Keskustele titaaniseoksen käytöstä lentokoneiden moottoreissa

Keskustele titaaniseoksen käytöstä lentokoneiden moottoreissa

Kun Yhdistynyt kuningaskunta kehitti 1960-luvulla maailmankuulua, yhden laukauksen pystysuoraan nousuun ja laskeutumiseen tarkoitettua "Harrier" -hävittäjä P1127, yksi sen prototyypeistä, XP972, oli koelennolla 30. lokakuuta 1962. koelennolla käytetyn Pegasus-moottorin titaaniseoksesta valmistettu kompressorin terä törmäsi titaaniseoksesta valmistettuun koteloon, jolloin kompressori syttyi tuleen. (Tätä tuliilmiötä kutsutaan "titaanipaloksi"), mikä aiheutti moottorin sytytyshäiriön ja pysähtymisen, lentokone syöksyi maahan ja lentäjä onnistui laskeutumaan laskuvarjolla ja pelastettua.

Muutama vuosi myöhemmin, 1960-luvun lopulla, kun yhdysvaltalaiset Pratt & Whitney kehittivät F100-moottorin, jonka työntövoima-painosuhde oli 8,0 kolmannen sukupolven hävittäjään F-15 käyttöönoton aikana moottori törmäsi korkeapainekompressorin titaaniseosterään ja titaaniseoksesta valmistettuun koteloon koeajon aikana maassa, jolloin kompressori syttyi tuleen ("Titanium fire"), liekit leviävät kaikkialle , ja lopulta koko moottori tuhoutui tulipalossa (kuva 2).

Kuva 1. "Harrier"-koneen prototyyppi syöksyi maahan koelennolla moottorin "titaanipalon" vuoksi.

Nämä kaksi suurta vikaa olivat maailman varhaisimmat viat, jotka aiheuttivat titaanin syttymisen tuleen kahden titaaniseososan törmäyksen seurauksena, mutta niitä ei tuolloin otettu vakavasti, joten niitä esiintyi myöhemmin monta kertaa monissa moottoreissa. Vuoden 1979 tilastojen mukaan 17 vuoden aikana 1962-1979 tapahtui länsimaissa lentomoottoreissa yhteensä 144 titaanipalotapahtumaa, joista 59 paloi kompressorin kotelon läpi.

1950-luvun lopulla ilmestyi titaaniseoksia, joita voidaan käyttää lentokoneissa. Tämän seoksen keveyden vuoksi sen ominaispaino on 40 prosenttia pienempi kuin seosteräksen (niiden ominaispaino on 4,5 g/cm3 ja 7,8 g/cm3, vastaavasti) ja 50 prosenttia pienempi kuin nikkelin (ominaispaino). nikkelin painovoima on 8g/cm3), ja sillä on hyvä korroosionkestävyys. Koska lentokonemoottoreilla on erittäin tärkeä ilmaisinkeveys, titaaniseokset on nopeasti otettu laajalti käyttöön lentokonemoottoreissa.

Tuolloin titaaniseosta käytettiin moottoreiden suunnittelussa niin kauan kuin lämpötilaolosuhteet sallivat, mukaan lukien puhaltimien ja kompressorien työsiivet, rulettipyörät, staattiset siivet, alusta ja tiivistyslaitteet.

Käytössä kuitenkin havaittiin, että moottorin toiminnan aikana sattuneiden vahingossa sattuneiden epänormaalien olosuhteiden vuoksi kaksi titaanista osaa (kuten työterät ja staattiset terät, työterät ja alusta) törmäsivät ja maadoituivat. Sopivan ympäristön paineen ja lämpötilan olosuhteissa syntyy kipinöitä ja osat palavat. Tätä ilmiötä kutsutaan "titaanipaloksi". Kun titaaniosat syttyvät tuleen, palamisprosessi kehittyy erittäin nopeasti. Terien ja kotelon polttaminen kestää vain muutaman sekunnin, ja vaurion aste on erittäin vakava. Kuvassa 3 on titaanipalossa palanut työterän hylky.

Kuva 3. Titaanipalossa poltettu kompressorin työsiipi

Titaanipalo ei tapahtunut vain titaani- ja titaaniosien välillä, vaan myös sen jälkeen, kun titaaniterä ja teräskotelo hankautuivat voimakkaasti, titaaniterä paloi ja liekki poltti myös kotelon ulos rengasmaisesta urasta, kuten kuvassa. 4. Moottorissa ilman virtauspaine ja lämpötila tuuletinkomponenteissa ovat alhaiset, mikä ei ole helppoa tuottaa titaanipaloa. Siksi tuulettimessa tapahtuu harvoin titaanipalon aiheuttamia vikoja.

Kuva 4. Teräskuori paloi titaanipalossa ja kaari puuttui.

1970- ja 1980-luvuilla joitain kuuluisia moottoreita, KUTEN Pratt & Whitneyn PW4000, GE:n CF6 ja F404, British Rolls-Roycen RB211 ja entisen Neuvostoliiton HK-8, HK-8,}{7}},}{7}} } ja АИ-25 kaikissa OLI titaanipalovikoja.

Neuvostoliiton tilastojen mukaan pelkästään vuosina 1977-1988 tapahtui yli 30 titaanipalotapahtumaa Neuvostoliiton moottoreissa, kuten HK－8, HK－86, Д－30 ja АИ-25. Toinen esimerkki on F404-moottori, jota Yhdysvallat käyttää F/A-18 -lentokoneen GE-hävittäjässä. Titaaniseoksesta valmistetun korkeapainekompressorin työterien vuoksi se törmäsi titaaniseoksesta valmistettuun koteloon, jolloin titaani syttyi tuleen. Liekki ei palanut ainoastaan ​​korkeapainekompressorin kotelon läpi, vaan myös ulkokannen kotelon läpi, jolloin moottori syttyi tuleen ja kone paloi, jolloin Yhdysvaltain laivasto menetti 4 F/A-18 lentokonetta. vuonna 1987. Se on myös GE:n CF-6-moottori. Vuodesta 1976 lähtien titaanipalotapauksia on esiintynyt jatkuvasti, ja huippunsa saavutettiin puolivälissä-1979. Vuoden aikana tapahtui 14 titaanipalotapahtumaa, joilla oli vakavia seurauksia.

Myöhemmin titaanipalon estämiseksi uusissa moottoreissa toteutettujen toimenpiteiden lisäksi joidenkin vuosia käytössä olleiden moottoreiden rakenteita on myös muutettu. Esimerkiksi F404-moottori vaihtoi korkeapaineisen monikompressorin titaaniseoksesta valmistettuun koteloon seosteräkseksi, ja samalla titaaniseoksesta valmistettu ulkovaippa vaihdettiin kevyempään PMR15-komposiittiin. materiaalia. Parannuksen jälkeen moottorin paino kasvoi 0,5 kg.

CFM56, joka on F404:n sisarmalli (molempien moottorien ydinkoneet on kehitetty GE:n F101:n ydinkoneista), on myös parannettu vastaavasti. CFM56-korkeapainekompressorin runko valmistettiin alun perin titaaniseoksesta. Jotta titaaniseoksesta valmistettu työterä ei törmäisi runkoon ja aiheuta titaanipaloa, vastaavan työterän rengashihnaan on lisätty joukko erittäin monimutkaisia ​​kulutusta kestäviä ja titaanista tulenkestäviä monikerroksisia osastoja. alusta.

Kun F404 vaihtoi titaanikotelon seosteräkseksi, vuonna 1978 CFM56 vaihtoi myös korkeapainekompressorin kotelon titaaniseoksesta seosteräksiin. Samalla myös titaaniseoksen ulkovaippa vaihdettiin PMR15-komposiittimateriaaliksi. Tämä parannus pienensi moottorin osien määrää 140 kappaleella, mutta paino kasvoi 5,64 kg.

GE:n CF6-sarjan moottoreiden alkuvaiheessa korkeapainekompressorin kotelo oli valmistettu titaaniseoksesta, mutta vuodesta 1979 lähtien sen sijaan on käytetty seosterästä.

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 astetta), arinarengas ja tiivisterengas on kaikki korvattu seosteräksellä.

A4-25-moottorin korkeapainekompressorin 4-6-luokan Shizuko-terät valmistettiin alun perin titaaniseoksesta, mutta 1980-luvun jälkeen ne on vaihdettu titaaniseoksesta seosteräksiin. A30-moottorin korkeapainekompressorin alkuperäisessä suunnittelussa 10. vaiheen staattisten siipien seosterästä lukuun ottamatta titaaniseosta käytettiin muissa staattisissa siiveissä kaikilla tasoilla. 1980-luvulla staattisten terien 5.-9. ryhmät ja rumpurengas pyörien välillä vaiheen 4 jälkeen on kaikki korvattu seosteräksellä. Teräs.

Titaaniseososilla on myös erityisiä vaatimuksia jalostuksessa ja valmistuksessa. Kun maamme käsitteli ensimmäisen erän titaaniseoksesta valmistettuja tuulettimen lapoja, se kohtasi ennennäkemättömiä käsittelyvirheitä.

Tuulettimen siiven viimeinen prosessi on terän rungon kiillotus. Ns. kiillotus on, kun terät hankaavat toisiaan vasten nopeasti pyörivällä kiillotuslaikalla ja terien pinta kiillotetaan niin, että se ei vain täytä suunnittelukoon vaatimuksia, vaan myös tekee pinnasta kirkkaan. Kun terä on kiillotettu, terän pinta ja hiomalaikka hankaavat toisiaan vasten, mikä tuottaa suuren määrän valoista marsia, joka suihkutetaan maahan kuin ilotulitus yötaivaalla. Kun terästerää kiillotetaan, nämä marsit ruiskutetaan alaspäin, jäähtyvät ilmalla, muuttuvat vähitellen punaisesta harmaaksi ja lopulta muuttuvat mustiksi lastuiksi, joiden lämpötila on alhaisempi, mikä ei vaikuta huonosti käsiteltyihin osiin. Siksi terän kiillotuspajassa terät sisältävä moniosastoinen osalaatikko sijoitetaan yleensä kiillotuspyörän alle. Kiillotettavat ja kiillotetut terät asetetaan tilaan, jossa terät asennetaan, eikä terien yläosaa ole peitetty kannella.

Kun käsittelimme ensimmäistä erää titaaniseoksesta valmistettuja tuulettimen siipiä, noudatimme vanhaa käytäntöä. Tämän seurauksena, kun tuulettimen siivet lähetettiin komponenttien kokoonpano-osaan, havaitsimme, että useiden siipien pinnalla oli useita ablaatiopisteitä, mikä oli hämmentävää. Huolellisen analyysin ja tarkastuksen jälkeen mysteeri paljastui.

Osoittautuu, että kun titaaniseoksesta valmistettuja teriä kiillotetaan, lastujen tuottama marsi imee putoamisprosessin aikana jatkuvasti happea ilmasta, mikä tekee marsista isomman ja suuremman ja lämpötila on korkeampi. Kun nämä korkean lämpötilan marssit roiskuvat osalaatikkoon asetettujen terien pinnalle, syntyy joitakin ablaatiopisteitä. Kun syy löytyi, osalaatikkoon, johon terät asennettiin, asennettiin kansi, mikä ratkaisi tämän suuren ongelman.