladen, werkbladen en chassis) met elkaar in botsing kwamen en vastliepen. Onder de omstandigheden van geschikte omgevingsdruk en -temperatuur zullen vonken worden gegenereerd en zullen de onderdelen verbranden. Dit fenomeen wordt "titaniumvuur" genoemd. Zodra de titanium onderdelen vlam vatten, ontwikkelt het verbrandingsproces zich zeer snel. Het duurt maar een paar seconden om de messen en de behuizing te verbranden, en de mate van schade is zeer ernstig. Figuur 3 toont het wrak van het werkende mes verbrand door het titaniumvuur.

Figuur 3. Het werkende blad van de compressor verbrand door titaniumvuur

De titaniumbrand vond niet alleen plaats tussen de titanium- en titaniumdelen, maar ook nadat het titaniumblad en de stalen behuizing ernstig waren gewreven, verbrandde het titaniumblad en verbrandde de vlam ook de behuizing uit een ringvormige groef, zoals weergegeven in figuur 4. In de motor zijn de luchtstroomdruk en temperatuur in de ventilatorcomponenten laag, wat niet eenvoudig is om titaniumvuur te produceren. Daarom treden storingen veroorzaakt door titaniumbrand zelden op in de ventilator.

Figuur 4. De stalen behuizing was verbrand door titaniumvuur en er ontbrak een boog.

In de jaren '70 en '80, enkele beroemde motoren, ZOALS Pratt & Whitney's PW4000, GE's CF6 en F404, Britse Rolls－Royce's RB211, en de voormalige Sovjet-Unie's HK－8, HK－86, Д{{8} } en АИ-25 alle HAD-titaniumbrandstoringen.

Volgens Sovjetstatistieken waren er alleen al tussen 1977 en 1988 meer dan 30 titaniumbrandincidenten op Sovjetmotoren zoals HK－8, HK－86, Д－30 en АИ-25. Een ander voorbeeld is de F404-motor die door de Verenigde Staten wordt gebruikt voor de F/A-18 gevechtsvliegtuig GE. Door de werkende bladen van de hogedrukcompressor van titaniumlegering kwam deze in botsing met de behuizing van titaniumlegering, waardoor het titanium vlam vatte. De vlam brandde niet alleen door de behuizing van de hogedrukcompressor, maar brandde ook door de buitenste behuizing, waardoor de motor vlam vatte en het vliegtuig uitbrandde, waardoor de Amerikaanse marine 4 F/A{13}} vliegtuigen verloor in één jaar in 1987. Het is ook GE's CF{15}}-motor. Vanaf 1976 hebben de incidenten met titaniumbranden zich onafgebroken voorgedaan en bereikten halverwege -1979 een hoogtepunt. In één jaar waren er 14 titaniumbrandincidenten met ernstige gevolgen.

Vervolgens zijn naast het treffen van maatregelen ter voorkoming van titaniumbrand in de nieuw ontwikkelde motoren ook de ontwerpen van enkele al vele jaren in gebruik zijnde motoren aangepast. De F4{4}}4-motor veranderde bijvoorbeeld de hogedrukmulticompressorbehuizing van titaniumlegering in een behuizing van gelegeerd staal en tegelijkertijd werd de buitenbehuizing van titaniumlegering vervangen door een lichter PMR15-composiet materiaal. Na de verbetering nam het gewicht van de motor toe met 0,5 kg.

De CFM56, het zustermodel van de F404 (de kernmachines van beide motoren zijn ontwikkeld op basis van de kernmachines van GE's F101), is dienovereenkomstig ook verbeterd. Het chassis van de CFM56 hogedrukcompressor was oorspronkelijk gemaakt van een titaniumlegering. Om te voorkomen dat het werkmes van titaniumlegering tegen het chassis botst en titaniumbrand veroorzaakt, is een set zeer complexe slijtvaste en titaniumbrandwerende meerlaagse compartimenten toegevoegd aan de ringriem van het overeenkomstige werkmes in het onderstel.

Nadat de F404 de behuizing van titanium had vervangen door gelegeerd staal, veranderde CFM56 in 1978 ook de behuizing van de hogedrukcompressor van titaniumlegering naar gelegeerd staal. Tegelijkertijd werd ook de buitenmantel van de titaniumlegering veranderd in PMR15-composietmateriaal. Deze verbetering verminderde het aantal motoronderdelen met 140 stuks, maar het gewicht nam toe met 5,64 kg.

In de beginfase van GE's motoren uit de CF6-serie was de behuizing van de hogedrukcompressor gemaakt van een titaniumlegering, maar sinds 1979 wordt in plaats daarvan gelegeerd staal gebruikt.

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 graden), roosterring en afdichtring zijn allemaal vervangen door gelegeerd staal.

De shizuko-bladen van 4-6-kwaliteit van de hogedrukcompressor met A4-25-motor waren oorspronkelijk gemaakt van een titaniumlegering, maar na de jaren tachtig zijn ze veranderd van titaniumlegering in gelegeerd staal. In het oorspronkelijke ontwerp van de hogedrukcompressor voor de A30-motor werd, met uitzondering van het gelegeerd staal voor de statische bladen van de 10e trap, de titaniumlegering gebruikt voor de rest van de statische bladen op alle niveaus. In de jaren tachtig zijn de 5e tot 9e groep statische bladen en de trommelring tussen de wielen na fase 4 allemaal vervangen door gelegeerd staal. Staal.

Onderdelen van titaniumlegeringen zullen ook speciale eisen stellen aan de verwerking en fabricage. Toen ons land de eerste batch ventilatorbladen van titaniumlegering verwerkte, stuitte het op ongekende verwerkingsfouten.

Het laatste proces van het ventilatorblad is het polijsten van het bladlichaam. Het zogenaamde polijsten is wanneer de bladen tegen elkaar wrijven op een snel roterend polijstwiel en het oppervlak van de bladen wordt gepolijst om niet alleen te voldoen aan de vereisten van de ontwerpgrootte, maar ook om het oppervlak glanzend te maken. Wanneer het mes gepolijst is, wrijven het oppervlak van het mes en het slijpwiel tegen elkaar, wat een grote hoeveelheid lichtgevende mars zal produceren, die als vuurwerk in de nachtelijke hemel op de grond zal worden gespoten. Wanneer het stalen mes wordt gepolijst, worden deze mars naar beneden gespoten, gekoeld door de lucht, geleidelijk veranderen van rood naar grijs en uiteindelijk veranderen in zwarte chips met een lagere temperatuur, wat geen slechte effecten zal hebben op de bewerkte onderdelen. Daarom wordt in de werkplaats voor het polijsten van bladen de onderdelendoos met meerdere compartimenten die de bladen bevat over het algemeen onder het polijstwiel geplaatst. De messen die op het punt staan ​​te worden gepolijst en de messen die zijn gepolijst, worden in de ruimte geplaatst waar de messen zijn geïnstalleerd en de bovenkant van de messen is niet bedekt met een deksel.

Toen we de eerste batch ventilatorbladen van titaniumlegering verwerkten, volgden we de oude praktijk. Als gevolg hiervan ontdekten we dat er meerdere ablatiepunten waren op het oppervlak van veel bladen, toen de ventilatorbladen naar de componentassemblage werden gestuurd, wat een raadsel was. Na zorgvuldige analyse en inspectie werd het mysterie ontdekt.

Het blijkt dat wanneer de messen van titaniumlegering worden gepolijst, de door de spaanders geproduceerde mars tijdens het vallen continu zuurstof uit de lucht absorbeert, waardoor de mars groter en groter wordt en de temperatuur hoger is. Wanneer deze hoge-temperatuur-mars op het oppervlak van de mesjes spatten die in de onderdelendoos zijn geplaatst, worden sommige ablatiepunten veroorzaakt. Nadat de oorzaak was gevonden is er een deksel op de onderdelendoos geplaatst waar de messen in zaten, waarmee dit grote probleem was opgelost.