鈦合金構(gòu)件碰摩著火試驗器研制及應(yīng)用

秦 敏，顧 楊，張 良，向宏輝

(中國燃氣渦輪研究院，四川 江油 621703)

1 引言

鈦合金由于具有比強度高、抗蝕性好、耐熱性好、重量輕等優(yōu)異性能，在航空發(fā)動機中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是高性能發(fā)動機的風(fēng)扇和壓氣機部分以及其它結(jié)構(gòu)件中，都大量采用鈦合金以達到減輕重量的目的。但鈦合金在一定條件下容易著火，發(fā)生鈦火現(xiàn)象，嚴重危害發(fā)動機安全。自上世紀60年代鈦合金初次用于航空發(fā)動機后，鈦合金著火或鈦合金燃燒事故不斷發(fā)生。鑒于鈦火的嚴重危害，國外自70年代起就投入大量人力、物力對鈦合金燃燒機理進行研究，研制了鈦合金燃燒及擴散的專用試驗平臺，建立了較為完善的鈦合金燃燒分析模型，并對發(fā)動機結(jié)構(gòu)中防鈦火技術(shù)進行了深入研究[1]，取得了大量研究成果，大大減小了鈦火的發(fā)生幾率，降低了鈦火造成的損失。目前，我國相關(guān)科研院所進行了鈦合金抗燃燒性能的試驗研究[2，3]，也取得一定成果，但并未對影響鈦合金燃燒的主要因素進行量化關(guān)聯(lián)研究。

為更好地研究鈦合金構(gòu)件的燃燒特性，中國燃氣渦輪研究院自主研制了一種鈦火研究旋轉(zhuǎn)碰摩試驗器。相比國內(nèi)現(xiàn)有鈦火試驗裝置(如熔化液滴裝置、激光點燃裝置等)，該試驗器能較真實地模擬發(fā)動機中高壓壓氣機鈦合金構(gòu)件的工作條件，可用于評估不同環(huán)境條件下鈦合金試樣的燃燒特性和防鈦火技術(shù)措施的有效性。

2 鈦合金燃燒機理

正常工作條件下，鈦合金表面形成致密的、具有保護作用的TiO2氧化膜。當某種原因(如摩擦等)使其溫度升高時，高價氧化物被還原成低價氧化物，表面氧化膜比容隨之降低并導(dǎo)致剝落，此時氧的輸送速度加快，當釋熱量超過散熱量時，溫度迅速升高，氧化轉(zhuǎn)變?yōu)槿紵齕4]。鈦合金燃燒過程包括著火、自持燃燒、火焰?zhèn)鞑?、整體爆燃等。

研究表明，鈦合金是否易于著火，與流過其周圍的空氣參數(shù)(壓力、溫度和流速)有關(guān)。空氣壓力、溫度較低時不易著火，反之則易著火，且壓力越高鈦合金著火點溫度越低[5]。

3 試驗器組成

試驗器原理圖見圖1，主要由試驗艙、動力系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、液壓進給機構(gòu)、數(shù)采系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)等組成。

圖1 試驗器原理圖Fig.1 Diagram of test facility

3.1 試驗艙

試驗艙采用整體鍛造工藝，其內(nèi)部為圓形，外部為矩形。試驗艙前端采用可更換的收斂條形孔結(jié)構(gòu)，以保證不同試驗件均處于射流流場內(nèi)；試驗艙后端排氣段上布置有快速放空裝置，以在緊急情況下快速卸載艙內(nèi)高壓熱氣；試驗艙中段正上方艙壁開觀察窗，用以觀察并記錄試驗狀態(tài)；前、后艙壁分別開有進給機構(gòu)安裝孔和軸系安裝孔；艙體正下方設(shè)有兩條垂直相交的鍵槽，通過鍵將艙體定位在安裝座上。試驗艙與安裝座間采用耳座加斜鐵的固定調(diào)節(jié)方式，如圖2所示。試驗艙內(nèi)流場全三維粘性數(shù)值模擬(見圖3)結(jié)果表明，收斂條形孔的射流寬度滿足試驗要求。

圖2 試驗艙示意圖Fig.2 Diagram of test cell

圖3 試驗艙流場分布Fig.3 Distribution of flow field in test cell

3.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)由變頻調(diào)速異步電動機、一級增速齒輪箱(增速比為4)、二級增速齒輪箱(增速比為2)及變頻器等組成。電機額定轉(zhuǎn)速2987 r/min，額定功率250 kW，滿足試驗件摩擦所需的功率及轉(zhuǎn)速。二級齒輪箱專門針對鈦火試驗做了特殊設(shè)計，其輸出軸為懸臂軸結(jié)構(gòu)，軸端伸出箱體約220 mm，并伸入到試驗艙內(nèi)；端部設(shè)有試驗轉(zhuǎn)子件安裝面，并承受液壓進給機構(gòu)產(chǎn)生的軸向推力。

3.3 進氣系統(tǒng)

進氣系統(tǒng)主要由管道、電動閥門、電加溫器及流量測量裝置等組成。管道上布置有波紋補償器，以吸收管道熱變形。電加溫器采用金屬管狀加熱元件，總加熱功率600 kW，可將試驗件摩擦前溫度加熱到450℃。加熱溫度控制采用過零觸發(fā)、占空比無級調(diào)功方式，控制精度±2.9℃。進氣系統(tǒng)與試驗艙采用金屬軟管連接，以消除管道安裝及工作時附加給試驗艙的應(yīng)力。

3.4 排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)由管道、電動閥門等組成。電動閥門用于調(diào)節(jié)試驗艙出口反壓及艙內(nèi)流速。排氣管道設(shè)有下沉彎管，以收集試驗件摩擦后的殘余物，并避免高溫殘余物損傷電動閥門等部件。

3.5 液壓進給機構(gòu)

液壓進給機構(gòu)用于推動試驗靜子件軸向移動，并保證轉(zhuǎn)子/靜子件在一定推力下發(fā)生碰摩，產(chǎn)生足夠的摩擦力及熱能聚集。主要由液壓站、蓄能器、手動節(jié)流閥、電液伺服閥、作動筒、位移傳感器、壓力傳感器、控制箱和控制主機組成?？刂撇捎瞄]環(huán)控制、PID調(diào)節(jié)方式，可根據(jù)試驗要求任意設(shè)定推進、退出速度和加載方式(連續(xù)/間斷)，并可控制軸向力大小，具有推力保護功能。

3.6 數(shù)采系統(tǒng)

數(shù)采系統(tǒng)用于采集試驗參數(shù)，由VXI和PSI系統(tǒng)組成。主要測試參數(shù)見表1。

表1 主要測試參數(shù)Table 1 Measuring parameters

3.7 攝像系統(tǒng)

攝像系統(tǒng)用于觀察和記錄試驗件碰摩情況。目前采用普通民用視頻系統(tǒng)，拍攝速度25幀/s，分辨率640×480，基本滿足觀察鈦火現(xiàn)象的需求。

4 試驗器研制難點及解決措施

該試驗器具有高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、大軸向力等特點，在研制過程中面臨密封、安裝及熱膨脹對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性影響等諸多技術(shù)難點。針對這些難點，采取了以下解決措施：

(1)試驗艙采用0Cr18Ni9整體鍛造結(jié)構(gòu)，共開有5個不同的功能孔，分別為進氣孔、排氣孔、進給機構(gòu)安裝孔、軸系安裝孔和觀察窗孔。除軸系安裝孔采用動密封方式(兩道篦齒封嚴結(jié)構(gòu)，配合石墨封嚴環(huán)進行密封，并在篦齒間通入壓縮空氣以提高密封效果)外，其余功能孔均采用靜密封方式。

(2)試驗艙正下方設(shè)計橫、縱鍵槽，通過橫、縱鍵將艙體定位在安裝座上。試驗艙的四個耳座放置于安裝座調(diào)節(jié)斜鐵上，以調(diào)整艙體高度與水平度。通過耳座與橫、縱鍵組合限制試驗艙受熱膨脹時工作中心移位，有效解決了高溫情況下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)安裝及工作穩(wěn)定性問題。

5 試驗器應(yīng)用

試驗器建成后先后進行了多次不同試驗件結(jié)構(gòu)、材料、試驗參數(shù)的鈦火試驗，設(shè)計了多種不同結(jié)構(gòu)的試驗件(靜子件/轉(zhuǎn)子件)，包括多葉片/圓盤結(jié)構(gòu)、片狀圓孔/三角片結(jié)構(gòu)與圓盤/圓環(huán)結(jié)構(gòu)等，以驗證不同結(jié)構(gòu)試驗件在不同材料及不同試驗參數(shù)下是否發(fā)生鈦火。這些試驗中，有些試驗件只發(fā)生了磨損，有些出現(xiàn)了局部燒蝕現(xiàn)象，但某組試驗件出現(xiàn)了著火、自持燃燒、火焰?zhèn)鞑?、整體爆燃等完整的鈦火燃燒現(xiàn)象，下面對該次試驗情況進行介紹。

5.1 試驗件

試驗件采用圓盤/圓環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。其中轉(zhuǎn)子件采用TC17鈦合金，靜子件采用TC4鈦合金。

圖4 試驗件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Specimen structure

5.2 試驗流程

由試驗器進氣系統(tǒng)向試驗件提供不同壓力、溫度和流量的壓縮空氣，用以模擬鈦合金在發(fā)動機中的工作環(huán)境；由動力系統(tǒng)驅(qū)動轉(zhuǎn)子件旋轉(zhuǎn)；當試驗件周圍的壓力、溫度及轉(zhuǎn)速達到要求時，啟動液壓進給機構(gòu)推動靜子件軸向移動，使轉(zhuǎn)子件與靜子件發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦；通過攝像系統(tǒng)觀察、記錄整個碰摩過程，獲取此種條件下(空氣壓力、溫度、流量/流速、轉(zhuǎn)速、液壓作用力等)鈦合金試驗件是否發(fā)生鈦燃燒現(xiàn)象；試驗參數(shù)均由數(shù)采系統(tǒng)連續(xù)記錄。

5.3 試驗結(jié)果

圖5依次給出了熱空氣流量、艙內(nèi)總壓、總溫及轉(zhuǎn)子件轉(zhuǎn)速在試驗過程中的變化歷程。從圖中看，空氣流量基本穩(wěn)定在0.75 kg/s，艙內(nèi)總壓最大變化幅值小于4 kPa，艙內(nèi)總溫最大變化幅值小于4 K，說明供氣條件比較穩(wěn)定。

轉(zhuǎn)子件初始轉(zhuǎn)速大致接近4540 r/min，圖中3次較大轉(zhuǎn)速波動區(qū)域依次對應(yīng)3次轉(zhuǎn)/靜子試驗件的碰摩過程。前2次碰摩過程中，隨著轉(zhuǎn)/靜子試驗件摩擦程度的不斷加劇，從摩擦表面釋放出大量的金屬火花，整體呈現(xiàn)出光亮的白色；隨著摩擦生熱及表面氧化釋熱的增加，試驗件表面溫度開始升高，試驗件碰摩表面出現(xiàn)一定的燒蝕現(xiàn)象，但持續(xù)時間較短，局部熱量很快耗散，始終未達到試驗件臨界著火點，沒有向自持穩(wěn)態(tài)燃燒狀態(tài)進一步發(fā)展。

在前2次碰摩試驗的基礎(chǔ)上，進一步增大進給機構(gòu)的推進力，以期改善摩擦生熱效果。本次碰摩試驗中，靜子件位移推進系統(tǒng)輸出的最大推力達3386 N，從轉(zhuǎn)子件與靜子件接觸碰摩到完全脫開共經(jīng)歷了約50 s，靜子件位移行程量達8.68 mm。圖6給出了試驗過程中不同時刻的摩擦著火情況。在摩擦初始階段，沿氣流方向有大量白色光亮金屬火花釋放；大約3 s后，隨著試驗件摩擦表面熱量的積聚，開始出現(xiàn)短暫局部燒蝕現(xiàn)象；之后，試驗件摩擦表面繼續(xù)產(chǎn)生大量金屬火花，但與摩擦初始階段的金屬火花相比，沿氣流方向的火花釋放距離和強度均明顯減小，主要覆蓋在環(huán)形摩擦表面周圍，該過程約持續(xù)11 s；隨著摩擦程度和表面氧化程度的不斷加劇，總熱量大于散失熱量，試驗件達到著火點并穩(wěn)定燃燒，此時試驗艙內(nèi)出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象，大量金屬火花迅速向周圍擴散傳播，其中順氣流流動方向更為劇烈，該過程約持續(xù)25 s；火花擴散傳播過程結(jié)束后，試驗件摩擦表面仍可見到瞬時局部紅色火焰，說明整個碰摩過程試驗件維持了較長時間燃燒。

6 結(jié)束語

本文介紹的試驗器屬旋轉(zhuǎn)碰摩式鈦火試驗器，主要由動力系統(tǒng)、試驗艙、進給機構(gòu)等組成，可模擬高壓壓氣機鈦合金構(gòu)件工作環(huán)境條件。通過該試驗器，成功再現(xiàn)了試驗?zāi)M環(huán)境條件下的鈦火燃燒現(xiàn)象。試驗過程中，試驗器各系統(tǒng)均能安全可靠地工作，表明本試驗器研制取得了成功，為鈦合金構(gòu)件著火性能及其防護研究提供了試驗手段，在航空發(fā)動機鈦合金燃燒特性評估和防鈦火試驗研究領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。試驗結(jié)果同時表明，進給機構(gòu)產(chǎn)生的推力對試驗件是否發(fā)生鈦火燃燒影響較大。

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