鈦合金構件碰摩著火試驗器研制及應用

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、重量輕等優異性能，在航空發動機中得到了廣泛應用，尤其是高性能發動機的風扇和壓氣機部分以及其它結構件中，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，發生鈦火現象，嚴重危害發動機安全。自上世紀60年代鈦合金初次用于航空發動機后，鈦合金著火或鈦合金燃燒事故不斷發生。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，并對發動機結構中防鈦火技術進行了深入研究[1]，取得了大量研究成果，大大減小了鈦火的發生幾率，降低了鈦火造成的損失。目前，我國相關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聯研究。

為更好地研究鈦合金構件的燃燒特性，中國燃氣渦輪研究院自主研制了一種鈦火研究旋轉碰摩試驗器。相比國內現有鈦火試驗裝置(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動機中高壓壓氣機鈦合金構件的工作條件，可用于評估不同環境條件下鈦合金試樣的燃燒特性和防鈦火技術措施的有效性。

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，氧化轉變為燃燒[4]。鈦合金燃燒過程包括著火、自持燃燒、火焰傳播、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(壓力、溫度和流速)有關。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、進氣系統、排氣系統、液壓進給機構、數采系統、攝像系統等組成。

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構，以保證不同試驗件均處于射流流場內；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；前、后艙壁分別開有進給機構安裝孔和軸系安裝孔；艙體正下方設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節方式，如圖2所示。試驗艙內流場全三維粘性數值模擬(見圖3)結果表明，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

動力系統由變頻調速異步電動機、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。電機額定轉速2987 r/min，額定功率250 kW，滿足試驗件摩擦所需的功率及轉速。二級齒輪箱專門針對鈦火試驗做了特殊設計，其輸出軸為懸臂軸結構，軸端伸出箱體約220 mm，并伸入到試驗艙內；端部設有試驗轉子件安裝面，并承受液壓進給機構產生的軸向推力。

3.3 進氣系統

進氣系統主要由管道、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、占空比無級調功方式，控制精度±2.9℃。進氣系統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力。

3.4 排氣系統

排氣系統由管道、電動閥門等組成。電動閥門用于調節試驗艙出口反壓及艙內流速。排氣管道設有下沉彎管，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

液壓進給機構用于推動試驗靜子件軸向移動，并保證轉子/靜子件在一定推力下發生碰摩，產生足夠的摩擦力及熱能聚集。主要由液壓站、蓄能器、手動節流閥、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。控制采用閉環控制、PID調節方式，可根據試驗要求任意設定推進、退出速度和加載方式(連續/間斷)，并可控制軸向力大小，具有推力保護功能。

3.6 數采系統

數采系統用于采集試驗參數，由VXI和PSI系統組成。主要測試參數見表1。

表1 主要測試參數Table 1 Measuring parameters

3.7 攝像系統

攝像系統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，拍攝速度25幀/s，分辨率640×480，基本滿足觀察鈦火現象的需求。

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、安裝及熱膨脹對轉子系統穩定性影響等諸多技術難點。針對這些難點，采取了以下解決措施：

(1)試驗艙采用0Cr18Ni9整體鍛造結構，共開有5個不同的功能孔，分別為進氣孔、排氣孔、進給機構安裝孔、軸系安裝孔和觀察窗孔。除軸系安裝孔采用動密封方式(兩道篦齒封嚴結構，配合石墨封嚴環進行密封，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節斜鐵上，以調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子系統安裝及工作穩定性問題。

5 試驗器應用

試驗器建成后先后進行了多次不同試驗件結構、材料、試驗參數的鈦火試驗，設計了多種不同結構的試驗件(靜子件/轉子件)，包括多葉片/圓盤結構、片狀圓孔/三角片結構與圓盤/圓環結構等，以驗證不同結構試驗件在不同材料及不同試驗參數下是否發生鈦火。這些試驗中，有些試驗件只發生了磨損，有些出現了局部燒蝕現象，但某組試驗件出現了著火、自持燃燒、火焰傳播、整體爆燃等完整的鈦火燃燒現象，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/圓環結構，如圖4所示。其中轉子件采用TC17鈦合金，靜子件采用TC4鈦合金。

圖4 試驗件結構示意圖Fig.4 Specimen structure

5.2 試驗流程

由試驗器進氣系統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動機中的工作環境；由動力系統驅動轉子件旋轉；當試驗件周圍的壓力、溫度及轉速達到要求時，啟動液壓進給機構推動靜子件軸向移動，使轉子件與靜子件發生旋轉摩擦；通過攝像系統觀察、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、轉速、液壓作用力等)鈦合金試驗件是否發生鈦燃燒現象；試驗參數均由數采系統連續記錄。

5.3 試驗結果

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

轉子件初始轉速大致接近4540 r/min，圖中3次較大轉速波動區域依次對應3次轉/靜子試驗件的碰摩過程。前2次碰摩過程中，隨著轉/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一定的燒蝕現象，但持續時間較短，局部熱量很快耗散，始終未達到試驗件臨界著火點，沒有向自持穩態燃燒狀態進一步發展。

在前2次碰摩試驗的基礎上，進一步增大進給機構的推進力，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輸出的最大推力達3386 N，從轉子件與靜子件接觸碰摩到完全脫開共經歷了約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，開始出現短暫局部燒蝕現象；之后，試驗件摩擦表面繼續產生大量金屬火花，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，主要覆蓋在環形摩擦表面周圍，該過程約持續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定燃燒，此時試驗艙內出現爆燃現象，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25 s；火花擴散傳播過程結束后，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 結束語

本文介紹的試驗器屬旋轉碰摩式鈦火試驗器，主要由動力系統、試驗艙、進給機構等組成，可模擬高壓壓氣機鈦合金構件工作環境條件。通過該試驗器，成功再現了試驗模擬環境條件下的鈦火燃燒現象。試驗過程中，試驗器各系統均能安全可靠地工作，表明本試驗器研制取得了成功，為鈦合金構件著火性能及其防護研究提供了試驗手段，在航空發動機鈦合金燃燒特性評估和防鈦火試驗研究領域具有良好的應用前景。試驗結果同時表明，進給機構產生的推力對試驗件是否發生鈦火燃燒影響較大。

[1]Strobridge T R，Moulder J C，Clark A F.Titanium Combus?tion in Turbine Engines[R].FAA-RD-79-51，1979.

[2]黃利軍，王 寶，高 揚.TC4和TC11鈦合金的抗燃燒性能研究[J].材料工程，2004，(5)：33—35.

[3]趙永慶，周 廉，鄧 炬.鈦合金的燃燒產物及形貌[J].兵器材料科學與工程，1999，22(6)：19—24.

[4]霍武軍，孫護國.航空發動機鈦火故障及防護技術[J].航空科學技術，2002，14(4)：31—34.

[5]謝旭霞，張 樂，張 鑫，等.航空用鈦合金阻燃技術[J].有色金屬(冶煉部分)，2008，(增刊)：150—152.