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航空发动机用钛合金燃烧机理及解决措施

来源:中国设备工程期刊授权  点击量:161  日期:2021-05-11

关键词: 钛合金燃烧 ,航空发动机

航空发动机用钛合金燃烧机理及解决措施

陈辉 明继青

(襄阳航泰动力机器厂 湖北 襄阳 441002)

摘要:本文阐述了钛合金燃烧在发动机上的典型事故,分析钛合金燃烧的机理;分析了航空发动机压气机机匣更换合金钢材料设计,在钛合金零件表面喷涂阻燃涂层等钛火防护技术存在的不足;介绍了阻燃钛合金材料设计原理,并对阻燃钛合金的发展前景进行了展望。

关键词:航空发动机 钛火原理 技术措施

航空飞行器的轻量化发展离不开钛合金的使用,特别是近年航空发动机的应用量逐渐增多,现役的航空发动机压气机部件已广泛采用钛合金制作。在压气机部件工作中,钛合金制作的转子叶片与钛合金机匣存在互相高速摩擦时,产生的摩擦热会聚集,达到一定的温度,在较高的压力下会导致钛合金燃烧。由于航空发动机高压压气机 1 ~ 3 级

部位产生的空气压力与钛合金着火的参数范围较吻合,因此航空发动机钛火故障发生的部位基本发生在高压压气机中,风扇部位一般不涉及。从目前得知的国外几型发动机钛火事故看,也全部是发生在压气机部位。如 CF6 发动机1979 年发生 14 起钛火事故,主要原因是钛合金叶片与钛合金机匣发生摩擦。

钛火是一种典型的二次事故,美国普惠公司研制的用于 F-15 飞机的 F100 发动机在试车最大状态下发生钛合金燃烧,导致整台发动机被烧坏,如图 1 所示。

1 钛合金燃烧的机理

根据事故的调查分析,钛合金燃烧的根本原因均是钛——钛零件相互高速摩擦,与氧气反应产生的。钛合金表面氧化产生的氧化膜无法阻止氧化反应继续发生,因此钛合金氧化产生的热量逐渐积累,很快就会达到钛合金燃点温度,并在一定的空气压力下开始燃烧,释放大量热,瞬间烧毁整个压气机机匣及其中的转子部件。

发动机正常工作下,高压压气机转静子之间会设计一定的间隙,既保证压气机的封严效果,提高燃油利用效率,又避免转静子之间互相摩擦。但由于发动机工作中,高压压气机转子高速旋转,振动、疲劳、外来物及压气机喘振等造成转子叶片掉角甚至折断等故障,断片卡在转子叶片与钛合金机匣之间,与机匣摩擦,引起燃烧。

2  钛合金燃烧防护措施

2.1  设计结构改进

发生钛火最直接的原因是钛合金互相摩擦,一种方案是从设计上避免钛合金互相摩擦,这种改进结构设计的方法也是最为简单易行的方式,也是最基本的方法。但转子叶片与机匣之间需要设计非常大的间隙,导致发动机效率降低和喘振裕度下降,因此这种方案很少被采用。另一种方案是使用不锈钢制造高压压气机匣,使用钛合金制造转子叶片,或者采用钛合金制造压气机机匣,而使用不锈钢制造转子叶片,这样即便发生故障,产生高速摩擦,也会从一定程度上避免钛火的发生。采用这种设计方法,违背了航空发动机轻量化设计的思想,使发动机不同程度的增加重量,如 F404 发动机改用钢制压气机匣,外涵机匣改为采用 PMR15 复合材料,综合改进后,发动机总重增加了 0.45kg。

2.2  阻燃防护涂层应用

在改进设计之余,使用阻燃涂层也是一种抵御钛火故障的有效方法。随着热喷涂技术的飞速发展,采用等离子喷涂或电弧喷涂制备的涂层种类多、结合强度高、涂层致密,在某些方面已经达到金属的特性,已经广泛用在金属修复、增材制造等领域。采用热喷涂技术在钛合金零件表面喷涂0.3 ~ 0.5mm 的散热速度快、熔点高、不易燃烧的材料,避免钛——钛材料互相摩擦,阻止钛合金燃烧。即使发生钛火故障,也能有效延缓燃烧速度或阻止燃烧。如 EJ-200发动机高压压气机内机匣 1 ~ 4 级和对应的转子叶片均采用钛合金,通过制备氧化锆隔热底层加易磨耗封严涂层,有效提高了钛合金的阻燃性能。

俄制某型发动机高压压气机工作环与整流器均为钛合金制作,在发生钛火故障后,高压压气机 4 ~ 6 级工作环和整流器改为合金钢,为了减重前三级工作环和整流器仍为钛合金制作,在设计上增加了防钛火涂层,涂层结构为在工作环和整流器上先喷涂一层 0.3 ~ 0.4mm 镍铬合金作为底层,然后涂覆一层有机硅封严涂层作为面层,见图 2所示。通过有机硅涂层封严,使钛合金叶片在正常工作时不会接触到钛合金机匣,同时镍铬合金涂层作为隔离层,进一步避免了钛火的发生。

涂装材料

2.3  阻燃钛合金的研制

采用上述两种途径均能有效防止钛火的发生,但还未从根本上解决钛火问题,因钛合金叶片与钢制机匣剧烈摩擦也能引发钛火故障。2003 年 11 月 17 日装备 4 台 RB211-524G2-T-17 的 B747-438 客机在新加坡机场 2# 发动机工作不正常,经检查所有第 1 级高压压气机工作叶片叶尖部分烧熔,叶片形成金字塔形状,这是典型的工作叶片钛着火

后的形貌。而机匣由于采用钢制件,没有烧穿槽。说明钛着火不仅发生在钛——钛相对应的部件中,也能发生在钛合金工作叶片与钢制机匣间。因此钛合金本身不易燃烧才是解决钛火故障的根本。

钛合金发生钛燃的一个先决条件是一定温度下,钛和氧持续发生氧化反应。当氧化反应的速度很慢或氧化后金属表面生成氧化膜阻碍氧化反应继续发生,则无法积累热量形成燃烧,如铝合金氧化后表面形成致密的氧化膜,阻止氧化继续发生。钛合金氧化反应生成钛的氧化物单位体积小,无法形成致密的氧化膜,在一定温度下,钛会氧化激烈加速,因剧烈氧化形成燃烧。为改善钛合金氧化形成氧化膜的致密性,在钛合金中增加 V、Cr 等元素的占比,在钛合金氧化时形成致密的氧化膜,有效阻止燃烧。

根据实验,采用阻燃钛合金后,可以明显降低钛合金高温燃烧问题,使钛火故障几率大为降低,增加发动机的使用可靠性。

3  结语

虽然我们国家设计生产的发动机目前尚未发生过钛火事故,但钛合金机匣与钛合金转子叶片设计结构已经在一些新型号发动机上应用,认识并解决钛燃烧问题将会扩大钛合金在发动机上的使用,提高发动机使用可靠性。解决钛合金燃烧的根本措施应立足于阻燃钛合金的研制,建立阻燃钛合金各元素对燃烧行为的作用机制,形成具有我国自主知识产权的阻燃钛合金体系。

参考文献:

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