航空發(fā)動機鈦火防護技術(shù)及試驗驗證方法

王巍巍，陳玉潔，高海紅

航空發(fā)動機鈦火防護技術(shù)及試驗驗證方法

王巍巍，陳玉潔，高海紅

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

鈦合金在航空發(fā)動機上應(yīng)用廣泛，特別是對于追求高推重比的軍用發(fā)動機更是如此。但采用鈦合金存在鈦火風(fēng)險，且鈦火故障危害大、發(fā)生頻率高。分析了鈦火故障產(chǎn)生的原因，描述了故障導(dǎo)致的后果，并結(jié)合發(fā)動機上典型鈦火故障，總結(jié)了4種較為有效的鈦火防護設(shè)計技術(shù)。闡述了鈦火防護技術(shù)的試驗驗證方法和目的，指出只有通過試驗驗證，才能確認鈦火防護技術(shù)的安全有效。

航空發(fā)動機；鈦合金；鈦火防護技術(shù)；試驗驗證；推重比

1 引言

鈦合金具有機械強度高、耐熱性好、耐腐蝕性強等特點，從20世紀60年代開始，各種型號的鈦合金逐漸應(yīng)用在航空發(fā)動機上。如Ti-64主要用于風(fēng)扇及低壓壓氣機，Ti-6246可用于低壓壓氣機后段和高壓壓氣機前段高負荷零件上，IMI-834可用于壓氣機最后一級鈦零件，Ti-6242用于低壓壓氣機后段和高壓壓氣機前段的所有零件[1]。近年來，隨著軍用航空發(fā)動機對高推重比的不斷追求，鈦合金的使用比例不斷提高。美國推重比8一級的F404發(fā)動機上鈦合金用量為25%，推重比10一級的F119發(fā)動機上鈦合金用量達39%。但鈦合金在特定環(huán)境下有容易著火燃燒的致命缺點。航空發(fā)動機上因鈦合金著火燃燒事件很多，如F100、F404和RB211等發(fā)動機都發(fā)生過非常嚴重的鈦火事故。鈦合金燃燒速度非常快(一般鈦合金機件的燃燒蔓延時間從開始到結(jié)束共計4～20 s)，采用滅火措施顯然來不及。為此，必須采取鈦火防護措施，避免鈦火發(fā)生。美國、俄羅斯和英國等對鈦火防護技術(shù)進行了大量研究，開展了大量試驗驗證，并建立了相應(yīng)的試驗平臺。

本文從鈦合金在航空發(fā)動機中的應(yīng)用入手，對產(chǎn)生鈦火故障的原因進行分析，并結(jié)合發(fā)動機上典型鈦火故障，總結(jié)了鈦火防護設(shè)計技術(shù)，詳細闡述了鈦火防護技術(shù)的試驗驗證方法和目的。

2 鈦火產(chǎn)生原因及后果

航空發(fā)動機上鈦火產(chǎn)生的原因，主要是由于摩擦，如斷片、碎片，散失的螺釘、螺帽和外來物等進入燃氣流道中，卡在轉(zhuǎn)子與靜子之間，造成鈦制零件的相互摩擦；轉(zhuǎn)子軸承和支撐零件損壞，使轉(zhuǎn)子相對靜子發(fā)生軸向和徑向移動，造成鈦制零件相互摩擦；由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，轉(zhuǎn)子與靜子之間間隙過小，造成轉(zhuǎn)子葉片與機匣內(nèi)環(huán)摩擦等。其次是氣動加熱，壓氣機喘振和失速會引起發(fā)動機中氣流反向流動，從燃燒室后段返回的氣流溫度很高，一般在鈦的燃點以上，這會引起壓氣機鈦合金葉片起火。美國曾對發(fā)生的鈦火事件進行過統(tǒng)計，其中由高壓壓氣機工作葉片故障引起鈦火的比例為22.5%，由渦輪故障引起鈦火的比例為20%[2]。

當發(fā)動機上發(fā)生鈦火時，對于高壓壓氣機轉(zhuǎn)子，中間級的前幾級有可能出現(xiàn)嚴重的葉尖摩擦現(xiàn)象；后幾級葉型后燃燒產(chǎn)物增加，葉尖和尾緣上可能會有非持續(xù)燃燒或熔化現(xiàn)象，燃燒產(chǎn)物或殘渣堆積在葉型后部；中間級的工作葉片可能會大面積燃燒，其后所有葉型全部燒毀。對于高壓壓氣機靜子，中間級的前幾級因向前偏斜，導(dǎo)致靜子葉片緣板出現(xiàn)摩擦；后幾級靜子葉片后因有燃燒產(chǎn)物堆積，在葉片尾緣處產(chǎn)生非持續(xù)燃燒現(xiàn)象，尾緣兩側(cè)堆積有燃燒產(chǎn)物或殘渣；中間級后所有靜子葉片全部燒毀；正對中間級前機匣360°過熱，輕微燃燒；中間級機匣過熱，有鈦熔化現(xiàn)象；所有引氣管線全被燒穿，氣流攜帶熔化鈦從后總管流向前總管，導(dǎo)致管路徹底熔化。高壓壓氣機發(fā)生鈦火后，會在燃燒室燃油噴嘴處堆積很多燃燒產(chǎn)物，火焰筒因流動不規(guī)則導(dǎo)致燃燒、開裂和變形。鈦火會使渦輪進口導(dǎo)葉由于大量金屬堆積而變形，某些堆積物下方還有熱變形。

由此可見，高壓壓氣機上發(fā)生鈦火，不但會燒毀全部的鈦合金葉片，還會將機匣、整流葉片、葉盤、軸等其它非鈦合金材料零件燒毀，甚至導(dǎo)致燃燒室火焰筒、渦輪葉片等出現(xiàn)不同程度損傷，壓氣機上各種連接管線等也會損壞[2，3]。

3 典型鈦火故障

鈦火故障是發(fā)動機上最危險的故障。上世紀70～80年代，很多發(fā)動機(軍用或民用發(fā)動機)的高壓壓氣機發(fā)生過鈦火故障。

普惠公司F100發(fā)動機在臺架試車時，發(fā)動機運轉(zhuǎn)到最大狀態(tài)時發(fā)生鈦合金燃燒，壓氣機完全燒毀，且整個發(fā)動機被燒得面目全非。GE公司F404發(fā)動機在1987年發(fā)生4起鈦火，造成4架F/A-18飛機墜毀。英國羅·羅公司RB211-524G2-T發(fā)動機，在累計飛行13 922 h和1 395個循環(huán)后發(fā)生了鈦火，分解后發(fā)現(xiàn)，第1級高壓壓氣機轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)脫落，所有葉片均有不同程度的損傷，對其它部件也造成了破壞。圖1顯示了這次鈦火故障造成的后果[4]。

圖1 RB211-524G2-T發(fā)動機鈦火故障后部分形貌Fig.1 Working blade of RB211-524G2-T completely fell off after titanium fire

普惠公司PW4000在適航取證過程中進行包容試驗時，由于斷裂的風(fēng)扇葉片引起高壓壓氣機喘振，造成壓氣機第1級轉(zhuǎn)子葉片的葉尖，將直接裝在鈦制機匣上的封嚴環(huán)磨穿，并與鈦機匣摩擦引發(fā)鈦火，且后竄的火焰還將后幾級轉(zhuǎn)子葉片部分燒熔。

1977～1988年間，蘇聯(lián)的NK-8、NK-86、D-30和AI-25等發(fā)動機發(fā)生過30多起鈦火事件。原因是葉片卡在轉(zhuǎn)子與靜子之間、轉(zhuǎn)子止推軸承損壞、轉(zhuǎn)子與靜子相互碰磨等。

典型的鈦火事件還有很多，如：飛馬發(fā)動機在試飛中壓氣機工作葉片與機匣相互碰磨引發(fā)鈦火，飛機墜毀；CF6發(fā)動機一年之內(nèi)曾發(fā)生過14起鈦火事故。在沒有更好的材料取代鈦合金在航空發(fā)動機上應(yīng)用的情況下，鈦合金在未來很長時間內(nèi)仍然是重要的航空材料。為此，必須研究鈦火防護技術(shù)，保證鈦合金在發(fā)動機和飛機上的安全應(yīng)用。

4 航空發(fā)動機中的鈦火防護技術(shù)

從設(shè)計思路上講，以下4種鈦火防護設(shè)計方法較為有效。

(1)加裝摩擦條設(shè)計。在轉(zhuǎn)子與機匣之間及封嚴件上加裝摩擦條，可防止鈦制轉(zhuǎn)子葉片接觸鈦制機匣，同時能避免太多能量堆積在鈦表面，進而限制鈦層溫度。早在上世紀60年代末，美國就在F101發(fā)動機上采用了該方法。該發(fā)動機設(shè)計之初，就在9級高壓壓氣機部件上考慮了防鈦火措施，除第6級外，所有高壓壓氣機轉(zhuǎn)子流道外沿加裝可拆卸內(nèi)襯環(huán)(作用與摩擦條相同)，防止轉(zhuǎn)子葉片葉尖與機匣內(nèi)壁接觸碰磨，盡可能減小摩擦損傷，以降低鈦火發(fā)生概率。F119發(fā)動機采用了在機匣上加裝摩擦條的方法。摩擦條要設(shè)計得易磨，且只能摩擦到某種厚度，太深的摩擦可能會穿透、磨掉或熔化掉摩擦條，使鈦材料裸露。摩擦條可采用幾種不同的材料，范圍從在低溫區(qū)填充人造橡膠到高溫區(qū)噴涂金屬涂層、粘結(jié)材料和鋼。

(2)采用防護涂層，主要是阻燃涂層。阻燃涂層的工作原理是盡量避免鈦合金件之間相互接觸碰磨，阻止熱量向基體傳播。但阻燃涂層的阻燃作用，受其材料成份、工作環(huán)境及阻燃涂層與基體材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)匹配的限制。有些阻燃涂層會隨著工作環(huán)境溫度和壓力的升高，逐漸失去阻燃作用。為此，阻燃涂層材料必須具有良好的導(dǎo)熱性、抗氧化性、粘結(jié)性、與基體的兼容性、工藝性，易磨耗性和低的摩擦系數(shù)。阻燃涂層通常噴涂在機匣內(nèi)壁、鼓筒和轉(zhuǎn)子葉尖等區(qū)域。噴涂方法一般采用物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法及常規(guī)電鍍方法等。

這種鈦火防護技術(shù)在F119、AL-31F、EJ200(圖2)等多種發(fā)動機上都得到了很好應(yīng)用。

除了阻燃涂層外，有時還在這些抗摩擦元件上噴涂易磨削涂層。如CFM56發(fā)動機，在高壓壓氣機機匣內(nèi)環(huán)上加裝了防止摩擦的鋼制襯套和防火隔圈，隔圈上噴涂有易磨削涂層。

圖2 EJ200上涂有氮化硼涂層的鈦制葉片F(xiàn)ig.2 Boron nitrides coated on titanium blades of EJ200

(3)間隙設(shè)計技術(shù)。設(shè)計間隙時，從兩方面考慮減少摩擦的可能性。一是在某些允許的情況下，適當加大轉(zhuǎn)子葉尖與靜子間的徑向間隙，降低轉(zhuǎn)子葉片與機匣內(nèi)環(huán)發(fā)生摩擦的概率；二是適量加大轉(zhuǎn)子葉片與整流葉片間的軸向間隙，減少因喘振和失速導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子、整流葉片碰撞。但這種方法會降低壓氣機效率和喘振裕度，需合理設(shè)計。

(4)采用機匣處理措施，特別是在機匣上開斜槽以防止熱膨脹和失速。

以上鈦火防護設(shè)計方法，在航空發(fā)動機設(shè)計之初就應(yīng)充分考慮，這樣才能降低鈦合金著火概率，減少燃燒傳播，消除機匣燒穿隱患，從設(shè)計理念上把鈦火防護技術(shù)融入到設(shè)計過程中。此外，更換材料也是一種有效的鈦火防護方法，如F404-GE-400、CFM56-3和NK-86等發(fā)動機都采用過，但會增加重量[5～7]。

5 鈦火防護技術(shù)的試驗驗證

鈦火防護技術(shù)試驗驗證是防鈦火設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)。如EJ200發(fā)動機設(shè)計時，采用了防鈦火涂層。為確認這種防鈦火方法的有效性，通過在該發(fā)動機上進行鈦火包容試驗予以了驗證。

鈦火防護技術(shù)的試驗驗證，可在能模擬發(fā)動機工況的鈦火試驗平臺或直接在發(fā)動機上進行。試驗驗證大綱中還要考慮選擇合理的鈦合金點火方法和熄滅方法，及鈦火后果處理和評估方法等。通常，選擇小型風(fēng)洞作為鈦火防護技術(shù)試驗驗證平臺，因為在小型風(fēng)洞中可模擬氣流在壓氣機中的環(huán)境壓力、溫度和速度，并可深入了解旋轉(zhuǎn)部件的性能。鈦火防護技術(shù)試驗驗證最重要的一點，是試驗條件(試驗所需溫度、壓力及空氣流量)的組織。美國空軍研究實驗室的鈦火試驗設(shè)備，采用活塞式壓氣機供氣，在空氣供給時，壓力可通過開關(guān)活門的反饋控制器維持在額定值，流量可通過位于控制室中的遠程控制器調(diào)節(jié)，所需溫度則通過高溫爐加熱得到。試驗驗證時還需要確定鈦合金的點火方法。鈦合金的點火方法，有激光點火、摩擦點火、金屬液滴點火、電火花點火、等離子點火和機械沖撞點火等。美國在阻燃鈦合金試驗驗證時通常采用激光點火法，俄羅斯則采用摩擦點火法。穩(wěn)態(tài)試驗中通常采用機械沖撞點火法。下面以烏克蘭AI-25發(fā)動機為例，具體闡述如何開展鈦火防護技術(shù)的試驗驗證。

AI-25發(fā)動機是在上世紀60年代研制的渦扇發(fā)動機，其零部件材料中，鈦合金所占比例約為70%，占發(fā)動機總重的30%，以該發(fā)動機為平臺進行防鈦火方法試驗驗證非常具有代表性。該發(fā)動機設(shè)計時，主要通過合理設(shè)計徑向間隙的方法來防止鈦火，所以在鈦火再現(xiàn)試驗時，主要針對間隙進行控制。如該發(fā)動機工程圖上的間隙值為3.6mm，試驗時將其8級高壓壓氣機最后幾級的間隙選為最小，約為0.8+0.2mm，以此來驗證間隙設(shè)計對防鈦火的有效性。驗證試驗采用摩擦點火的方式。為組織轉(zhuǎn)子與靜子摩擦，專門設(shè)計一種裝置，并將其安裝在高壓壓氣機的滾珠軸承上。轉(zhuǎn)靜子摩擦裝置可通過應(yīng)變傳感器對運行中的發(fā)動機的轉(zhuǎn)子位移進行測量，并能同時保證轉(zhuǎn)子行程不超過3 mm[8]。

為防止外涵機匣被燒穿，機匣上涂抹維克辛特有機硅密封劑У-4-21成份的涂層，涂層厚度約為2 mm。為確定高壓壓氣機部件鈦火產(chǎn)生的時刻，及對發(fā)動機靜子零件熱狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)控，在燃燒室外涵機匣上布置熱電偶，對高壓壓氣機后空氣溫度、燃燒室3號加強筋平面上溫度和渦輪后空氣溫度進行測量。

鈦火再現(xiàn)試驗時，發(fā)動機先在慢車狀態(tài)工作一段時間，然后加速到92.8%壓氣機轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速，啟動高壓壓氣機轉(zhuǎn)子軸向位移裝置。當發(fā)動機工作響聲改變后，尾噴管噴出火焰，發(fā)動機發(fā)出爆聲。這時開始采集高壓壓氣機中元件著火的相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，高壓壓氣機后溫度階躍性升高到1 300℃，燃燒室中溫度急劇升高到1 075℃，高壓壓氣機后空氣壓力急劇降低，高壓壓氣機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，振動水平增大。鈦火產(chǎn)生瞬間，尾噴管中有火舌噴出。

試驗結(jié)束后，分解發(fā)動機，結(jié)果證實轉(zhuǎn)靜摩擦裝置有效，鈦合金制造的高壓壓氣機零件發(fā)生燃燒，是由于高壓壓氣機第8級轉(zhuǎn)子盤后端面與第8級導(dǎo)向器內(nèi)圈接觸碰摩所致。鈦火導(dǎo)致的后果有：①高壓壓氣機第8級導(dǎo)向器、內(nèi)環(huán)和內(nèi)擴壓器全部燒毀；②高壓壓氣機第8級轉(zhuǎn)子與第8級導(dǎo)向器內(nèi)環(huán)碰摩處，盤端面燒壞和工作葉片榫頭燒焦；③火焰筒頭部和火焰穩(wěn)定器頭部局部燒毀；④火焰筒頭部之間的燃燒室外機匣局部燒毀；⑤輪轂碰摩處后篦齒上端邊緣篦齒燒毀；⑥高壓渦輪工作葉片所有帶冠緣板全部斷裂，葉身變形；⑦渦輪機匣下端燒壞并熔化；⑧噴涂維克辛特有機硅密封劑У-4-21的機匣下端，大約5%面積上涂層厚度一半處發(fā)生熱結(jié)構(gòu)熱變形，剩余一半涂層和其它位置密封膠情況良好。

通過在AI-25發(fā)動機上進行鈦火再現(xiàn)試驗，進一步驗證了合理設(shè)計高壓壓氣機上的徑向間隙和軸向間隙是防鈦火的有效措施。另外，還驗證了鈦合金葉片邊緣加厚、降低變應(yīng)力值，提高徑向止推軸承潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的可靠性，不成對采用鈦合金(如采用鋼和鎳基合金作壓氣機機匣、導(dǎo)向器葉片材料)等，也可有效防止鈦火發(fā)生。

6 結(jié)束語

防鈦火設(shè)計最好在航空發(fā)動機設(shè)計之初就充分考慮，這樣可避免以后換材料、修改設(shè)計等帶來的增重和效率下降等不利因素。鈦火防護設(shè)計方法的試驗驗證非常復(fù)雜，但它是能夠確認防鈦火方法有效性的最直接手段。AI-25發(fā)動機上進行的鈦火試驗充分表明，可在真實發(fā)動機上再現(xiàn)鈦火過程，核實鈦火原因和驗證鈦火防護方法。EJ200發(fā)動機上的包容試驗也表明，鈦火防護設(shè)計是阻止鈦火燒穿機匣的最有效措施。這些實例充分說明了鈦火防護技術(shù)試驗驗證的重要性，只有通過試驗驗證的防鈦火措施才是最有效的防鈦火措施，用在發(fā)動機上才安全可靠。

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Titanium Fire Protection Technology and Test Validation Method of Aero-Engine

WANG Wei-wei，CHEN Yu-jie，GAO Hai-hong
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Titanium alloy is widely used on aero-engines,particularly on military aero-engines which aim at high thrust-to-weight ratio.However,it could be risky that titanium fire might occur which is frequent and destructive.The causes of titanium fire were analyzed and the consequences were described.Typical ti?tanium fire failures were presented and four kinds of effective protection design technology were summa?rized.Test objective and validation approaches were illustrated.It is pointed that safety and effectiveness of titanium fire protection technology could only be validated through tests.

aero-engine；titanium alloys；titanium fire prevention technology；test validation；thrust-to-weight ratio

V235

A

1672-2620(2013)05-0055-04

2013-04-24；

2013-08-25

王巍巍(1972-)，女，內(nèi)蒙古通遼人，碩士，譯審，主要從事發(fā)動機情報研究和科技翻譯工作。