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螺蛳壳里做道场,航空发动机防钛火的一些限制条件 陈光谈航发2

作者:匿名 时间:2019-11-05 18:56:33

陈光/温

钛合金因其相对较高的比强度,自首次应用于航空工业以来,已被广泛应用于航空发动机。在工作温度允许的情况下,压缩机零件如压缩机轮盘、转子叶片、定子叶片、壳体和迷宫式密封环将很快由钛合金制成。

然而,在使用中,发动机的旋转钛部件(转子叶片、密封迷宫齿)或其碎片直接与钛定子部件(外壳、定子叶片、密封圈等)碰撞。)摩擦导致钛合金自燃,导致压缩机部件烧坏,外壳烧穿。

在严重的情况下,通过外壳的火焰延伸部分燃烧会燃烧通过外部涵洞外壳,甚至导致发动机机舱着火,严重影响飞机的飞行安全。由于高压压缩机中的空气压力和温度高,钛点火是一种良好的条件,所以钛点火发生在高压压缩机中。

早期,压缩机外壳和定子叶片都是由钛合金制成的(在工作温度允许的条件下),但钛的点火问题在使用过程中不断暴露出来。例如,cf6发动机安装在dc 10宽体客机上,并于1971年投入使用。在使用的初始阶段没有问题。然而,当其累计使用时间达到800多万飞行小时时,钛点火问题始于1976年。

它在1979年年中达到顶峰,一年内发生了十几起钛火灾,造成了严重后果。因此,从1979年开始,生产和在线使用的所有发动机和高压压缩机外壳都被钢外壳所取代。这种钢壳已用于随后的衍生发动机,如cf6 80a、cf6 80c2和cf6 80e1。

1987年安装在波音747 400、波音767 300、md 11等新型飞机上的pw4000发动机于1986年通过适航认证遏制试验。由于风扇叶片断裂,导致高压压缩机喘振。高压压缩机第一级工作叶片的顶端穿过安装在钛壳上的密封带,与钛壳摩擦,导致钛壳着火。向后流动的火焰也部分熔化了后一阶段的工作叶片。后来,在外壳和密封带之间安装了一个较厚的钢套管。

如前所述,美国海军在1987年损失了9架f/a18战斗机/攻击机,其中4架是由f404发动机上的钛火造成的。

IL 62飞机上使用的hk8发动机于1970年投入使用。从1977年到1987年的10年间,发生了7起高压压缩机钛火灾。原因是钛工作叶片的碎片卡在静态转子之间,用钛外壳或钛定子叶片研磨。自1987年以来,4~6级定子叶片由钛合金改为合金钢。

IL 86客机的hk 86发动机于1980年投入使用。1980年,在国家标准试运行期间发生了四起钛火灾,1985年有一起在使用中。原因基本上与hk 8相同。

图154和Il 62中使用的д30系列发动机在1982年至1988年间发生了10起钛火灾。雅克40支线飞机的Ay25发动机于1968年9月投入使用。1972年至1982年期间发生了4起钛火灾,1982年至1991年期间发生了5起钛火灾。前4次主要由推力轴承损坏、转子向前运动和定子磨削引起,后5次主要由钛迷宫环和钛外环磨削引起。

从上述例子可以看出,高压压缩机中的钛点火事件是严重影响飞机安全的隐患。应根据原因采取相应措施提高发动机的可靠性。

经过研究,钛的点火机理是:当两个钛零件高速摩擦时,产生大量摩擦热,导致钛合金自燃。钛合金点燃后,温度急剧上升,燃烧区温度达到2700~3000℃。当火焰传递到其他钛合金零件时,零件的温度将迅速上升,超过其熔化温度,零件将迅速熔化并烧穿。

据观察,钛合金在高压压缩机中点燃后,钛外壳会被烧穿,约5 ~ 5 ~ 10秒后火焰会逸出。钛合金是否容易着火取决于周围空气流动的参数(压力、温度和速度)。当空气压力和温度低时,不容易产生。在较高的压力和温度下很容易产生。压力越高,空气温度越低,将促进钛合金的自燃。

在高压压缩机中流动的空气的压力和温度,特别是在第三至第五级中,正好落在容易引起钛合金点火的参数范围内。因此,钛的点燃发生在高压压缩机中,而低压压缩机中没有点燃的记录。如果发现钛开始着火,立即停止发动机,钛火将熄灭,没有严重后果。

根据上述机制,为了提高发动机的可靠性,钛合金在高压压缩机中的使用具有以下限制:

至于转子,应该在工作温度允许的条件下尽可能多地使用钛合金,这样不仅减轻了转子的重量,而且还减轻了支撑转子的结构件的重量,从而减轻了发动机的重量。在转子中,圆盘的温度低于工作叶片的温度。因此,在高压压缩机的后期阶段,工作叶片需要由镍基合金制成,而盘可以由钛合金制成。特伦特700发动机采用工作温度高达600℃的高温钛合金imi834。高压压缩机的所有圆盘均由钛合金制成,并焊接成一体,但下一级的工作叶片由镍基合金制成。

定子零件(外壳、定子叶片和密封圈等)。),钛合金在高压压缩机中不是优选的。在西方国家的新型军用和民用发动机中,定子叶片基本上是由钢而不是钛合金制成的。例如,在cf66和cf6 50发动机(早期型号的cf6系列发动机在20世纪70年代投入使用)中,高压压缩机的前三排定子叶片由钛合金制成,但在随后的衍生发动机CF60C2中,使用了a286合金钢。

在cfm56 3发动机的高压压缩机中,前四排定子叶片由a286合金钢制成,后四排定子叶片由incol718合金制成。在pw4000发动机的高压压缩机中,所有静叶片均由镍基合金制成。f404发动机高压压缩机1~2级静叶片采用a286合金钢,3~6级采用incol718。

高压压缩机外壳最好不要使用钛合金。如果需要,应采取措施防止钛着火。在西方国家的新发动机中,除了pw4000外,钛合金仍用作壳体(高压压缩机的前部),合金钢用作前部,高温合金用作后部壳体。例如,在前壳体中:f404发动机是m152合金钢;Cf6由m152合金钢制成。Cfm56 3是m152合金钢(1987年10月前的钛合金)。

英国民航适航要求规定,为了防止钛着火,钛定子部件的环境条件不应超过:气压200kpa,空气流速50 m/s,事实上,在rb211 535e4中,高压压缩机的前壳体由铬钢制成,后壳体由铁、镍、钴、铌合金制成,定子叶片全部由合金钢制成。rb211 524d4高压压缩机的前壳体由合金钢制成。在定子叶片中,1-4级由合金钢制成,5级由incol718制成。特伦特700发动机1~3级壳体为合金钢,1~4级定子叶片为合金钢,5~8级壳体为incol718。

在苏联民用发动机中,钛外壳、定子叶片和密封圈广泛用于高压压缩机。由于许多钛点火事件的发生,钛合金在高压压缩机中的使用在统一适航性标准中有明确规定。钛合金在高压压缩机零件中的使用温度限制为工作叶片500℃,定子叶片330℃,壳体和密封环330℃,迷宫密封环300℃。

根据这项规定,一些发动机材料已经改变。例如,1987年hk 8发动机高压压气机4~8级定子叶片由钛合金改为钢。在hk86发动机高压压缩机中,从1981年开始,4~5级定子叶片、迷宫式密封环和密封外环均由钛合金改为合金钢。Ay25发动机4~6级高压压气机静叶从1980年开始由钛合金改为合金钢。20世纪80年代末,д30发动机高压压缩机将第5级定子叶片改为第9级定子叶片,第4级后的盘鼓环由钛合金改为钢。

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