Hovorte o použití zliatiny titánu v leteckých motoroch

Hovorte o použití zliatiny titánu v leteckých motoroch

V 60. rokoch, keď Spojené kráľovstvo vyvíjalo svetoznámu jednoranovú stíhačku „Harrier“ P1127 s kolmým vzletom a pristátím, jeden z jej prototypov XP972 bol na skúšobnom lete 30. októbra 1962. Počas pri testovacom lete sa lopatka kompresora z titánovej zliatiny v použitom motore Pegasus zrazila s plášťom z titánovej zliatiny, čo spôsobilo vzplanutie kompresora. (Tento požiarny jav sa nazýva "titánový oheň"), čo spôsobilo vynechanie a zastavenie motora, lietadlo havarovalo a pilot bol úspešne zosadený na padáku a zachránený.

O niekoľko rokov neskôr, koncom 1960, keď Pratt & Whitney zo Spojených štátov amerických vyvinuli motor F100 s pomerom ťahu k hmotnosti 8,0 pre stíhačku tretej generácie F-15 , počas procesu uvádzania do prevádzky došlo počas skúšobnej jazdy na zemi k zrážke motora s čepeľou z titánovej zliatiny vysokotlakového kompresora a plášťom z titánovej zliatiny, čo spôsobilo vznietenie kompresora ("Titanium fire"), plamene sa rozšírili všade a nakoniec bol celý motor zničený pri požiari (obrázok 2).

Obrázok 1. Prototyp lietadla „Harrier“ sa počas skúšobného letu zrútil v dôsledku „požiaru titánu“ v motore.

Tieto dve veľké poruchy boli prvými poruchami na svete, ktoré spôsobili vznietenie titánu v dôsledku kolízie dvoch častí z titánovej zliatiny, ale v tom čase sa nebrali vážne, takže sa neskôr mnohokrát objavili v mnohých motoroch. Podľa štatistík v roku 1979 došlo za 17 rokov od roku 1962 do roku 1979 k celkovo 144 požiarom titánu v leteckých motoroch v západných krajinách, z ktorých 59 prehorelo cez skriňu kompresora.

Koncom 50. rokov sa objavili zliatiny titánu, ktoré sa dajú použiť v leteckých motoroch. Kvôli ľahkosti tejto zliatiny je jej špecifická hmotnosť o 40 percent nižšia ako špecifická hmotnosť legovanej ocele (špecifická hmotnosť oboch je 4,5 g/cm3 a 7,8 g/cm3) a o 50 percent nižšia ako niklu (špecifická hmotnosť Gravitácia niklu je 8 g/cm3) a má dobrú odolnosť proti korózii. Pretože letecké motory majú veľmi dôležitú svetelnosť indikátora, zliatiny titánu sa rýchlo rozšírili do leteckých motorov.

V tom čase sa pri konštrukcii motora používala zliatina titánu, pokiaľ to umožňovali teplotné podmienky, vrátane pracovných lopatiek ventilátorov a kompresorov, ruletových kolies, statických lopatiek, podvozku a tesniacich zariadení.

Pri používaní sa však zistilo, že v dôsledku náhodných abnormálnych podmienok počas prevádzky motora sa dve titánové časti (ako sú pracovné čepele a statické čepele, pracovné čepele a podvozok) zrazili a rozomleli. V podmienkach vhodného tlaku a teploty prostredia budú vznikať iskry a časti budú horieť. Tento jav sa nazýva „titánový oheň“. Akonáhle sa titánové časti vznietia, proces spaľovania sa rozvinie veľmi rýchlo. Spálenie čepelí a plášťa trvá len niekoľko sekúnd a stupeň poškodenia je veľmi vážny. Obrázok 3 ukazuje trosky pracovnej čepele spálené titánovým ohňom.

Obrázok 3. Pracovná lopatka kompresora spálená titánovým ohňom

Titánový požiar nevznikol len medzi titánom a titánovými časťami, ale aj po silnom odretí titánovej čepele a oceľového puzdra, spálenie titánovej čepele a plameň tiež vypálil plášť z prstencovej drážky, ako je znázornené na obrázku 4. V motore je nízky prietok vzduchu a teplota v komponentoch ventilátora, čo nie je ľahké vytvoriť titánový oheň. Preto sa zriedkavo vyskytujú poruchy spôsobené ohňom z titánu vo ventilátore.

Obrázok 4. Oceľový plášť bol spálený titánovým ohňom a chýbal oblúk.

V 70-tych a 80-tych rokoch minulého storočia, niektoré slávne motory, NAPRÍKLAD Pratt & Whitney's PW4000, GE's CF6 a F404, British Rolls－Royce's RB211 a bývalý Sovietsky zväz HK－8, HK－{{7}8}, Д{{7}8}, } a АИ-25 všetky HAD titánové požiarne zlyhania.

Podľa sovietskych štatistík len medzi rokmi 1977 a 1988 došlo k viac ako 30 požiarom titánu na sovietskych motoroch, ako sú HK－8, HK－86, Д－30 a АИ-25. Ďalším príkladom je motor F404 používaný Spojenými štátmi pre stíhačku GE založenú na F/A-18. V dôsledku pracovných lopatiek vysokotlakového kompresora z titánovej zliatiny došlo k jeho zrážke s plášťom z titánovej zliatiny, čo spôsobilo vznietenie titánu. Plameň prehorel nielen cez skriňu vysokotlakového kompresora, ale prehorel aj cez vonkajší kryt, čo spôsobilo vzplanutie motora a vyhorenie lietadla, čo spôsobilo, že americké námorníctvo prišlo o 4 lietadlá F/A{13}} za jeden rok v roku 1987. Je to tiež motor CF-6 spoločnosti GE. Od roku 1976 k incidentom požiaru titánu dochádzalo nepretržite a vrchol dosiahol v polovici-1979. Počas jedného roka došlo k 14 požiarom z titánu s vážnymi následkami.

Následne boli okrem opatrení na zabránenie požiaru titánu v novovyvinutých motoroch upravené aj konštrukcie niektorých motorov, ktoré sa používajú už mnoho rokov. Napríklad motor F404 zmenil vysokotlakový multikompresorový plášť zo zliatiny titánu na plášť z legovanej ocele a zároveň sa vonkajší plášť z titánovej zliatiny zmenil na ľahší kompozit PMR15 materiál. Po zlepšení sa hmotnosť motora zvýšila o 0,5 kg.

CFM56, ktorý je sesterským modelom F404 (hlavné stroje oboch motorov sú vyvinuté zo základných strojov F101 od GE), bol zodpovedajúcim spôsobom vylepšený. Šasi vysokotlakového kompresora CFM56 bolo pôvodne vyrobené z titánovej zliatiny. Aby sa zabránilo kolízii pracovnej čepele z titánovej zliatiny s podvozkom a spôsobeniu požiaru titánu, na prstencový pás zodpovedajúcej pracovnej čepele bola v podvozku.

Po tom, čo F404 zmenil titánový plášť na legovanú oceľ, v roku 1978 CFM56 zmenil aj plášť vysokotlakového kompresora z titánovej zliatiny na legovanú oceľ. Zároveň sa zmenil aj vonkajší plášť z titánovej zliatiny na kompozitný materiál PMR15. Toto vylepšenie znížilo počet častí motora o 140 kusov, no hmotnosť vzrástla o 5,64 kg.

V počiatočnom štádiu motorov GE série CF6 bola skriňa vysokotlakového kompresora vyrobená z titánovej zliatiny, ale od roku 1979 sa namiesto nej používa legovaná oceľ.

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 stupňov), mriežkový krúžok a tesniaci krúžok boli všetky nahradené legovanou oceľou.

Lopatky shizuko triedy 4-6 vysokotlakového kompresora motora A4－25 boli pôvodne vyrobené zo zliatiny titánu, ale po 80. rokoch sa zmenili z titánovej zliatiny na legovanú oceľ. V pôvodnej konštrukcii vysokotlakového kompresora pre motor A30, okrem legovanej ocele pre statické lopatky 10. stupňa, bola na zvyšok statických lopatiek na všetkých úrovniach použitá zliatina titánu. V 80. rokoch 20. storočia boli 5. až 9. skupina statických lopatiek a bubon medzi kolesami po 4. etape nahradené legovanou oceľou. Oceľ.

Diely zo zliatiny titánu budú mať špeciálne požiadavky aj na spracovanie a výrobu. Keď naša krajina spracovala prvú várku lopatiek ventilátorov z titánovej zliatiny, narazila na bezprecedentné zlyhania spracovania.

Posledným procesom lopatky ventilátora je vyleštenie tela lopatky. Takzvané leštenie je, keď sa čepele o seba trú na vysokorýchlostnom rotujúcom leštiacom kotúči a povrch čepelí sa leští tak, aby spĺňal nielen požiadavky na konštrukčný rozmer, ale aby bol povrch aj svetlý. Pri leštení čepele sa povrch čepele a brúsneho kotúča o seba trú, čím vznikne veľké množstvo svietiacich marsov, ktoré sa rozprášia na zem ako ohňostroj na nočnej oblohe. Pri leštení oceľovej čepele sa tieto brúsky striekajú smerom nadol, ochladzujú sa vzduchom, postupne sa menia z červenej na sivú a nakoniec sa menia na čierne triesky s nižšou teplotou, čo nebude mať na opracovávané diely zlý vplyv. Preto je v dielni na leštenie čepelí viackomorová skrinka na diely, ktorá obsahuje čepele, spravidla umiestnená pod leštiacim kotúčom. Čepele, ktoré sa majú leštiť, a čepele, ktoré boli vyleštené, sa vkladajú do priestoru, kde sú čepele nainštalované, a horná časť čepelí nie je zakrytá vekom.

Keď sme spracovali prvú várku lopatiek ventilátorov z titánovej zliatiny, postupovali sme podľa starej praxe. Výsledkom bolo, že keď boli lopatky ventilátora odoslané do sekcie montáže komponentov, zistili sme, že na povrchu mnohých lopatiek bolo viacero ablačných bodov, čo bolo záhadné. Po dôkladnej analýze a kontrole bola záhada odhalená.

Ukázalo sa, že keď sú čepele z titánovej zliatiny leštené, Mars produkovaný hoblinami počas procesu padania nepretržite absorbuje kyslík zo vzduchu, čím sa Mars zväčšuje a zväčšuje a teplota je vyššia. Keď tieto vysokoteplotné marsy striekajú na povrch lopatiek vložených do skrinky s dielmi, spôsobia sa niektoré ablačné body. Po zistení príčiny bolo na krabicu súčiastok, kde boli nainštalované čepele, namontované veko, ktoré tento veľký problém vyriešilo.