鈦合金在V2500發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用

吳小光

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-4948

摘? 要：V2500發(fā)動機(jī)是IAE公司生產(chǎn)的雙轉(zhuǎn)子軸流式發(fā)動機(jī)，其目前主要服務(wù)于空客A320系列客機(jī)。V2500投入市場以來，以其高度的可靠性、經(jīng)濟(jì)的燃油消耗、較低的廢氣排放和噪音，迅速獲得諸多航空公司的青睞。鈦合金作為新型金屬材料，在航空業(yè)中受到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的20%～35%左右為鈦合金。該文通過梳理V2500發(fā)動機(jī)零件材料信息，以分析鈦合金材料在V2500發(fā)動機(jī)中的使用。

關(guān)鍵詞：V2500發(fā)動機(jī)? 推重比? 鈦合金? 阻燃

中圖分類號：TG14? ?V239? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（b）-0046-04

Application of Titanium Alloy in V2500 Engine

WU Xiaoguang

（AMECO， Beijing， 100621? China）

Abstract： The V2500 engine is a dual-rotor axial flow engine produced by IAE. It currently serves Airbus A320 series passenger aircraft. Since V2500 was put on the market， it has quickly gained the favor of many airlines due to its high reliability， economical fuel consumption， low exhaust emissions and noise. As a new type of metal material， titanium alloy is widely used in the aviation industry. About 20%～35% of the structural quality of modern gas turbine engines is titanium alloy. This article combs the material information of V2500 engine parts to analyze the application of titanium alloy materials in the V2500 engine.

Key Words： V2500 engine; Thrust-to-weight ratio; Titanium alloy; Flame retardant

1? V2500發(fā)動機(jī)簡介

1.1 背景概況

V2500發(fā)動機(jī)是IAE公司（International Aero Engines）研制生產(chǎn)的雙轉(zhuǎn)子、軸流式、高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。該機(jī)型于1983年9月開始研制，并在1989年5月正式投入使用。V2500發(fā)動機(jī)具有無凸臺寬弦空心的風(fēng)扇葉片、“浮壁”燃燒室和高效的燃油率三大特點[1]。

V2500發(fā)動機(jī)是為空客A319、A320、A321客機(jī)以及麥道MD-90所設(shè)計的中短程客機(jī)發(fā)動機(jī)。其中V表示5家公司合資，包括美國普拉特惠特尼（P&W），英國羅尓斯羅伊斯（RR）、日本航空發(fā)動機(jī)公司（JAEC）、聯(lián)邦德國MTU、意大利菲亞特FIAT;2500代表其初始設(shè)計推力級別為25 000 lb。目前V2500發(fā)動機(jī)推力級別在22 000 lb到33 000 lb之間。V2500發(fā)動機(jī)投入市場之后，以其高度的可靠性、經(jīng)濟(jì)的燃油消耗、較低的廢氣排放和噪音，迅速獲得諸多航空公司的青睞。

1.2 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和單元體劃分

V2500發(fā)動機(jī)從前到后通常分為13個單元體，具體結(jié)構(gòu)和劃分請見圖1。

1.2.1 1號單元體：風(fēng)扇單元體Fan Module

風(fēng)扇單元體為單級軸流式轉(zhuǎn)子組件，由22片風(fēng)扇葉片和轉(zhuǎn)子轂組成。風(fēng)扇葉片采用無凸臺寬弦空心葉片，葉片表面由鈦合金制造，中間填充蜂窩狀結(jié)構(gòu)的材料，這樣制造的葉片以極輕的重量獲得了極大的強(qiáng)度，可以抗擊外來物的擊傷。該技術(shù)由羅爾斯? 羅伊斯公司提供，早在RB211發(fā)動機(jī)上就已使用。

1.2.2 2號單元體：低壓壓氣機(jī)單元體LPC Module

低壓壓氣機(jī)為4級軸流式單元體（V2500-A1為3級）。其葉片級別從前到后依次為1.5級、2.0級、2.3級、2.5級，壓氣機(jī)后部裝有2.5級放氣作動系統(tǒng)，用于從低壓壓氣機(jī)的后部放氣。該機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)可以使發(fā)動機(jī)在發(fā)動機(jī)啟動和瞬態(tài)運行期間更加穩(wěn)定。

1.2.3 3號單元體：內(nèi)齒輪箱和前軸承腔室IGB and FBC

前軸承腔室，其中安裝了1號、2號和3號軸承。風(fēng)扇/LPC轉(zhuǎn)子通過1號和2號軸承固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫?號軸承固定著高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的前部。內(nèi)部變速箱，來自HPC的扭矩通過內(nèi)部變速箱的錐齒輪和萬向傳動軸傳遞給齒輪箱。

1.2.4 4號單元體：風(fēng)扇機(jī)匣和風(fēng)扇框架Fan Case and Fan Frame

風(fēng)扇框架是具有10個內(nèi)部和外部支桿的一體式焊接結(jié)構(gòu)。內(nèi)撐桿固定LPC及其零件，以構(gòu)成前軸承腔室。風(fēng)扇機(jī)匣為一體式焊接結(jié)構(gòu)，它通過螺栓安裝到風(fēng)扇框架的每個外撐桿上。

1.2.5 5號單元體：高壓壓氣機(jī)單元體HPC Module

HPC單元體是10級軸流式壓氣機(jī)，它由轉(zhuǎn)子組件和靜子機(jī)匣兩部分組成。其壓氣機(jī)級分為3～12級。HPC靜子機(jī)匣有兩個主要子組件，HPC前分半機(jī)匣和HPC后機(jī)匣。HPC前分半機(jī)匣包括可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)向葉片，3～5級可調(diào)靜子葉片和6級固定靜子葉片。

1.2.6 6號單元體：擴(kuò)散機(jī)匣單元體Diffuser Case Assembly

擴(kuò)散機(jī)匣位于HPC與HPT單元體之間，其內(nèi)部有燃燒室和4號軸承腔室。

1.2.7 7號單元體：燃燒室單元體Inner & Outer Combustion

燃燒室采用了普拉特·惠特尼公司的浮壁燃燒室技術(shù)。燃燒室壁是由金屬層板外殼組成的，里面掛有合金扇形塊。這些扇形塊“浮”在它們和外殼之間的冷空氣上。這樣的設(shè)計提高了冷卻效率，消除了壓力，并且這些鑄件都可以單獨更換，因而減少了維修費用。

1.2.8 8號單元體：4號軸承腔室No.4 Bearing Compartment

4號軸承的前腔室與4號軸承和后腔室組裝在一起時，形成了一個絕緣的密封區(qū)域，用于軸承的潤滑、支撐和高溫保護(hù)。

1.2.9 9號單元體：1級導(dǎo)葉單元體1St Nozzle Guide Vane

1導(dǎo)單元體為發(fā)動機(jī)內(nèi)部溫度最高的部分，因此其表面采用耐高溫的陶瓷涂層，并且有許多冷卻空氣孔用以提供冷卻空氣。

1.2.10 10號單元體：高壓渦輪單元體HPT Module

高壓渦輪單元體為2級軸流式結(jié)構(gòu)。采用三維設(shè)計葉形、冷氣單晶渦輪葉片和超塑性等溫鍛造的粉末冶金盤。渦輪外環(huán)采用可調(diào)主動間隙控制。

1.2.11 11號單元體：低壓渦輪單元體LPT Module

低壓渦輪單元體為5級軸流式結(jié)構(gòu)。采用三維設(shè)計葉形和葉尖主動間隙控制。

1.2.12 12號單元體：排氣機(jī)匣單元體TEC Module

排氣機(jī)匣位于LPT單元體后部，此處區(qū)域可以采集發(fā)動機(jī)重要參數(shù)排氣溫度。

1.2.13 13號單元體：齒輪箱單元體EGB Module

齒輪箱主要由主齒輪箱和角齒輪箱組成，上面連接諸多附件。

2? 鈦合金在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用

航空發(fā)動機(jī)被稱為飛機(jī)的心臟，是飛機(jī)的動力之源。航空發(fā)動機(jī)的一個重要的性能指標(biāo)是推重比，即發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推力與其本身的質(zhì)量之比。推重比的顯著提升，就會催生新一代的發(fā)動機(jī)的產(chǎn)生。想要提高發(fā)動機(jī)推重比有兩個途徑，一是增大發(fā)動機(jī)的推力，二是給發(fā)動機(jī)減重。要讓發(fā)動機(jī)輕量化，就需要開發(fā)使用更輕質(zhì)的材料。航空發(fā)動機(jī)的工作環(huán)境比較特殊，需要面對高溫、高壓，甚至高強(qiáng)度沖擊的各種條件，并不是任何輕量化材料都能使用。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的材料如雨后春筍一般出現(xiàn)，一些尖端材料被應(yīng)用于飛速發(fā)展的航空制造業(yè)。鈦合金具有高比強(qiáng)度、較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的腐蝕抗力等突出特性，因而作為一種更新的結(jié)構(gòu)材料取代了鋁合金、鎂合金和鋼鐵在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用[2]?，F(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的20%～35%左右為鈦合金，除鎳基超合金以外，鈦合金是優(yōu)異的發(fā)動機(jī)材料。早在20世紀(jì)50年代初期，美國普惠公司和英國的羅羅公司生產(chǎn)的早期噴氣式發(fā)動機(jī)就使用了鈦合金。從此，鈦合金在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的用量穩(wěn)定增長。鈦合金由于其具有良好的強(qiáng)度、塑性、韌性、蠕變性能和疲勞性能，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力狀態(tài)嚴(yán)峻的航天航空結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)葉片、飛機(jī)的表面蒙皮、發(fā)動機(jī)機(jī)匣等零件[3]。

航空業(yè)一直是鈦合金市場的巨大用戶，因此航空業(yè)的發(fā)展對鈦合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用起到至關(guān)重要的作用。同樣，衡量一個國家航空業(yè)發(fā)展水平的一個重要標(biāo)準(zhǔn)就是航空用鈦的百分比。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和大飛機(jī)、發(fā)動機(jī)計劃的啟動，先進(jìn)大飛機(jī)及其發(fā)動機(jī)對高效率、高性能、低成本、低污染提出了極高的要求，這也為先進(jìn)航空鈦合金材料和熱工藝發(fā)展提供了強(qiáng)大的驅(qū)動力。

最早問世同時也是最經(jīng)典的鈦合金代表是Ti-6Al-4V，其設(shè)計使用溫度最高可達(dá)350 ℃，由于該材料不僅具有耐高溫性，還具有十分優(yōu)良的塑性加工性能，因此Ti-6Al-4V一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便被廣泛應(yīng)用[4]。壓氣機(jī)葉片是最早的鈦合金發(fā)動機(jī)部件，后來出現(xiàn)了鈦合金壓氣機(jī)盤。現(xiàn)代噴氣式發(fā)動機(jī)的大型前端風(fēng)扇葉片也是鈦合金制成的，由于風(fēng)扇葉片和壓氣機(jī)盤都在低溫下使用，從而常常采用Ti-6Al-4V合金制成。而高壓壓氣機(jī)部分采用近α型高溫鈦合金。近α型高溫鈦合金的最高使用溫度為540 ℃左右，完全能夠滿足高壓壓氣機(jī)的使用需求。但用作旋轉(zhuǎn)部件時，鈦合金由于具有易燃傾向，劇烈摩擦和沖擊是產(chǎn)生鈦火的主要原因。鈦合金屬于熱的不良導(dǎo)體，摩擦和沖擊所產(chǎn)生的熱量難以在短時間內(nèi)散失，而溫度的驟升會引發(fā)鈦火[5]。針對航空發(fā)動中鈦合金制件的易燃問題，在鈦合金制件表面添加防鈦火涂層能夠有效降低發(fā)動機(jī)發(fā)生鈦火的概率，是應(yīng)用最廣泛的防鈦火方案[6]。阻燃鈦合金的研發(fā)和使用有望可以從根本上解決鈦合金易于起火燃燒的問題。Pratt&Whitney研制了一種稱為Alloy C （Ti-35V-15Cr）的高穩(wěn)定性阻燃β型合金，現(xiàn)在已用于F-22戰(zhàn)斗機(jī)的F119發(fā)動機(jī)用壓氣機(jī)擋板、增壓器及噴嘴等部件。但該阻燃鈦合金含有大量貴金屬元素V，導(dǎo)致成本較高，限制了其應(yīng)用前景。

3? 鈦合金在V2500航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用

V2500發(fā)動機(jī)1983年開始研發(fā)，1989年投入使用，其鈦合金用量達(dá)到31%。通過查閱零件信息可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)外部的管路、支架、冷卻器等諸多零件均采用鈦合金制造;發(fā)動機(jī)內(nèi)部的風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、風(fēng)扇機(jī)匣等諸多部件也均采用鈦合金制造。具體信息如下。

3.1 風(fēng)扇單元體

風(fēng)扇單元體位于發(fā)動機(jī)最前端，工作溫度和空氣壓力均較低，因此該單元體大部分零件均由鈦合金制造。其主要包括風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇葉片前后保持環(huán)、風(fēng)扇轂等高價值零件。

3.2 低壓壓氣機(jī)單元體

低壓壓氣機(jī)單元體位于風(fēng)扇后端，該單元體工作溫度和空氣壓力也較低，因此該單元體大部分零件也均由鈦合金制造。其主要包括低壓轉(zhuǎn)子中心軸、低壓壓氣機(jī)1.5～2.5轉(zhuǎn)子轂、低壓壓氣機(jī)1.5～2.3級靜子、低壓壓氣機(jī)1.5～2.5級轉(zhuǎn)葉等高價值零件。

3.3 內(nèi)齒輪箱及前軸承腔室

1、2、3號軸承均位于該單元體內(nèi)。鈦合金零件包括：軸承支撐、軸承殼體、軸承封嚴(yán)等高價值零件。但軸承本身由于其高速旋轉(zhuǎn)，因此并不是鈦合金制造。

3.4 風(fēng)扇機(jī)匣單元體

風(fēng)扇機(jī)匣是發(fā)動機(jī)最重的零件，支撐起發(fā)動機(jī)的整體框架。該單元體鈦合金零件包括風(fēng)扇機(jī)匣、風(fēng)扇框架等高價值零件。

3.5 高壓壓氣機(jī)單元體

高壓壓氣機(jī)單元體分為3～12級，共10級。其中前3～8級轉(zhuǎn)子及VSV可調(diào)靜子葉片均為鈦合金。該單元體鈦合金零件包括高壓壓氣機(jī)3～8級轂、3～8級轉(zhuǎn)子葉片、高壓壓氣機(jī)防渦管、高壓壓氣機(jī)前機(jī)匣、VSV可調(diào)靜子葉片等高價值零件。

3.6 4號軸承單元體

4號軸承單元體工作溫度已經(jīng)較高，鈦合金零件較少，并且之后的燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、排氣機(jī)匣等單元體工作溫度極高，未使用鈦合金。該單元體鈦合金零件包括4號軸承前封嚴(yán)支撐、4號軸承封嚴(yán)座等高價值零件。

3.7 外部件

發(fā)動機(jī)外部的管路、支架、放氣活門、冷卻涵管等零件工作溫度較低且質(zhì)量體積較大，為減輕發(fā)動機(jī)重量，這些零件均由鈦合金制造。其主要包括風(fēng)扇機(jī)匣外部燃油控制管路、低渦主動間隙控制冷卻空氣管、高壓壓氣機(jī)7/10級放氣活門涵管、豎琴部位發(fā)動機(jī)壓力滑油管等高價值零件。

通過以上統(tǒng)計信息可以發(fā)現(xiàn)，V2500發(fā)動機(jī)鈦合金零件主要集中于發(fā)動機(jī)前部及外部工作溫度較低的位置，從高壓壓氣機(jī)后幾級開始，溫度和壓力明顯升高，受到工作溫度、價格昂貴、鈦火等因素影響，鈦合金零件已經(jīng)鮮有使用。鈦合金零件使用范圍涵蓋管路、支架、涵管、轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片、轉(zhuǎn)子轂、機(jī)匣、軸承支撐等諸多零件，零件總價超過750萬美元，V2500新發(fā)價格約為1 500萬美元，由此可見鈦合金在V2500發(fā)動機(jī)中的重要應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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