Povídání o použití slitiny titanu v leteckých motorech

Povídání o použití slitiny titanu v leteckých motorech

V 60. letech, kdy Spojené království vyvíjelo světoznámou jednoranovou stíhačku „Harrier“ P1127 s vertikálním vzletem a přistáním, byl jeden z jejích prototypů XP972 30. října 1962 na zkušebním letu. při zkušebním letu se lopatka kompresoru z titanové slitiny v použitém motoru Pegasus srazila s pláštěm z titanové slitiny a kompresor se vznítil. (Tento požární jev se nazývá „titanový oheň“), což způsobilo vynechání a zastavení motoru, letadlo havarovalo a pilot byl úspěšně sesazen padákem a zachráněn.

O několik let později, na konci 1960, když Pratt & Whitney ze Spojených států vyvinuli motor F100 s poměrem tahu k hmotnosti 8,0 pro stíhačku F třetí generace-15 , během procesu uvádění do provozu došlo při zkušebním provozu na zemi ke kolizi motoru s lopatkou vysokotlakého kompresoru z titanové slitiny a pláštěm z titanové slitiny, což způsobilo vzplanutí kompresoru („Titanium fire“), plameny se rozšířily všude a nakonec byl celý motor zničen požárem (obrázek 2).

Obrázek 1. Prototyp letounu „Harrier“ havaroval kvůli „požáru titanu“ v motoru během zkušebního letu.

Tyto dvě velké poruchy byly prvními poruchami na světě, které způsobily vzplanutí titanu v důsledku srážky dvou dílů z titanové slitiny, ale v té době nebyly brány vážně, takže se později mnohokrát objevily v mnoha motorech. Podle statistik v roce 1979 došlo za 17 let od roku 1962 do roku 1979 k celkem 144 titanovým požárům v leteckých motorech v západních zemích, z nichž 59 prohořelo plášť kompresoru.

Koncem 50. let se objevily slitiny titanu, které lze použít v leteckých motorech. Vzhledem k lehkosti této slitiny je její specifická hmotnost o 40 procent nižší než u legované oceli (měrná hmotnost obou je 4,5 g/cm3 a 7,8 g/cm3, v tomto pořadí) a o 50 procent nižší než u niklu (specifická hmotnost Gravitace niklu je 8 g/cm3) a má dobrou odolnost proti korozi. Vzhledem k tomu, že letecké motory mají velmi důležitou indikátorovou lehkost, byly slitiny titanu rychle široce používány v leteckých motorech.

V té době se titanová slitina používala v konstrukci motoru, pokud to teplotní podmínky umožňovaly, včetně pracovních lopatek ventilátorů a kompresorů, ruletových kol, statických lopatek, podvozku a těsnicích zařízení.

Při používání však bylo zjištěno, že v důsledku náhodných abnormálních podmínek během provozu motoru se dvě titanové části (jako jsou pracovní nože a statické nože, pracovní nože a podvozek) srazily a rozemlely. Za podmínek vhodného okolního tlaku a teploty budou generovat jiskry a díly budou hořet. Tento jev se nazývá „titanový oheň“. Jakmile se titanové části vznítí, proces spalování se rozvíjí velmi rychle. Spálení čepelí a pláště trvá jen několik sekund a stupeň poškození je velmi vážný. Obrázek 3 ukazuje trosky pracovní čepele spálené titanovým ohněm.

Obrázek 3. Pracovní lopatka kompresoru spálená titanovým ohněm

K požáru titanu došlo nejen mezi titanem a titanovými částmi, ale také poté, co byly titanová čepel a ocelový plášť silně odřeny, titanová čepel shořela a plamen také vypálil plášť z prstencové drážky, jak je znázorněno na obrázku 4. V motoru je tlak proudění vzduchu a teplota v komponentech ventilátoru nízké, což není snadné produkovat titanový oheň. K poruchám způsobeným titanovým ohněm proto ve ventilátoru dochází jen zřídka.

Obrázek 4. Ocelový plášť byl spálen titanovým ohněm a chyběl oblouk.

V 70. a 80. letech minulého století se objevily některé slavné motory, JAKO PW4000 společnosti Pratt & Whitney, CF6 a F404 společnosti GE, RB211 společnosti British Rolls－Royce a HK－8, HK－{{7}8} z bývalého Sovětského svazu } a АИ-25 všechny havarovaly titanový oheň.

Podle sovětských statistik došlo jen v letech 1977 až 1988 k více než 30 požárům titanu na sovětských motorech, jako jsou HK－8, HK－86, Д－30 a АИ-25. Dalším příkladem je motor F404 používaný Spojenými státy pro stíhací letoun F/A-18 GE. V důsledku pracovních lopatek vysokotlakého kompresoru z titanové slitiny došlo ke kolizi s pláštěm z titanové slitiny, což způsobilo vzplanutí titanu. Plamen prohořel nejen skrz skříň vysokotlakého kompresoru, ale prohořel i přes vnější kryt, což způsobilo vznícení motoru a spálení letadla, což způsobilo, že americké námořnictvo ztratilo 4 F/A-18 letadla za jeden rok v roce 1987. Je to také motor CF-6 společnosti GE. Od roku 1976 docházelo k požárům titanu nepřetržitě a dosáhly vrcholu v polovině-1979. Během jednoho roku došlo ke 14 požárům titanu s vážnými následky.

Následně byly kromě opatření k zamezení požáru titanu v nově vyvinutých motorech upraveny také konstrukce některých motorů, které se používají již řadu let. Například motor F404 změnil vysokotlaký multikompresorový plášť ze slitiny titanu na plášť z legované oceli a zároveň se změnil vnější plášť ze slitiny titanu na lehčí kompozit PMR15 materiál. Po vylepšení se hmotnost motoru zvýšila o 0,5 kg.

CFM56, který je sesterským modelem F404 (základní stroje obou motorů jsou vyvinuty ze základních strojů F101 od GE), byl odpovídajícím způsobem vylepšen. Šasi vysokotlakého kompresoru CFM56 bylo původně vyrobeno z titanové slitiny. Aby se zabránilo kolizi pracovní čepele z titanové slitiny s podvozkem a způsobení požáru titanu, byla na prstencový pás příslušné pracovní čepele přidána sada velmi složitých vícevrstvých oddělení odolných proti opotřebení a ohnivzdorných titanu. podvozek.

Poté, co F404 změnil titanový plášť na legovanou ocel, v roce 1978 CFM56 také změnil plášť vysokotlakého kompresoru z titanové slitiny na legovanou ocel. Zároveň došlo také ke změně vnějšího pláště z titanové slitiny na kompozitní materiál PMR15. Toto vylepšení snížilo počet dílů motoru o 140 kusů, ale hmotnost vzrostla o 5,64 kg.

V počáteční fázi motorů řady CF6 GE byla skříň vysokotlakého kompresoru vyrobena z titanové slitiny, ale od roku 1979 se místo ní používá legovaná ocel.

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 stupňů), roštový kroužek a těsnicí kroužek byly všechny nahrazeny legovanou ocelí.

Lopatky shizuko třídy 4-6 vysokotlakého kompresoru motoru A4－25 byly původně vyrobeny z titanové slitiny, ale po 80. letech byly změněny z titanové slitiny na legovanou ocel. V původním provedení vysokotlakého kompresoru pro motor A30, kromě legované oceli pro statické lopatky 10. stupně, byla na zbytek statických lopatek na všech úrovních použita slitina titanu. V 80. letech 20. století byly 5. až 9. skupina statických lopatek a prstenec bubnu mezi koly po 4. etapě nahrazeny legovanou ocelí. Ocel.

Díly z titanové slitiny budou mít také speciální požadavky na zpracování a výrobu. Když naše země zpracovávala první várku lopatek ventilátorů z titanové slitiny, setkala se s bezprecedentními poruchami zpracování.

Posledním procesem lopatky ventilátoru je vyleštění těla lopatky. O tzv. leštění se jedná, když se o sebe čepele třou na vysokorychlostním rotujícím leštícím kotouči a povrch čepelí se leští tak, aby splňoval nejen požadavky na konstrukční velikost, ale aby byl povrch lesklý. Při leštění čepele se povrch čepele a brusného kotouče o sebe třou, čímž vznikne velké množství svítících marsů, které budou rozstřikovány na zem jako ohňostroj na noční obloze. Při leštění ocelové čepele jsou tyto marsy stříkány směrem dolů, ochlazovány vzduchem, postupně přecházejí z červené do šedé a nakonec se mění v černé třísky s nižší teplotou, což nebude mít na opracovávané díly špatný vliv. Proto je v dílně na leštění čepelí vícekomorová krabice na díly obsahující čepele obecně umístěna pod leštícím kotoučem. Čepele, které se mají leštit, a čepele, které byly leštěny, se vkládají do prostoru, kde jsou čepele instalovány, a horní část čepelí není zakryta víkem.

Když jsme zpracovávali první várku lopatek ventilátoru z titanové slitiny, postupovali jsme podle staré praxe. Výsledkem bylo, že když byly lopatky ventilátoru odeslány do sekce sestavování komponent, zjistili jsme, že na povrchu mnoha lopatek bylo několik ablačních bodů, což bylo matoucí. Po pečlivé analýze a prohlídce byla záhada odhalena.

Ukazuje se, že když jsou čepele z titanové slitiny leštěné, Mars produkovaný hoblinami během procesu padání nepřetržitě absorbuje kyslík ze vzduchu, čímž se Mars zvětšuje a zvětšuje a teplota je vyšší. Když se tyto vysokoteplotní marsy rozstříknou na povrch lopatek vložených do skříně dílů, dojde k vytvoření některých ablačních bodů. Po zjištění příčiny bylo na krabici dílů, kde byly instalovány lopatky, nainstalováno víko, které tento zásadní problém vyřešilo.