秦 敏，顧 楊，張 良，向宏輝

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川 江油 621703)

1 引言

鈦合金由于具有比強(qiáng)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(dòng)機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)部分以及其它結(jié)構(gòu)件中，都大量采用鈦合金以達(dá)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(yán)重危害發(fā)動(dòng)機(jī)安全。自上世紀(jì)60年代鈦合金初次用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(yán)重危害，國(guó)外自70年代起就投入大量人力、物力對(duì)鈦合金燃燒機(jī)理進(jìn)行研究，研制了鈦合金燃燒及擴(kuò)散的專用試驗(yàn)平臺(tái)，建立了較為完善的鈦合金燃燒分析模型，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中防鈦火技術(shù)進(jìn)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(guó)相關(guān)科研院所進(jìn)行了鈦合金抗燃燒性能的試驗(yàn)研究[2，3]，也取得一定成果，但并未對(duì)影響鈦合金燃燒的主要因素進(jìn)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(guó)燃?xì)鉁u輪研究院自主研制了一種鈦火研究旋轉(zhuǎn)碰摩試驗(yàn)器。相比國(guó)內(nèi)現(xiàn)有鈦火試驗(yàn)裝置(如熔化液滴裝置、激光點(diǎn)燃裝置等)，該試驗(yàn)器能較真實(shí)地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)中高壓壓氣機(jī)鈦合金構(gòu)件的工作條件，可用于評(píng)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(jī)理

正常工作條件下，鈦合金表面形成致密的、具有保護(hù)作用的TiO2氧化膜。當(dāng)某種原因(如摩擦等)使其溫度升高時(shí)，高價(jià)氧化物被還原成低價(jià)氧化物，表面氧化膜比容隨之降低并導(dǎo)致剝落，此時(shí)氧的輸送速度加快，當(dāng)釋熱量超過(guò)散熱量時(shí)，溫度迅速升高，氧化轉(zhuǎn)變?yōu)槿紵齕4]。鈦合金燃燒過(guò)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(guò)其周?chē)目諝鈪?shù)(壓力、溫度和流速)有關(guān)。空氣壓力、溫度較低時(shí)不易著火，反之則易著火，且壓力越高鈦合金著火點(diǎn)溫度越低[5]。

3 試驗(yàn)器組成

試驗(yàn)器原理圖見(jiàn)圖1，主要由試驗(yàn)艙、動(dòng)力系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、液壓進(jìn)給機(jī)構(gòu)、數(shù)采系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)等組成。

圖1 試驗(yàn)器原理圖Fig.1 Diagram of test facility

3.1 試驗(yàn)艙

試驗(yàn)艙采用整體鍛造工藝，其內(nèi)部為圓形，外部為矩形。試驗(yàn)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(yàn)件均處于射流流場(chǎng)內(nèi)；試驗(yàn)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(yàn)艙中段正上方艙壁開(kāi)觀察窗，用以觀察并記錄試驗(yàn)狀態(tài)；前、后艙壁分別開(kāi)有進(jìn)給機(jī)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(guò)鍵將艙體定位在安裝座上。試驗(yàn)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(yàn)艙內(nèi)流場(chǎng)全三維粘性數(shù)值模擬(見(jiàn)圖3)結(jié)果表明，收斂條形孔的射流寬度滿足試驗(yàn)要求。

圖2 試驗(yàn)艙示意圖Fig.2 Diagram of test cell

圖3 試驗(yàn)艙流場(chǎng)分布Fig.3 Distribution of flow field in test cell

3.2 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)由變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)、一級(jí)增速齒輪箱(增速比為4)、二級(jí)增速齒輪箱(增速比為2)及變頻器等組成。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速2987 r/min，額定功率250 kW，滿足試驗(yàn)件摩擦所需的功率及轉(zhuǎn)速。二級(jí)齒輪箱專門(mén)針對(duì)鈦火試驗(yàn)做了特殊設(shè)計(jì)，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(yàn)艙內(nèi)；端部設(shè)有試驗(yàn)轉(zhuǎn)子件安裝面，并承受液壓進(jìn)給機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的軸向推力。

3.3 進(jìn)氣系統(tǒng)

進(jìn)氣系統(tǒng)主要由管道、電動(dòng)閥門(mén)、電加溫器及流量測(cè)量裝置等組成。管道上布置有波紋補(bǔ)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(yàn)件摩擦前溫度加熱到450℃。加熱溫度控制采用過(guò)零觸發(fā)、占空比無(wú)級(jí)調(diào)功方式，控制精度±2.9℃。進(jìn)氣系統(tǒng)與試驗(yàn)艙采用金屬軟管連接，以消除管道安裝及工作時(shí)附加給試驗(yàn)艙的應(yīng)力。

3.4 排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)由管道、電動(dòng)閥門(mén)等組成。電動(dòng)閥門(mén)用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)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(yàn)件摩擦后的殘余物，并避免高溫殘余物損傷電動(dòng)閥門(mén)等部件。

3.5 液壓進(jìn)給機(jī)構(gòu)

液壓進(jìn)給機(jī)構(gòu)用于推動(dòng)試驗(yàn)靜子件軸向移動(dòng)，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(dòng)節(jié)流閥、電液伺服閥、作動(dòng)筒、位移傳感器、壓力傳感器、控制箱和控制主機(jī)組成?？刂撇捎瞄]環(huán)控制、PID調(diào)節(jié)方式，可根據(jù)試驗(yàn)要求任意設(shè)定推進(jìn)、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(hù)功能。

3.6 數(shù)采系統(tǒng)

數(shù)采系統(tǒng)用于采集試驗(yàn)參數(shù)，由VXI和PSI系統(tǒng)組成。主要測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要測(cè)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(yàn)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(yàn)器研制難點(diǎn)及解決措施

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

(1)試驗(yàn)艙采用0Cr18Ni9整體鍛造結(jié)構(gòu)，共開(kāi)有5個(gè)不同的功能孔，分別為進(jìn)氣孔、排氣孔、進(jìn)給機(jī)構(gòu)安裝孔、軸系安裝孔和觀察窗孔。除軸系安裝孔采用動(dòng)密封方式(兩道篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，配合石墨封嚴(yán)環(huán)進(jìn)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(yàn)艙正下方設(shè)計(jì)橫、縱鍵槽，通過(guò)橫、縱鍵將艙體定位在安裝座上。試驗(yàn)艙的四個(gè)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(guò)耳座與橫、縱鍵組合限制試驗(yàn)艙受熱膨脹時(shí)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(wèn)題。

5 試驗(yàn)器應(yīng)用

試驗(yàn)器建成后先后進(jìn)行了多次不同試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)、材料、試驗(yàn)參數(shù)的鈦火試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了多種不同結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)件(靜子件/轉(zhuǎn)子件)，包括多葉片/圓盤(pán)結(jié)構(gòu)、片狀圓孔/三角片結(jié)構(gòu)與圓盤(pán)/圓環(huán)結(jié)構(gòu)等，以驗(yàn)證不同結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件在不同材料及不同試驗(yàn)參數(shù)下是否發(fā)生鈦火。這些試驗(yàn)中，有些試驗(yàn)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(yàn)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(duì)該次試驗(yàn)情況進(jìn)行介紹。

5.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件采用圓盤(pán)/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(yàn)件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Specimen structure

5.2 試驗(yàn)流程

由試驗(yàn)器進(jìn)氣系統(tǒng)向試驗(yàn)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(dòng)機(jī)中的工作環(huán)境；由動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子件旋轉(zhuǎn)；當(dāng)試驗(yàn)件周?chē)膲毫?、溫度及轉(zhuǎn)速達(dá)到要求時(shí)，啟動(dòng)液壓進(jìn)給機(jī)構(gòu)推動(dòng)靜子件軸向移動(dòng)，使轉(zhuǎn)子件與靜子件發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦；通過(guò)攝像系統(tǒng)觀察、記錄整個(gè)碰摩過(guò)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(yàn)件是否發(fā)生鈦燃燒現(xiàn)象；試驗(yàn)參數(shù)均由數(shù)采系統(tǒng)連續(xù)記錄。

5.3 試驗(yàn)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(yàn)過(guò)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(shuō)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(dòng)區(qū)域依次對(duì)應(yīng)3次轉(zhuǎn)/靜子試驗(yàn)件的碰摩過(guò)程。前2次碰摩過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)/靜子試驗(yàn)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(yàn)件表面溫度開(kāi)始升高，試驗(yàn)件碰摩表面出現(xiàn)一定的燒蝕現(xiàn)象，但持續(xù)時(shí)間較短，局部熱量很快耗散，始終未達(dá)到試驗(yàn)件臨界著火點(diǎn)，沒(méi)有向自持穩(wěn)態(tài)燃燒狀態(tài)進(jìn)一步發(fā)展。

在前2次碰摩試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增大進(jìn)給機(jī)構(gòu)的推進(jìn)力，以期改善摩擦生熱效果。本次碰摩試驗(yàn)中，靜子件位移推進(jìn)系統(tǒng)輸出的最大推力達(dá)3386 N，從轉(zhuǎn)子件與靜子件接觸碰摩到完全脫開(kāi)共經(jīng)歷了約50 s，靜子件位移行程量達(dá)8.68 mm。圖6給出了試驗(yàn)過(guò)程中不同時(shí)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(yàn)件摩擦表面熱量的積聚，開(kāi)始出現(xiàn)短暫局部燒蝕現(xiàn)象；之后，試驗(yàn)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(qiáng)度均明顯減小，主要覆蓋在環(huán)形摩擦表面周?chē)?，該過(guò)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(yàn)件達(dá)到著火點(diǎn)并穩(wěn)定燃燒，此時(shí)試驗(yàn)艙內(nèi)出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象，大量金屬火花迅速向周?chē)鷶U(kuò)散傳播，其中順氣流流動(dòng)方向更為劇烈，該過(guò)程約持續(xù)25 s；火花擴(kuò)散傳播過(guò)程結(jié)束后，試驗(yàn)件摩擦表面仍可見(jiàn)到瞬時(shí)局部紅色火焰，說(shuō)明整個(gè)碰摩過(guò)程試驗(yàn)件維持了較長(zhǎng)時(shí)間燃燒。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的試驗(yàn)器屬旋轉(zhuǎn)碰摩式鈦火試驗(yàn)器，主要由動(dòng)力系統(tǒng)、試驗(yàn)艙、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等組成，可模擬高壓壓氣機(jī)鈦合金構(gòu)件工作環(huán)境條件。通過(guò)該試驗(yàn)器，成功再現(xiàn)了試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境條件下的鈦火燃燒現(xiàn)象。試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)器各系統(tǒng)均能安全可靠地工作，表明本試驗(yàn)器研制取得了成功，為鈦合金構(gòu)件著火性能及其防護(hù)研究提供了試驗(yàn)手段，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金燃燒特性評(píng)估和防鈦火試驗(yàn)研究領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，進(jìn)給機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的推力對(duì)試驗(yàn)件是否發(fā)生鈦火燃燒影響較大。

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