항공기 엔진에 티타늄 합금을 적용하는 방법에 대해 이야기하십시오.

항공기 엔진에 티타늄 합금을 적용하는 방법에 대해 이야기하십시오.

1960년대에 영국이 세계적으로 유명한 단발식 수직 이착륙 전투기 P1127을 개발하고 있을 때 프로토타입 중 하나인 XP972가 1962년 10월 30일 시험 비행을 했습니다. 시험 비행에서 사용된 페가수스 엔진의 티타늄 합금 압축기 블레이드가 티타늄 합금 케이스와 충돌하여 압축기에 화재가 발생했습니다. (이 화재 현상을 "티타늄 화재"라고 함) 엔진이 실화되어 정지하고 항공기가 추락했으며 조종사는 성공적으로 낙하산을 타고 구조되었습니다.

몇 년 후인 1960 후반에 미국의 Pratt & Whitney가 3세대 전투기 F{7}}를 위해 추력 대 중량비 8.0의 F100 엔진을 개발했을 때-15 , 시운전 과정에서 엔진이 고압 압축기의 티타늄 합금 블레이드와 지상에서 시운전 중 티타늄 합금 케이스와 충돌하여 압축기에 화재 ( "티타늄 화재")가 발생하여 화염이 사방으로 퍼졌습니다. , 결국 전체 엔진이 화재로 파괴되었습니다(그림 2).

그림 1. 시험 비행 중 엔진의 "티타늄 화재"로 인해 "Harrier" 항공기의 프로토타입이 추락했습니다.

이 두 가지 주요 고장은 두 개의 티타늄 합금 부품의 충돌로 인해 티타늄에 불이 붙은 세계 최초의 고장이었지만 당시에는 심각하게 다루어지지 않았기 때문에 나중에 많은 엔진에서 여러 번 나타났습니다. 1979년 통계에 따르면 1962년부터 1979년까지 17년 동안 서방 국가의 항공 엔진에서 총 144건의 티타늄 화재 사고가 발생했으며 그 중 59건은 압축기 케이스를 통해 화상을 입었습니다.

1950년대 후반에는 항공 엔진에 사용할 수 있는 티타늄 합금이 등장했습니다. 이 합금의 가벼움 때문에 비중은 합금강(두 합금의 비중은 각각 4.5g/cm3 및 7.8g/cm3)보다 40% 낮고 니켈(비중은 7.8g/cm3)보다 50% 낮습니다. 니켈의 비중은 8g/cm3)이며 내식성이 우수합니다. 항공 엔진은 매우 중요한 표시등 밝기를 가지고 있기 때문에 티타늄 합금은 항공 엔진에 빠르게 널리 채택되었습니다.

그 당시 티타늄 합금은 팬과 컴프레서의 작동 블레이드, 룰렛 휠, 정적 블레이드, 섀시 및 밀봉 장치를 포함하여 온도 조건이 허용되는 한 엔진 설계에 사용되었습니다.

그러나 사용 중 엔진 작동 중 우발적 인 이상 상태로 인해 티타늄 부품 2 개 (작동 블레이드 및 정적 블레이드, 작동 블레이드 및 섀시 등)가 충돌하여 접지 된 것으로 나타났습니다. 적절한 환경 압력과 온도 조건에서 스파크가 발생하고 부품이 탈 수 있습니다. 이 현상을 "티타늄 화재"라고 합니다. 티타늄 부품에 불이 붙으면 연소 과정이 매우 빠르게 진행됩니다. 블레이드와 케이싱을 태우는 데 몇 초 밖에 걸리지 않으며 피해의 정도가 매우 심각합니다. 그림 3은 티타늄 화재로 인해 타버린 작업날의 잔해를 보여줍니다.

그림 3. 티타늄 화재로 연소된 압축기의 작동 블레이드

티타늄 화재는 티타늄과 티타늄 부품 사이에서 발생했을 뿐만 아니라 티타늄 블레이드와 강철 케이싱이 심하게 문지른 후 티타늄 블레이드가 타면서 화염이 환형 홈에서 케이싱도 태워 버렸습니다. 4. 엔진에서 팬 구성 요소의 기류 압력과 온도가 낮아 티타늄 화재가 발생하기 쉽지 않습니다. 따라서 티타늄 화재로 인한 고장은 팬에서 거의 발생하지 않습니다.

그림 4. 강철 케이싱이 티타늄 화재로 타서 아크가 사라졌습니다.

1970년대와 1980년대에는 Pratt & Whitney의 PW4000, GE의 CF6 및 F404, 영국 Rolls-Royce의 RB211, 구소련의 HK-8, HK-86, Д{{8} } 및 АИ-25 모두 티타늄 화재 실패를 겪었습니다.

소련 통계에 따르면 1977년과 1988년 사이에만 HK-8, HK-86, Д-30 및 АИ-25와 같은 소련 엔진에서 30건 이상의 티타늄 화재 사고가 발생했습니다. 또 다른 예는 미국이 F/A-18 항공모함 기반 전투기 GE에 사용하는 F404 엔진입니다. 티타늄 합금 고압 압축기의 작동 블레이드로 인해 티타늄 합금 케이스와 충돌하여 티타늄에 불이 붙었습니다. 화염은 고압 컴프레서 케이싱뿐만 아니라 외부 커버 케이싱까지 타서 엔진에 불이 붙고 항공기가 타버려 미 해군은 F/A-18 항공기 4대를 잃게 되었습니다. GE의 CF-6 엔진이기도 합니다. 1976년부터 티타늄 화재사고가 지속적으로 발생하여 -1979중반에 절정에 달했습니다. 1년 동안 14건의 티타늄 화재 사고가 발생하여 심각한 결과를 초래했습니다.

그 후 새로 개발된 엔진에서 티타늄 화재를 방지하기 위한 조치를 취하는 것 외에도 몇 년 동안 사용된 일부 엔진의 설계도 수정되었습니다. 예를 들어 F404 엔진은 티타늄 합금의 고압 멀티 컴프레서 케이싱을 합금강 케이싱으로 변경하고 동시에 티타늄 합금의 외부 케이싱을 더 가벼운 PMR15 합성물로 변경했습니다. 재료. 개선 후 엔진 무게가 0.5kg 증가했습니다.

F404의 자매 모델인 CFM56(두 엔진의 핵심 기계는 GE의 F101 핵심 기계에서 개발됨)도 그에 따라 개선되었습니다. CFM56 고압 압축기의 섀시는 원래 티타늄 합금으로 만들어졌습니다. 티타늄 합금 작업 블레이드가 섀시와 충돌하여 티타늄 화재를 일으키는 것을 방지하기 위해 매우 복잡한 내마모성 및 티타늄 내화성 다층 구획 세트가 해당 작업 블레이드의 링 벨트에 추가되었습니다. 섀시.

F404가 티타늄 케이스를 합금강으로 변경한 후 1978년 CFM56도 고압 압축기의 케이스를 티타늄 합금에서 합금강으로 변경했습니다. 동시에 티타늄 합금의 외부 케이싱도 PMR15 복합 재료로 변경되었습니다. 이 개선으로 엔진 부품 수는 140개 줄었지만 중량은 5.64kg 늘었다.

GE의 CF6 시리즈 엔진 초기에는 고압 컴프레서 케이싱이 티타늄 합금으로 제작되었으나 1979년부터 합금강을 사용하고 있다.

Many engines in the Soviet Union also changed their titanium alloy parts materials to alloy steel a few years after they were put into use. For example, the grade 6 working blades and static blades of the high－pressure compressor of the HK-8 engine were originally all made of titanium alloy, but since 1987, the Grade 4 to 6 static blades (operating temperature exceeds 300℃) have been replaced with alloy steel. In the original design of the HK－86 engine, the 6-stage working blades and static blades, grate ring and static sealing ring of the high-pressure compressor were all made of titanium alloy, but since 1981, 4 to 6 sets of static blades (operating temperature>300도), 화격자 링 및 밀봉 링은 모두 합금강으로 교체되었습니다.

A4-25 엔진 고압 압축기의 4-6 등급 시즈코 블레이드는 원래 티타늄 합금으로 제작되었으나 1980년대 이후 티타늄 합금에서 합금강으로 변경되었습니다. A30 엔진용 고압 컴프레서의 원래 설계에서는 10단 정적 블레이드용 합금강을 제외하고 모든 레벨에서 나머지 정적 블레이드에 티타늄 합금을 사용했습니다. 1980년대 5~9단 스태틱 블레이드와 4단계 이후 휠 사이의 드럼 링은 모두 합금강으로 교체됐다. 강철.

티타늄 합금 부품은 가공 및 제조에도 특별한 요구 사항이 있습니다. 우리나라가 티타늄 합금 팬 블레이드의 첫 번째 배치를 처리할 때 전례 없는 처리 실패에 직면했습니다.

팬 블레이드의 마지막 공정은 블레이드 본체를 연마하는 것입니다. 소위 연마는 블레이드가 고속 회전하는 연마 휠에서 서로 마찰하는 것이며 블레이드 표면은 디자인 크기의 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 표면을 밝게 만들기 위해 연마됩니다. 칼날을 연마하면 칼날 표면과 숫돌이 서로 문질러 많은 양의 빛나는 화성을 생성하여 밤하늘의 불꽃처럼 땅에 뿌려집니다. 강철 블레이드가 연마되면 이러한 화성은 아래쪽으로 분사되고 공기에 의해 냉각되며 점차 빨간색에서 회색으로 변하고 최종적으로 낮은 온도의 검은 칩으로 변하여 처리된 부품에 나쁜 영향을 미치지 않습니다. 따라서 블레이드 연마 작업장에서 블레이드를 포함하는 다중 구획 부품 상자는 일반적으로 연마 휠 아래에 배치됩니다. 연마할 블레이드와 연마가 완료된 블레이드를 블레이드가 설치된 공간에 삽입하고 블레이드 상단을 뚜껑으로 덮지 않습니다.

티타늄 합금 팬 블레이드의 첫 번째 배치를 처리할 때 우리는 오래된 관행을 따랐습니다. 그 결과 팬 블레이드를 부품 조립 섹션으로 보냈을 때 많은 블레이드 표면에 여러 개의 절삭 지점이 있어 어리둥절한 것을 발견했습니다. 신중한 분석과 검사 끝에 미스터리가 발견되었습니다.

티타늄 합금 블레이드가 연마될 때 부스러기에 의해 생성된 화성은 떨어지는 과정에서 지속적으로 공기에서 산소를 흡수하여 화성을 점점 더 크게 만들고 온도가 더 높다는 것이 밝혀졌습니다. 이러한 고온 화성이 부품 상자에 삽입된 블레이드 표면에 튀면 일부 삭마 지점이 발생합니다. 원인을 찾은 후 블레이드가 설치된 부품 상자에 뚜껑을 설치하여 이 큰 문제를 해결했습니다.