Bercakap tentang penggunaan aloi titanium dalam enjin pesawat

Bercakap tentang penggunaan aloi titanium dalam enjin pesawat

Pada tahun 1960-an, ketika United Kingdom sedang membangunkan pesawat pejuang "Harrier" P1127 yang terkenal di dunia, pukulan tunggal, berlepas dan mendarat menegak, salah satu prototaipnya, XP972, sedang dalam penerbangan ujian pada 30 Oktober 1962. Semasa penerbangan ujian, bilah pemampat aloi titanium dalam enjin Pegasus yang digunakan berlanggar dengan selongsong aloi titanium, menyebabkan pemampat terbakar. (Fenomena kebakaran ini dipanggil "api titanium"), menyebabkan enjin tidak berfungsi dan berhenti, pesawat terhempas, dan juruterbang berjaya dipayung terjun dan diselamatkan.

Beberapa tahun kemudian, pada akhir 1960s, apabila Pratt & Whitney dari Amerika Syarikat membangunkan enjin F100 dengan nisbah tujahan kepada berat 8.0 untuk pesawat pejuang generasi ketiga F-15 , semasa proses pentauliahan, enjin berlanggar dengan bilah aloi titanium pemampat tekanan tinggi dan selongsong aloi titanium semasa ujian dijalankan di atas tanah, menyebabkan pemampat terbakar ("api Titanium"), api merebak ke mana-mana. , dan akhirnya keseluruhan enjin musnah dalam kebakaran (Rajah 2).

Rajah 1. Prototaip pesawat "Harrier" terhempas akibat "kebakaran titanium" dalam enjin semasa penerbangan ujian.

Kedua-dua kegagalan utama ini adalah kegagalan terawal di dunia yang menyebabkan titanium terbakar akibat perlanggaran dua bahagian aloi titanium, tetapi ia tidak diambil serius pada masa itu, sehingga ia kemudiannya muncul berkali-kali dalam banyak enjin. Menurut statistik pada tahun 1979, dalam tempoh 17 tahun dari 1962 hingga 1979, terdapat sejumlah 144 insiden kebakaran titanium dalam enjin penerbangan di negara barat, di mana 59 daripadanya terbakar melalui selongsong pemampat.

Pada akhir 1950-an, aloi titanium yang boleh digunakan dalam enjin penerbangan muncul. Kerana ringannya aloi ini, graviti tentunya adalah 40 peratus lebih rendah daripada keluli aloi (graviti tentu kedua-duanya ialah 4.5g/cm3 dan 7.8g/cm3, masing-masing), dan 50 peratus lebih rendah daripada nikel (khususnya). graviti nikel ialah 8g/cm3), dan ia mempunyai rintangan kakisan yang baik. Memandangkan enjin aero mempunyai kecerahan penunjuk yang sangat penting, aloi titanium dengan cepat telah digunakan secara meluas dalam enjin aero.

Pada masa itu, aloi titanium digunakan dalam reka bentuk enjin selagi keadaan suhu dibenarkan, termasuk bilah kerja kipas dan pemampat, roda rolet, bilah statik, casis, dan peranti pengedap.

Walau bagaimanapun, semasa digunakan, didapati bahawa disebabkan oleh keadaan tidak normal yang tidak disengajakan semasa operasi enjin, dua bahagian titanium (seperti bilah kerja dan bilah statik, bilah kerja dan casis) berlanggar dan terhantar. Di bawah keadaan tekanan dan suhu persekitaran yang sesuai, percikan api akan terhasil dan bahagiannya akan terbakar. Fenomena ini dipanggil "api titanium." Sebaik sahaja bahagian titanium terbakar, proses pembakaran berkembang dengan sangat cepat. Ia hanya mengambil masa beberapa saat untuk membakar bilah dan selongsong, dan tahap bahaya adalah sangat serius. Rajah 3 menunjukkan serpihan bilah kerja yang terbakar oleh api titanium.

Rajah 3. Bilah kerja pemampat terbakar oleh api titanium

Kebakaran titanium bukan sahaja berlaku di antara bahagian titanium dan bahagian titanium, tetapi juga selepas bilah titanium dan selongsong keluli digosok dengan teruk, bilah titanium terbakar, dan nyalaan juga membakar selongsong daripada alur anulus, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. Dalam enjin, tekanan aliran udara dan suhu dalam komponen kipas adalah rendah, yang tidak mudah untuk menghasilkan api titanium. Oleh itu, kegagalan yang disebabkan oleh kebakaran titanium jarang berlaku pada kipas.

Rajah 4. Selongsong keluli telah terbakar oleh api titanium, dan arka telah hilang.

Pada 1970-an dan 1980-an, beberapa enjin terkenal, SEPERTI PW4000 Pratt & Whitney, CF6 dan F404 GE, RB211 milik British Rolls－Royce dan HK－8 bekas Kesatuan Soviet, HK－86}, Д86} } dan АИ-25 semua MEMPUNYAI kegagalan kebakaran titanium.

Menurut statistik Soviet, antara 1977 dan 1988 sahaja, terdapat lebih daripada 30 insiden kebakaran titanium pada enjin Soviet seperti HK－8, HK－86, Д－30 dan АИ-25. Contoh lain ialah enjin F404 yang digunakan oleh Amerika Syarikat untuk F/A-18 pesawat pejuang GE. Disebabkan oleh bilah kerja pemampat tekanan tinggi aloi titanium, ia berlanggar dengan selongsong aloi titanium, menyebabkan titanium terbakar. Nyalaan api bukan sahaja terbakar melalui selongsong pemampat tekanan tinggi, tetapi juga terbakar melalui selongsong penutup luar, menyebabkan enjin terbakar dan membakar pesawat, menyebabkan Tentera Laut AS kehilangan 4 pesawat F/A-18 dalam satu tahun pada tahun 1987. Ia juga merupakan enjin CF-6 GE. Dari tahun 1976, insiden kebakaran titanium telah berlaku secara berterusan, dan mencapai kemuncaknya pada pertengahan-1979. Terdapat 14 insiden kebakaran titanium dalam satu tahun, dengan akibat yang serius.

Selepas itu, selain mengambil langkah mencegah kebakaran titanium pada enjin yang baru dibangunkan, reka bentuk beberapa enjin yang telah digunakan selama bertahun-tahun juga telah diubah suai. Contohnya, enjin F404 menukar sarung berbilang pemampat tekanan tinggi aloi titanium kepada sarung keluli aloi, dan pada masa yang sama, sarung luar aloi titanium ditukar kepada komposit PMR15 yang lebih ringan. bahan. Selepas penambahbaikan, berat enjin meningkat sebanyak 0.5 kg.

CFM56, yang merupakan model saudara F404 (mesin teras kedua-dua enjin dibangunkan daripada mesin teras F101 GE), juga telah ditambah baik dengan sewajarnya. Casis pemampat tekanan tinggi CFM56 pada asalnya diperbuat daripada aloi titanium. Untuk mengelakkan bilah kerja aloi titanium daripada berlanggar dengan casis dan menyebabkan kebakaran titanium, satu set petak berbilang lapisan tahan haus dan tahan api titanium yang sangat kompleks telah ditambahkan pada tali pinggang gelang bilah kerja yang sepadan dalam casis.

Selepas F404 menukar selongsong titanium kepada keluli aloi, pada tahun 1978, CFM56 juga menukar selongsong pemampat tekanan tinggi daripada aloi titanium kepada keluli aloi. Pada masa yang sama, selongsong luar aloi titanium turut ditukar kepada bahan komposit PMR15. Peningkatan ini mengurangkan bilangan bahagian enjin sebanyak 140 keping, tetapi beratnya meningkat sebanyak 5.64 kg.

Pada peringkat awal enjin siri CF6 GE, selongsong pemampat tekanan tinggi diperbuat daripada aloi titanium, tetapi sejak 1979, keluli aloi telah digunakan sebaliknya.

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 darjah), cincin parut dan cincin pengedap semuanya telah digantikan dengan keluli aloi.

Bilah shizuko gred 4-6 bagi pemampat tekanan tinggi enjin A4－25 pada asalnya diperbuat daripada aloi titanium, tetapi selepas tahun 1980-an, ia telah ditukar daripada aloi titanium kepada keluli aloi. Dalam reka bentuk asal pemampat tekanan tinggi untuk enjin A30, kecuali keluli aloi untuk bilah statik peringkat ke-10, aloi titanium digunakan untuk seluruh bilah statik di semua peringkat. Pada tahun 1980-an, kumpulan bilah statik ke-5 hingga ke-9 dan gelang dram antara roda selepas Peringkat 4 semuanya telah digantikan dengan keluli aloi. Keluli.

Bahagian aloi titanium juga mempunyai keperluan khas dalam pemprosesan dan pembuatan. Apabila negara kita memproses kumpulan pertama bilah kipas aloi titanium, ia mengalami kegagalan pemprosesan yang tidak pernah berlaku sebelum ini.

Proses terakhir bilah kipas ialah menggilap badan bilah. Apa yang dipanggil penggilap adalah apabila bilah bergesel antara satu sama lain pada roda penggilap berputar berkelajuan tinggi, dan permukaan bilah digilap untuk bukan sahaja memenuhi keperluan saiz reka bentuk, tetapi juga untuk menjadikan permukaannya cerah. Apabila bilah digilap, permukaan bilah dan roda pengisar bergesel antara satu sama lain, yang akan menghasilkan sejumlah besar mars bercahaya, yang akan disembur di atas tanah seperti bunga api di langit malam. Apabila bilah keluli digilap, mars ini disembur ke bawah, disejukkan oleh udara, secara beransur-ansur berubah dari merah ke kelabu, dan akhirnya bertukar menjadi cip hitam dengan suhu yang lebih rendah, yang tidak akan memberi kesan buruk pada bahagian yang diproses. Oleh itu, dalam bengkel penggilap bilah, kotak bahagian berbilang petak yang mengandungi bilah biasanya diletakkan di bawah roda penggilap. Bilah yang akan digilap dan bilah yang telah digilap dimasukkan ke dalam ruang di mana bilah dipasang, dan bahagian atas bilah tidak ditutup dengan penutup.

Apabila kami memproses kumpulan pertama bilah kipas aloi titanium, kami mengikuti amalan lama. Akibatnya, apabila bilah kipas dihantar ke bahagian pemasangan komponen, kami mendapati terdapat berbilang titik ablasi pada permukaan banyak bilah, yang membingungkan. Selepas analisis dan pemeriksaan yang teliti, misteri itu ditemui.

Ternyata apabila bilah aloi titanium digilap, mars yang dihasilkan oleh pencukuran, semasa proses jatuh, terus menyerap oksigen dari udara, menjadikan marikh lebih besar dan lebih besar, dan suhu lebih tinggi. Apabila mars suhu tinggi ini memercik pada permukaan bilah yang dimasukkan ke dalam kotak bahagian, beberapa titik ablasi disebabkan. Selepas puncanya ditemui, penutup dipasang pada kotak bahagian di mana bilah dipasang, yang menyelesaikan masalah utama ini.