可變環(huán)境條件下鈦合金旋轉(zhuǎn)摩擦著火試驗研究

邢 鵬，向宏輝，王 標，王登奎，楊 明

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

可變環(huán)境條件下鈦合金旋轉(zhuǎn)摩擦著火試驗研究

邢 鵬，向宏輝，王 標，王登奎，楊 明

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

為研究航空發(fā)動機壓氣機鈦合金構(gòu)件發(fā)生鈦火的形成機理和影響規(guī)律，圍繞試驗件設(shè)計、參數(shù)測試與狀態(tài)調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)進行深入探索，完善了可變環(huán)境條件下的鈦合金旋轉(zhuǎn)摩擦試驗方法，并在此基礎(chǔ)上開展了試驗件結(jié)構(gòu)、材料與氣流參數(shù)對鈦合金燃燒特性影響的試驗研究。試驗結(jié)果表明：雙環(huán)結(jié)構(gòu)試驗件具有較好的強度和剛度，能夠滿足鈦合金摩擦試驗要求；在試驗工況范圍內(nèi)，TC4鈦合金材料較Ti40材料更容易燃燒，且氣流參數(shù)對鈦合金燃燒特性的影響不明顯。

航空發(fā)動機；鈦火；可變環(huán)境；旋轉(zhuǎn)摩擦；材料特性；試驗研究

1 引言

鈦合金具有密度低、比強度高、抗腐蝕等優(yōu)點，廣泛用于先進航空發(fā)動機中以減輕發(fā)動機質(zhì)量。然而由于鈦合金導熱系數(shù)低、氧化熱焓高、摩擦系數(shù)大，具有容易著火燃燒(即鈦火)的特性。自20世紀60年代鈦合金在航空發(fā)動機中成功應(yīng)用以來，發(fā)動機上因鈦合金著火燃燒的事件就不斷發(fā)生，如飛馬發(fā)動機、F100、F404發(fā)動機、CF6發(fā)動機、Д-30與АИ-25等發(fā)動機均發(fā)生過鈦合金著火事故[1-2]。

由于鈦合金起燃、擴散與傳播涉及空氣動力學、金屬流體力學、燃燒動力學等多學科，難以通過單純理論分析和數(shù)值計算的方法研究鈦合金燃燒真實情況[3-5]，為此國內(nèi)外投入大量資源開展鈦合金燃燒試驗研究。美國利用激光點燃平臺開展了不同氣流條件下鈦合金起燃、自持燃燒和擴散燃燒的試驗研究，并評價了54種鈦合金的燃燒特性，然而該平臺無法模擬發(fā)動機旋轉(zhuǎn)碰摩情況。俄羅斯的摩擦試驗平臺雖然可以模擬發(fā)動機壓氣機的工作環(huán)境，但該試驗平臺屬于開放式環(huán)境，試驗工況易受外界條件影響，且只采用熱電偶測溫而無視頻監(jiān)控對試驗過程進行跟蹤，因此無法對鈦合金燃燒整個變化過程進行分析。國內(nèi)北京航空材料研究院碰磨法試驗設(shè)備和西北有色金屬研究院直流電弧激發(fā)燃燒試驗平臺，受設(shè)備資源限制都不能模擬發(fā)動機的溫度、壓力、流速等條件，進而影響試驗結(jié)果的工程適用性[6-9]。

為此，本文在參考國內(nèi)外現(xiàn)有鈦合金燃燒試驗裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計建造了用于模擬真實發(fā)動機發(fā)生鈦火的可變環(huán)境工況的專用試驗平臺。該平臺可模擬發(fā)動機壓氣機工況，在旋轉(zhuǎn)碰摩條件下進行鈦火模擬試驗，以研究不同氣流壓力、溫度、流速、轉(zhuǎn)速以及不同頂緊力作用下鈦合金的燃燒情況，可對整個燃燒過程試驗狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)控和視頻監(jiān)視。在該試驗平臺上開展了大量鈦合金轉(zhuǎn)/靜子試驗件摩擦著火試驗，驗證了試驗件設(shè)計、關(guān)鍵參數(shù)測試與試驗調(diào)控技術(shù)，初步掌握了可變環(huán)境條件下鈦合金摩擦著火試驗方法，為后續(xù)深入試驗研究的開展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 試驗方法設(shè)計

2.1 試驗原理

發(fā)動機發(fā)生鈦火主要是故障引起的鈦結(jié)構(gòu)能量積聚達到了起燃溫度從而引發(fā)鈦合金燃燒。產(chǎn)生能量積聚的主要方式有機械故障引起的轉(zhuǎn)/靜子摩擦、壓氣機喘振或失速引起的高溫燃氣回流及壓氣機鈦合金構(gòu)件在高溫高速氣流作用下發(fā)生氧化發(fā)熱。因此，發(fā)動機鈦合金著火可歸結(jié)為各種因素導致能量聚集使環(huán)境條件達到鈦合金的起燃邊界，從而引起整臺發(fā)動機著火[10]，具體可表現(xiàn)為氣流速度、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速及作用力等且相互影響。為弄清鈦合金燃燒的影響因素，有必要設(shè)計專門試驗平臺用于研究壓氣機環(huán)境對鈦合金燃燒的影響，從而為設(shè)計提供相應(yīng)的防鈦火措施。

2.2 試驗平臺

根據(jù)航空發(fā)動機中壓氣機工作條件及試驗原理，試驗平臺主要由動力驅(qū)動系統(tǒng)、加溫空氣系統(tǒng)、試驗艙及推進機構(gòu)等組成[11]。試驗器主要技術(shù)指標為：空氣質(zhì)量流量0～1.0 kg/s，空氣溫度0～773 K，空氣壓力 0～1.2 MPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 0～24 000 r/min。如圖1(a)所示，為了滿足對壓氣機高溫、高壓、流速等環(huán)境條件的模擬，保證鈦合金燃燒環(huán)境條件與發(fā)動機工況近似，試驗艙內(nèi)應(yīng)滿足壓力不小于0.6 MPa、馬赫數(shù)0.3～0.5，因此通過收斂噴管射流的方式來提高進口氣流速度。如圖1(b)所示，試驗艙進氣為可更換的收斂條形孔結(jié)構(gòu)，能保證不同試驗件均處于射流流場內(nèi)；排氣為圓形結(jié)構(gòu)，同時在試驗艙上方開設(shè)觀察窗用于溫度和視頻監(jiān)測儀器的安裝，試驗艙體側(cè)面設(shè)置測量探針安裝座用于艙內(nèi)氣流參數(shù)的測量。為確定試驗艙內(nèi)流場，對其進行了全三維粘性數(shù)值模擬，結(jié)果如圖2所示。可見，整個試驗艙內(nèi)中心射流區(qū)域溫度場、壓力場和速度場較為均勻且射流有一定的寬度，能夠滿足高壓壓氣機鈦合金構(gòu)件著火燃燒所需的環(huán)境條件要求。

圖1 摩擦點燃鈦火試驗平臺組成示意圖Fig.1 Schematic drawing of the frication combustion equipment

2.3 試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 試驗艙內(nèi)流場分布圖Fig.2 Flow field distribution of test section

摩擦法鈦火試驗件分為靜子件和轉(zhuǎn)子件兩部分，分別用于模擬壓氣機中轉(zhuǎn)子葉片、鼓筒和靜子葉片及機匣。由于試驗過程中試驗件將發(fā)生摩擦、升溫、變形、磨損、氧化、燃燒等復雜的物理和化學反應(yīng)，若結(jié)構(gòu)設(shè)計不當會發(fā)生折斷、嚴重變形或過度磨損等情況，因此試驗件結(jié)構(gòu)必須滿足以下條件：具有足夠的強度，避免斷裂；具有足夠的剛度，避免過度變形；摩擦面結(jié)構(gòu)合理，線速度足夠大，利于摩擦熱量累積，易于摩擦磨損；盡可能采用簡單的結(jié)構(gòu)形式。試驗先后設(shè)計了六種結(jié)構(gòu)的試驗件，如表1所示。

2.4 測試方法

試驗過程中主要測量參數(shù)包括氣流壓力、溫度、流速、試驗轉(zhuǎn)速、推力及試驗件溫度變化。試驗時，通過四點總溫總壓探針測量進氣氣流參數(shù)變化；試驗艙內(nèi)的氣流壓力、溫度、流速，根據(jù)設(shè)備調(diào)試時艙內(nèi)氣流參數(shù)與進口管道氣流參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系間接獲取。試驗件溫度通過熱電偶和紅外測溫儀測量，熱電偶預埋在試驗件靜子背面摩擦區(qū)域附近，其測點位置布置如圖3所示；紅外測溫儀安裝在進給機構(gòu)推進軸上并與進給機構(gòu)保持同步，通過觀察窗測量試驗件碰摩側(cè)面燃燒溫度。推力通過安裝在試驗件軸端傳感器測量，同時采用高速攝像儀通過觀察窗記錄燃燒產(chǎn)生、發(fā)展過程。紅外測溫儀、高速攝像及推力傳感器的安裝示意如圖4所示。

表1 試驗件結(jié)構(gòu)Table 1 Structure of titanium alloys specimen

圖3 熱電偶布置圖(靜子背面)Fig.3 Thermocouple installation location(back of stator)

2.5 試驗條件調(diào)控方法

圖4 試驗測試安裝示意圖Fig.4 Diagram of measuring instruments installation

如圖1所示，氣源提供的壓縮空氣經(jīng)加溫、調(diào)壓后流經(jīng)試驗艙，通過試驗艙前后的閥門調(diào)節(jié)艙內(nèi)空氣壓力、流速、流量等參數(shù)以模擬發(fā)動機工作環(huán)境，可實現(xiàn)試驗艙的內(nèi)流速0～200 m/s、壓力1.0 MPa、溫度0～700 K。電機通過齒輪箱增速帶動轉(zhuǎn)子件在試驗艙內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速在0～24 000 r/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，試驗件最高線速度100 m/s，可實現(xiàn)壓氣機轉(zhuǎn)子的高速摩擦速度模擬。轉(zhuǎn)靜子摩擦采用液壓進給機構(gòu)推動靜子試驗件向前與轉(zhuǎn)子試驗件碰摩用于模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)子與靜子接觸摩擦，液壓推進機構(gòu)控制可根據(jù)試驗要求設(shè)定推進、退出速度和加載方式(連續(xù)/間斷)，可控制軸向力大小并具有推力保護功能。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗艙調(diào)試結(jié)果

由于正式摩擦試驗時無法直接測取艙內(nèi)摩擦區(qū)域的氣流壓力、溫度及流速，因此通過試驗艙流場調(diào)試試驗建立進氣氣流條件與艙內(nèi)氣流參數(shù)的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，同時準確獲取試驗艙內(nèi)工作邊界條件，從而為后續(xù)鈦合金模擬件旋轉(zhuǎn)碰摩試驗提供狀態(tài)依據(jù)。通過試驗艙調(diào)試，試驗艙最高壓力可達1.0 MPa，溫度可達650 K，最高流速可達200 m/s，滿足壓氣機高溫、高壓、高流速的環(huán)境模擬要求。同時，艙內(nèi)流場試驗結(jié)果表明，艙內(nèi)射流區(qū)域氣流參數(shù)與進口氣流參數(shù)滿足線性關(guān)系。

3.2 鈦合金碰摩試驗結(jié)果

3.2.1 結(jié)構(gòu)對鈦合金燃燒特性的影響

先后開展了六種不同結(jié)構(gòu)試驗件的摩擦燃燒試驗，試驗件材料為TC4，試驗結(jié)果如表2所示。研究表明：片式結(jié)構(gòu)試驗件(如1、3)結(jié)構(gòu)剛度差，試驗件碰摩過程中極易發(fā)生變形或折斷導致無法持續(xù)摩擦、難以起燃；盤式和錐形結(jié)構(gòu)(如2、4)摩擦面積大且有較高的強度和剛度，但試驗過程中難以通過磨損而產(chǎn)生熱量積累，試驗件也難以燃燒；環(huán)式結(jié)構(gòu)(如5、6)采用圓環(huán)接觸，具有較高的強度和線速度，同時易于摩擦磨損，試驗件成功燃燒，但單環(huán)結(jié)構(gòu)靜子相對不穩(wěn)定，試驗難以穩(wěn)定燃燒，雙環(huán)結(jié)構(gòu)在單環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改善了試驗件剛度，且提高了材料摩擦損耗和摩擦熱量積聚，減少了散熱損失，實現(xiàn)了穩(wěn)定燃燒。

表2 不同結(jié)構(gòu)試驗件的試驗結(jié)果Table 2 Experimental results of test specimen with different structures

3.2.2 氣流參數(shù)對鈦合金燃燒特性的影響

表3為雙環(huán)結(jié)構(gòu)的TC4試驗件在不同氣流條件下的摩擦燃燒情況?？梢?，改變氣流壓力和速度，試驗件均發(fā)生了劇烈燃燒并將整個試驗件燒毀。從圖5可以看出，伴隨著摩擦的進行，試驗件溫度不斷上升同時產(chǎn)生大量的光和熱，當熱量達到鈦合金起燃溫度后，試驗件溫度急劇上升并起火燃燒，最終將整個試驗件燃燒，此時整個艙內(nèi)呈完全白色光亮狀態(tài)。視頻監(jiān)測顯示，靜子件先于轉(zhuǎn)子件起燃并迅速蔓延導致完全燃燒，轉(zhuǎn)子件則部分燃燒。整個試驗過程如圖6所示，大致經(jīng)歷了起燃、自持燃燒、擴散燃繞、完全燃燒四個階段，歷時約25 s。

表3 不同氣流參數(shù)的試驗結(jié)果Table 3 Experimental results of different air flow parameters

圖5 鈦合金試驗件溫度變化過程Fig.5 Temperature changes process of titanium alloys test specimen

3.2.3 材料對鈦合金燃燒特性的影響

圖6 鈦合金試驗件碰摩燃燒過程Fig.6 Rotating friction combustion process of titanium alloys test specimen

采用雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)的試驗件先后進行了TC4和Ti40材料的摩擦試驗研究，表4給出了兩種材料的試驗條件和試驗結(jié)果?？梢?，在相同氣流參數(shù)和轉(zhuǎn)速條件下，TC4材料完全燃燒，Ti40材料未能實現(xiàn)擴散燃燒。試驗過程中TC4試驗件有大量光和熱產(chǎn)生，并迅速將整個試驗件完全燃燒掉，而Ti40在摩擦過程中雖有大量火星產(chǎn)生且試驗件較長時間內(nèi)保持紅熱狀態(tài)，但未能像TC4一樣迅速擴散燃燒。試驗時Ti40較TC4難以磨損，并且如圖7所示，Ti40最終燃燒產(chǎn)物較TC4燃燒產(chǎn)物致密。

4 結(jié)論

(1) 本文建立的摩擦試驗平臺滿足壓氣機高

表4 不同材料試驗件的試驗結(jié)果Table 4 Experimental results of test specimen with different materials

圖7 鈦合金試驗件燃燒結(jié)果Fig.7 Titanium alloys burning results

溫、高壓、高流速的環(huán)境模擬要求，可實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的變化調(diào)節(jié)；同時，試驗采用紅外測溫和高速攝像儀等先進測試手段，可完整記錄鈦合金試驗件的溫度變化和燃燒發(fā)展過程。

(2)相對于葉片式、三角片式、圓錐式、圓盤式及單圓環(huán)式結(jié)構(gòu)的試驗件，雙圓環(huán)式結(jié)構(gòu)的試驗件具有較好的強度和剛度，同時該結(jié)構(gòu)還可以提高摩擦生熱和避免氣流作用下的對流換熱損失，可用于鈦合金摩擦試驗研究。

(3)試驗件材料對鈦合金的起燃影響較大，而氣流參數(shù)在一定范圍內(nèi)影響不明顯。在相同結(jié)構(gòu)和氣流參數(shù)條件下，TC4能完全燃繞，而Ti40難以起燃及擴散燃燒。

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Experimental investigation on titanium alloys rotating friction fire under variable environmental conditions

XING Peng，XIANG Hong-hui，WANG Biao，WANG Deng-kui，YANG Ming
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

In order to research the formation mechanism and influence law of aero-engine compressor tita?nium alloys of titanium fire,in-depth exploration around the key technology of test platform,the test speci?men design,parameter measurement and state regulation was carried out.The rotating friction test method under variable environmental conditions was improved so to launch experimental study on the impact of tita?nium test article structure,material and air flow parameters on the characteristics of titanium alloy burning.The test results show that the double-ring structure test piece has good strength and rigidity that can meet the requirements of friction test of titanium alloy;in test condition range,TC4 titanium alloy material is much easier to burn than Ti40 material and the effect of air flow parameters on titanium alloy burning is not obvious.

aero-engine；titanium fire；variable environment；rotating friction；material characteristics；experimental study

V250

A

1672-2620(2017)04-0034-05

2017-01-24；

2017-08-09

邢 鵬(1983-)，男，重慶人，工程師，主要從事空氣系統(tǒng)與熱分析試驗研究。