Snakk om bruken av titanlegering i flymotorer

Snakk om bruken av titanlegering i flymotorer

På 1960-tallet, da Storbritannia utviklet det verdenskjente, enkeltskudds, vertikale start- og landingsjagerflyet "Harrier" P1127, var en av prototypene, XP972, på en testflyging 30. oktober 1962. Under testflygingen kolliderte kompressorbladet av titanlegering i Pegasus-motoren som ble brukt med foringsrøret av titanlegering, noe som førte til at kompressoren tok fyr. (Dette brannfenomenet kalles "titanium brann"), noe som førte til at motoren tennes feil og stoppet, flyet krasjet, og piloten ble vellykket hoppet i fallskjerm og reddet.

Noen år senere, på slutten av 1960-tallet, da Pratt & Whitney fra USA utviklet en F100-motor med et skyvekraft-til-vekt-forhold på 8,0 for tredjegenerasjons jagerfly F-15 , under igangkjøringsprosessen kolliderte en motor med titanlegeringsbladet til en høytrykkskompressor og titanlegeringshuset under en testkjøring på bakken, noe som førte til at kompressoren tok fyr ("Titanium brann"), flammene spredte seg overalt , og til slutt ble hele motoren ødelagt i en brann (Figur 2).

Figur 1. Prototypen til «Harrier»-flyet krasjet på grunn av en «titanbrann» i motoren under testflygingen.

Disse to store feilene var de tidligste feilene i verden som førte til at titan tok fyr på grunn av kollisjonen mellom to titanlegeringsdeler, men de ble ikke tatt på alvor på den tiden, slik at de senere dukket opp mange ganger i mange motorer. I følge statistikk i 1979, i løpet av de 17 årene fra 1962 til 1979, var det totalt 144 titanbrannhendelser i flymotorer i vestlige land, hvorav 59 brant gjennom kompressorhuset.

På slutten av 1950-tallet dukket det opp titanlegeringer som kan brukes i flymotorer. På grunn av lettheten til denne legeringen, er dens egenvekt 40 prosent lavere enn for legert stål (den spesifikke vekten til de to er henholdsvis 4,5 g/cm3 og 7,8 g/cm3), og 50 prosent lavere enn nikkel (den spesifikke vekten til de to er henholdsvis 4,5 g/cm3 og 7,8 g/cm3). tyngdekraften til nikkel er 8g/cm3), og den har god korrosjonsbestandighet. Siden flymotorer har en veldig viktig indikator-letthet, har titanlegeringer raskt blitt bredt tatt i bruk i flymotorer.

På den tiden ble titanlegering brukt i motordesign så lenge temperaturforholdene tillot det, inkludert arbeidsbladene til vifter og kompressorer, ruletthjul, statiske blader, chassis og tetningsanordninger.

Under bruk ble det imidlertid funnet at på grunn av utilsiktede unormale forhold under motordrift, kolliderte to titandeler (som arbeidsblader og statiske blader, arbeidsblader og chassis) og grunnet. Under forhold med passende miljøtrykk og temperatur, vil det dannes gnister og delene vil brenne. Dette fenomenet kalles "titanium brann." Når titandelene tar fyr, utvikler forbrenningsprosessen seg veldig raskt. Det tar bare noen få sekunder å brenne knivene og dekselet, og skadegraden er svært alvorlig. Figur 3 viser vraket av arbeidsbladet som ble brent av titanbrannen.

Figur 3. Arbeidsbladet til kompressoren brent av titanbrann

Titanbrannen oppsto ikke bare mellom titan- og titandelene, men også etter at titanbladet og stålhuset ble kraftig gnidd, titanbladet brant, og flammen brant også foringsrøret ut av et ringformet spor, som vist i figuren. 4. I motoren er luftstrømtrykket og temperaturen i viftekomponentene lav, noe som ikke er lett å produsere titanbrann. Derfor oppstår det sjelden feil forårsaket av titanbrann i viften.

Figur 4. Stålhuset ble brent av titanbrann, og en lysbue manglet.

På 1970- og 1980-tallet, noen kjente motorer, SLIK SOM Pratt & Whitneys PW4000, GEs CF6 og F404, britiske Rolls-Royce's RB211, og det tidligere Sovjetunionens HK－8, HK－Д{7{8}, } } og АИ-25 HADDE alle titanbrannfeil.

I følge sovjetisk statistikk var det mellom 1977 og 1988 alene mer enn 30 titanbrannhendelser på sovjetiske motorer som HK－8, HK－86, Д－30 og АИ-25. Et annet eksempel er F404-motoren som brukes av USA for det F/A-18-fartøybaserte jagerflyet GE. På grunn av arbeidsbladene til høytrykkskompressoren i titanlegering kolliderte den med foringsrøret av titanlegering, noe som førte til at titanet tok fyr. Flammen brant ikke bare gjennom høytrykkskompressorhuset, men brant også gjennom det ytre dekselhuset, noe som førte til at motoren tok fyr og brente ut flyet, noe som førte til at den amerikanske marinen mistet 4 F/A-18-fly på ett år i 1987. Det er også GEs CF-6-motor. Fra 1976 har titanbrannhendelsene skjedd kontinuerlig, og nådde en topp i midten av-1979. Det var 14 titanbrannhendelser på ett år, med alvorlige konsekvenser.

I tillegg til å iverksette tiltak for å forhindre titanbrann i de nyutviklede motorene, har også designene til noen motorer som har vært i bruk i mange år blitt endret. For eksempel endret F404-motoren høytrykks multikompressorhuset av titanlegering til et legert stålhus, og samtidig ble det ytre dekselet av titanlegering endret til en lettere PMR15-kompositt materiale. Etter forbedringen økte vekten på motoren med 0,5 kg.

CFM56, som er søstermodellen til F404 (kjernemaskinene til begge motorene er utviklet fra kjernemaskinene til GEs F101), har også blitt forbedret tilsvarende. Chassiset til CFM56 høytrykkskompressor var opprinnelig laget av titanlegering. For å forhindre at arbeidsbladet i titanlegering kolliderer med chassiset og forårsaker titanbrann, er det lagt til et sett med svært komplekse slitesterke og titan-brannsikre flerlagsrom til ringbeltet til det tilsvarende arbeidsbladet i chassiset.

Etter at F404 byttet titanlegering til legert stål, i 1978, endret CFM56 også foringsrøret til høytrykkskompressoren fra titanlegering til legert stål. Samtidig ble det ytre dekselet til titanlegeringen også endret til PMR15 komposittmateriale. Denne forbedringen reduserte antall motordeler med 140 stykker, men vekten økte med 5,64 kg.

I den innledende fasen av GEs CF6-seriemotorer ble høytrykkskompressorhuset laget av titanlegering, men siden 1979 har legert stål blitt brukt 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 tetningsring er alle erstattet med legert stål.

Shizuko-bladene i 4-6-kvalitet til A4–25-motorens høytrykkskompressor var opprinnelig laget av titanlegering, men etter 1980-tallet har de blitt endret fra titanlegering til legert stål. I den opprinnelige utformingen av høytrykkskompressoren for A30-motoren, bortsett fra legert stål for 10. trinns statiske blader, ble titanlegeringen brukt for resten av de statiske bladene på alle nivåer. På 1980-tallet ble den 5. til 9. gruppen av statiske blader og trommelringen mellom hjulene etter trinn 4 erstattet med legert stål. Stål.

Titanlegeringsdeler vil også ha spesielle krav i prosessering og produksjon. Da landet vårt behandlet det første partiet med vifteblader i titanlegering, møtte det enestående behandlingsfeil.

Den siste prosessen med viftebladet er å polere bladkroppen. Den såkalte poleringen er når bladene gni mot hverandre på et høyhastighets roterende poleringshjul, og overflaten på bladene poleres for ikke bare å oppfylle kravene til designstørrelsen, men også for å gjøre overflaten lys. Når bladet er polert, gni overflaten av bladet og slipeskiven mot hverandre, noe som vil produsere en stor mengde lysende mars, som vil bli sprayet på bakken som fyrverkeri på nattehimmelen. Når stålbladet er polert, sprayes disse marskene nedover, avkjøles av luften, går gradvis over fra rødt til grått, og blir til slutt til svarte spon med lavere temperatur, noe som ikke vil ha noen dårlige effekter på de bearbeidede delene. Derfor, i bladpoleringsverkstedet, er boksen med flere rom som inneholder bladene vanligvis plassert under poleringshjulet. Bladene som er i ferd med å bli polert og bladene som er polert settes inn i rommet hvor bladene er installert, og toppen av bladene er ikke dekket med et lokk.

Da vi behandlet det første partiet med vifteblader av titanlegering, fulgte vi den gamle praksisen. Som et resultat, da viftebladene ble sendt til komponentmonteringsseksjonen, fant vi ut at det var flere ablasjonspunkter på overflaten av mange blader, noe som var forvirrende. Etter nøye analyse og inspeksjon ble mysteriet oppdaget.

Det viser seg at når titanlegeringsbladene er polert, absorberer marspen som produseres av sponene, under prosessen med å falle, kontinuerlig oksygen fra luften, noe som gjør marsen større og større, og temperaturen er høyere. Når disse høytemperaturmarmene spruter på overflaten av bladene som er satt inn i deleboksen, forårsakes noen ablasjonspunkter. Etter at årsaken ble funnet, ble det montert et lokk på deleboksen hvor bladene ble montert, noe som løste dette store problemet.