可变环境条件下钛合金旋转摩擦着火试验研究

邢 鹏，向宏辉，王 标，王登奎，杨 明

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川江油621703)

可变环境条件下钛合金旋转摩擦着火试验研究

邢 鹏，向宏辉，王 标，王登奎，杨 明

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川江油621703)

为研究航空发动机压气机钛合金构件发生钛火的形成机理和影响规律，围绕试验件设计、参数测试与状态调控等关键技术进行深入探索，完善了可变环境条件下的钛合金旋转摩擦试验方法，并在此基础上开展了试验件结构、材料与气流参数对钛合金燃烧特性影响的试验研究。试验结果表明：双环结构试验件具有较好的强度和刚度，能够满足钛合金摩擦试验要求；在试验工况范围内，TC4钛合金材料较Ti40材料更容易燃烧，且气流参数对钛合金燃烧特性的影响不明显。

航空发动机；钛火；可变环境；旋转摩擦；材料特性；试验研究

1 引言

钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀等优点，广泛用于先进航空发动机中以减轻发动机质量。然而由于钛合金导热系数低、氧化热焓高、摩擦系数大，具有容易着火燃烧(即钛火)的特性。自20世纪60年代钛合金在航空发动机中成功应用以来，发动机上因钛合金着火燃烧的事件就不断发生，如飞马发动机、F100、F404发动机、CF6发动机、Д-30与АИ-25等发动机均发生过钛合金着火事故[1-2]。

由于钛合金起燃、扩散与传播涉及空气动力学、金属流体力学、燃烧动力学等多学科，难以通过单纯理论分析和数值计算的方法研究钛合金燃烧真实情况[3-5]，为此国内外投入大量资源开展钛合金燃烧试验研究。美国利用激光点燃平台开展了不同气流条件下钛合金起燃、自持燃烧和扩散燃烧的试验研究，并评价了54种钛合金的燃烧特性，然而该平台无法模拟发动机旋转碰摩情况。俄罗斯的摩擦试验平台虽然可以模拟发动机压气机的工作环境，但该试验平台属于开放式环境，试验工况易受外界条件影响，且只采用热电偶测温而无视频监控对试验过程进行跟踪，因此无法对钛合金燃烧整个变化过程进行分析。国内北京航空材料研究院碰磨法试验设备和西北有色金属研究院直流电弧激发燃烧试验平台，受设备资源限制都不能模拟发动机的温度、压力、流速等条件，进而影响试验结果的工程适用性[6-9]。

为此，本文在参考国内外现有钛合金燃烧试验装置的基础上，设计建造了用于模拟真实发动机发生钛火的可变环境工况的专用试验平台。该平台可模拟发动机压气机工况，在旋转碰摩条件下进行钛火模拟试验，以研究不同气流压力、温度、流速、转速以及不同顶紧力作用下钛合金的燃烧情况，可对整个燃烧过程试验状态参数进行监控和视频监视。在该试验平台上开展了大量钛合金转/静子试验件摩擦着火试验，验证了试验件设计、关键参数测试与试验调控技术，初步掌握了可变环境条件下钛合金摩擦着火试验方法，为后续深入试验研究的开展奠定了技术基础。

2 试验方法设计

2.1 试验原理

发动机发生钛火主要是故障引起的钛结构能量积聚达到了起燃温度从而引发钛合金燃烧。产生能量积聚的主要方式有机械故障引起的转/静子摩擦、压气机喘振或失速引起的高温燃气回流及压气机钛合金构件在高温高速气流作用下发生氧化发热。因此，发动机钛合金着火可归结为各种因素导致能量聚集使环境条件达到钛合金的起燃边界，从而引起整台发动机着火[10]，具体可表现为气流速度、压力、温度、转速及作用力等且相互影响。为弄清钛合金燃烧的影响因素，有必要设计专门试验平台用于研究压气机环境对钛合金燃烧的影响，从而为设计提供相应的防钛火措施。

2.2 试验平台

根据航空发动机中压气机工作条件及试验原理，试验平台主要由动力驱动系统、加温空气系统、试验舱及推进机构等组成[11]。试验器主要技术指标为：空气质量流量0～1.0 kg/s，空气温度0～773 K，空气压力 0～1.2 MPa，转子转速 0～24 000 r/min。如图1(a)所示，为了满足对压气机高温、高压、流速等环境条件的模拟，保证钛合金燃烧环境条件与发动机工况近似，试验舱内应满足压力不小于0.6 MPa、马赫数0.3～0.5，因此通过收敛喷管射流的方式来提高进口气流速度。如图1(b)所示，试验舱进气为可更换的收敛条形孔结构，能保证不同试验件均处于射流流场内；排气为圆形结构，同时在试验舱上方开设观察窗用于温度和视频监测仪器的安装，试验舱体侧面设置测量探针安装座用于舱内气流参数的测量。为确定试验舱内流场，对其进行了全三维粘性数值模拟，结果如图2所示。可见，整个试验舱内中心射流区域温度场、压力场和速度场较为均匀且射流有一定的宽度，能够满足高压压气机钛合金构件着火燃烧所需的环境条件要求。

图1 摩擦点燃钛火试验平台组成示意图Fig.1 Schematic drawing of the frication combustion equipment

2.3 试验件结构设计

图2 试验舱内流场分布图Fig.2 Flow field distribution of test section

摩擦法钛火试验件分为静子件和转子件两部分，分别用于模拟压气机中转子叶片、鼓筒和静子叶片及机匣。由于试验过程中试验件将发生摩擦、升温、变形、磨损、氧化、燃烧等复杂的物理和化学反应，若结构设计不当会发生折断、严重变形或过度磨损等情况，因此试验件结构必须满足以下条件：具有足够的强度，避免断裂；具有足够的刚度，避免过度变形；摩擦面结构合理，线速度足够大，利于摩擦热量累积，易于摩擦磨损；尽可能采用简单的结构形式。试验先后设计了六种结构的试验件，如表1所示。

2.4 测试方法

试验过程中主要测量参数包括气流压力、温度、流速、试验转速、推力及试验件温度变化。试验时，通过四点总温总压探针测量进气气流参数变化；试验舱内的气流压力、温度、流速，根据设备调试时舱内气流参数与进口管道气流参数的对应关系间接获取。试验件温度通过热电偶和红外测温仪测量，热电偶预埋在试验件静子背面摩擦区域附近，其测点位置布置如图3所示；红外测温仪安装在进给机构推进轴上并与进给机构保持同步，通过观察窗测量试验件碰摩侧面燃烧温度。推力通过安装在试验件轴端传感器测量，同时采用高速摄像仪通过观察窗记录燃烧产生、发展过程。红外测温仪、高速摄像及推力传感器的安装示意如图4所示。

表1 试验件结构Table 1 Structure of titanium alloys specimen

图3 热电偶布置图(静子背面)Fig.3 Thermocouple installation location(back of stator)

2.5 试验条件调控方法

图4 试验测试安装示意图Fig.4 Diagram of measuring instruments installation

如图1所示，气源提供的压缩空气经加温、调压后流经试验舱，通过试验舱前后的阀门调节舱内空气压力、流速、流量等参数以模拟发动机工作环境，可实现试验舱的内流速0～200 m/s、压力1.0 MPa、温度0～700 K。电机通过齿轮箱增速带动转子件在试验舱内高速旋转，转速在0～24 000 r/min范围内调节，试验件最高线速度100 m/s，可实现压气机转子的高速摩擦速度模拟。转静子摩擦采用液压进给机构推动静子试验件向前与转子试验件碰摩用于模拟发动机转子与静子接触摩擦，液压推进机构控制可根据试验要求设定推进、退出速度和加载方式(连续/间断)，可控制轴向力大小并具有推力保护功能。

3 试验结果与分析

3.1 试验舱调试结果

由于正式摩擦试验时无法直接测取舱内摩擦区域的气流压力、温度及流速，因此通过试验舱流场调试试验建立进气气流条件与舱内气流参数的对应函数关系，同时准确获取试验舱内工作边界条件，从而为后续钛合金模拟件旋转碰摩试验提供状态依据。通过试验舱调试，试验舱最高压力可达1.0 MPa，温度可达650 K，最高流速可达200 m/s，满足压气机高温、高压、高流速的环境模拟要求。同时，舱内流场试验结果表明，舱内射流区域气流参数与进口气流参数满足线性关系。

3.2 钛合金碰摩试验结果

3.2.1 结构对钛合金燃烧特性的影响

先后开展了六种不同结构试验件的摩擦燃烧试验，试验件材料为TC4，试验结果如表2所示。研究表明：片式结构试验件(如1、3)结构刚度差，试验件碰摩过程中极易发生变形或折断导致无法持续摩擦、难以起燃；盘式和锥形结构(如2、4)摩擦面积大且有较高的强度和刚度，但试验过程中难以通过磨损而产生热量积累，试验件也难以燃烧；环式结构(如5、6)采用圆环接触，具有较高的强度和线速度，同时易于摩擦磨损，试验件成功燃烧，但单环结构静子相对不稳定，试验难以稳定燃烧，双环结构在单环结构的基础上改善了试验件刚度，且提高了材料摩擦损耗和摩擦热量积聚，减少了散热损失，实现了稳定燃烧。

表2 不同结构试验件的试验结果Table 2 Experimental results of test specimen with different structures

3.2.2 气流参数对钛合金燃烧特性的影响

表3为双环结构的TC4试验件在不同气流条件下的摩擦燃烧情况。可见，改变气流压力和速度，试验件均发生了剧烈燃烧并将整个试验件烧毁。从图5可以看出，伴随着摩擦的进行，试验件温度不断上升同时产生大量的光和热，当热量达到钛合金起燃温度后，试验件温度急剧上升并起火燃烧，最终将整个试验件燃烧，此时整个舱内呈完全白色光亮状态。视频监测显示，静子件先于转子件起燃并迅速蔓延导致完全燃烧，转子件则部分燃烧。整个试验过程如图6所示，大致经历了起燃、自持燃烧、扩散燃绕、完全燃烧四个阶段，历时约25 s。

表3 不同气流参数的试验结果Table 3 Experimental results of different air flow parameters

图5 钛合金试验件温度变化过程Fig.5 Temperature changes process of titanium alloys test specimen

3.2.3 材料对钛合金燃烧特性的影响

图6 钛合金试验件碰摩燃烧过程Fig.6 Rotating friction combustion process of titanium alloys test specimen

采用双圆环结构的试验件先后进行了TC4和Ti40材料的摩擦试验研究，表4给出了两种材料的试验条件和试验结果。可见，在相同气流参数和转速条件下，TC4材料完全燃烧，Ti40材料未能实现扩散燃烧。试验过程中TC4试验件有大量光和热产生，并迅速将整个试验件完全燃烧掉，而Ti40在摩擦过程中虽有大量火星产生且试验件较长时间内保持红热状态，但未能像TC4一样迅速扩散燃烧。试验时Ti40较TC4难以磨损，并且如图7所示，Ti40最终燃烧产物较TC4燃烧产物致密。

4 结论

(1) 本文建立的摩擦试验平台满足压气机高

表4 不同材料试验件的试验结果Table 4 Experimental results of test specimen with different materials

图7 钛合金试验件燃烧结果Fig.7 Titanium alloys burning results

温、高压、高流速的环境模拟要求，可实现环境参数的变化调节；同时，试验采用红外测温和高速摄像仪等先进测试手段，可完整记录钛合金试验件的温度变化和燃烧发展过程。

(2)相对于叶片式、三角片式、圆锥式、圆盘式及单圆环式结构的试验件，双圆环式结构的试验件具有较好的强度和刚度，同时该结构还可以提高摩擦生热和避免气流作用下的对流换热损失，可用于钛合金摩擦试验研究。

(3)试验件材料对钛合金的起燃影响较大，而气流参数在一定范围内影响不明显。在相同结构和气流参数条件下，TC4能完全燃绕，而Ti40难以起燃及扩散燃烧。

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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 鹏(1983-)，男，重庆人，工程师，主要从事空气系统与热分析试验研究。