陈光/文
钛合金由于具有比较高的比强度,因而自它开始在航空工业上应用后,即广泛应用于航空发动机中。在工作温度允许的条件下,压气机轮盘、转子叶片、静子叶片、机匣、篦齿封严环等压气机零件很快都采用钛合金。
但是,在使用中,发生过发动机的旋转钛制零件(转子叶片、封严篦齿)或直接或其断片与钛制静子零件(机匣、静于叶片、封严环等)相互碰撞、摩擦引起钛合金自燃着火,使压气机的零件烧毁,机匣烧穿。严重时,烧穿机匣的火焰外延,能烧穿外涵机匣甚至引起发动机短舱着火,严重影响飞机飞行安全。由于高压压气机内的空气压力、温度较高,是钛着火的较好条件,因此钛着火均发生在高压压气机中。
早期,压气机机匣、静子叶片均采用钛合金(在工作温度允许的条件下),但在使用中不断暴露出钛着火的问题。例如,CF6发动机是年装在DC10宽体客机上投入使用的,使用初期没有发生问题,但是,当它累积使用时间达到八百多万飞行小时后,于年起出现钛着火问题。
年年中达到高峰,1年内发生十几起钛着火问题,后果严重,于是从年起,将生产中及航线使用中的发动机,高压压气机机匣全部换成钢制机匣。这种钢制机匣在其后的衍生型发动机如CFA、CFC2与CFE1中一直沿用。
年装在波音、波音与MD11等新型飞机上投入使用的PW发动机,于年通过适航审定的包容试验时,由于风扇叶片断裂,引起高压压气机喘振,高压压气机第1级工作叶片的叶尖将装在钛机匣上的封严带磨穿并与钛机匣摩擦,引起钛机匣着火,向后窜的火焰还将后几级工作叶片部分烧熔。后来,在机匣与封严带间,加装了一较厚的钢衬套。
前面曾谈到年美国海军损失了9架F/A18战斗/攻击机,其中4架是因它所用的F发动机钛着火而引起的。
用于伊尔62飞机的HK8发动机于年投入使用,在~年10年间,发生过7次高压压气机钛着火事件,其原因是钛制工作叶片折断后的断片卡在静转子间,与钛制机匣或钛制静子叶片相磨而引起的。由年起,已将4~6级静子叶片由钛合金改为合金钢。
用于伊尔86客机的HK86发动机于年投入使用。年在进行国家定型试车时发生过4次钛着火事件,年在使用中发生过1次,其原因基本同于HK8。
用于图与伊尔62的Д30系列发动机,在~年间,曾发生过10次钛着火事件。用于雅克40支线客机的阿伊25发动机于年9月投入使用,~年间曾出现过4次钛着火事件,~年间出现过5次钛着火事件。前4次的原因主要是止推轴承损坏,转子前窜,与静子相磨引起的,后5次主要是钛制篦齿环与钛制外环相磨引起的。
从上述事例可以看出,高压压气机中钛着火事件是严重影响飞机安全的隐患。应针对其发生的原因,采取相应措施,以提高发动机的可靠性。
经研究,钛着火的机理是:两钛制零件相互高速摩擦时,产生的大量摩擦热,引起钛合金自燃而着火,钛合金着火后,温度急剧上升,燃烧区的温度高达~℃。当火焰传到其他钛合金零件上时,会很快使零件温度上升,超过它的熔化温度,零件很快被熔化烧穿。根据观测,在高压压气机中,钛合金着火后,约经5~10s即能将钛机匣烧穿,火焰外窜。
钛合金是否易于着火,与流过它周围的空气的参数(压力、温度和速度)有关。空气压力与温度较低时,不易产生;较高的压力与温度下则易产生。压力越高,促使钛合金自燃的空气温度将会低些。在高压压气机中,特别是3~5级处流过的空气压力与温度恰好落在易促使钛合金着火的参数范围内,因此,钛着火均发生在高压压气机中,低压压气机中尚无着火的记录。如果发现钛开始着火,立即将发动机停车,钛火会熄灭而不致产生严重后果。
根据上述机理,为提高发动机可靠性,在高压压气机中使用钛合金有下述一些限制:对于转子,在工作温度允许的条件下,尽量采用钛合金,这样,不仅使转子重量减轻,而且也使支承转子的结构件重量降低,使发动机重量可以降低。
在转子中,轮盘的温度低于工作叶片的温度,因此,在高压压气机后几级中,工作叶片需采用镍基合金做,而轮盘可用钛合金。在遄达发动机中,由于采用了工作温度可达℃左右的高温钛合金IMI,高压压气机各级轮盘均用钛合金制成并焊接成一整体,但其后几级的工作叶片却是用镍基合金做的。
对于静子件(机匣、静子叶片与封严环等),在高压压气机中,最好不采用钛合金。西方国家新型发动机中,除PW尚采用钛合金做机匣(高压压气机前段)外,均采用了合金钢的前段,后段机匣均用高温合金。
例如前机匣中:F发动机为M合金钢;CF6各型为M合金钢;CFM为M合金钢(年10月以前为钛合金)。英国民航适航性要求规定,为防止钛着火,钛制静子零件的环境条件不应超过:空气压力kPa,空气流速50m/s。
实际上,在RBE4中,高压压气机前段机匣采用铬钢,后段机匣采用铁、镍、钴、铌合金制成,静子叶片全部采用合金钢。RB214D4高压压气机前段机匣为合金钢,静子叶片中,1~4级为合金钢,5级为Incol。遄达发动机中,1~3级机匣为合金钢,静子叶片1~4级为合金钢,5~8级为Incol。
苏联民用发动机中,在高压压气机中曾广泛采用钛制机匣、静子叶片与封严环。由于出现多次钛着火事件,后在统一的适航性标准中对钛合金在高压压气机中的使用做了明确规定,高压压气机零件使用钛合金的温度限制为:工作叶片℃,静子叶片℃,机匣及封严环℃,篦齿封严环℃。
根据这一规定,一些发动机的材料做了改动,例如:HK8发动机高压压气机4~8级静子叶片从年由钛合金改为钢材;HK86发动机高压压气机中,从年起,4~5级静子叶片、篦齿封严环与封严外环全部由钛合金改为合金钢;阿伊25发动机高压压气机4~6级静叶从年起由钛合金改为合金钢;Д30发动机高压压气机于80年代后期将第5~9级静子叶片,第4级后的轮盘间鼓环全部由钛合金改为钢。
防错设计也是提高发动机可靠性的措施之一。对于一些在使用中经常需拆装的零组件及附件(例如喷油嘴等),以及对于一些外形极近相似,在装配中容易出现错装的零组件(例如,在总压比很高的发动机中,高压压气机后几级工作叶片的形状与尺寸非常相近),应当采用防错设计,使得这些零组件在装配过程中,绝对不会装错,哪怕是技术等级非常低,或从未装过该部件的人员,也不会出现错装现象。
在稍老一些的飞机与发动机中,不太注意防错设计,因而在使用中,由于错装而造成飞机出现大的事故,在国内外的军民用飞机中,均时有发生。因此,在发动机研制中,一定要将防错设计提到重要的地位,只要在设计思想上有了明确认识后,实施起来是非常容易的。
例如,以往在发动机的各种安装边处与附件安装座上,连接用或固定用的螺栓与螺桩的分布,都做成在圆周上均匀分布,这样,就可能在装配时将位置装错。如果将其中任一个螺栓或螺桩的位置做成不均匀的,就可避免出错。又如燃烧室上安装喷油嘴的安装座,一般是用两个螺钉将喷油嘴固定。
在以往的发动机中,有时将两个螺钉孔对称地安排。这样就有可能将喷油嘴的方向装错,本来应向后喷油的,而错装成向前喷油。如果在设计中,将对称安排的螺钉孔位置,改成不对称的,即可避免装错。
又如在高总压比发动机中,高压压气机后几级的工作叶片,不仅各级间叶型、尺寸相近,而且对于每一种叶片来讲,由于叶身很薄,前后缘也很相似,这样,如果不采取防错设计,就可能错装。为此,可在叶片榫头、轮盘榫槽的设计中,略加注意,采取必要的防错措施,这样,不论如何装配,均不会出现错装现象。
重视发动机零、部件可靠性细节设计
作为发动机基本组成单位———主要零组件与部件有高的可靠性,无疑会对整台发动机的可靠性有较大影响。从原则上讲,每个零件如能在它特定工作条件(转速、温度和环境等)下,有足够的强度,好的振动特性,较长的寿命而且重量尽可能轻时,应该说它的可靠性是有保证的。
但是,发动机的工作条件不仅多变而且复杂与苛刻,往往作为一个零件看,是绝对没问题的,但当它装入发动机中,可能由于与其他零组件在某些条件下不能相容而出现问题,或短期甚至长期工作中不会出现问题,但当工作时间更长后,就可能会暴露出一些问题,有时甚至是灾难性的问题,这在国内外发动机研制与使用中,已是屡见不鲜的事了。
为此,总结出这些问题,在设计中,引起重视,并采取措施,予以消除,已是提高发动机可靠性的重要措施。以下将列举发动机零部件在设计、选材与加工中,提高可靠性的一些措施或为保证高的可靠性应有的某些限制。显然,所列举的内容还远远不够,有待今后不断补充与充实。