Titaaniseokset lentokonemoottoreissa: tuuletin- ja kompressorisovellukset ja laadun valinta

Miksi titaanilla on merkitystä lentokoneiden moottoreissa

Moottori on se, joka antaa lentokoneelle työntövoiman, ja kyseiselle moottorille valitut materiaalit määräävät, kuinka paljon työntövoimaa voidaan tuottaa tietyllä painolla. Teräs on edelleen välttämätön, mutta nykyaikainen moottori käyttää myös alumiiniseoksia, titaaniseoksia, komposiitteja ja korkean lämpötilan{1}}seoksia. Titaanin suorituskyvyn parantuessa ja kustannusten alentuessa sen osuus moottorin massasta on kasvanut vuosi vuodelta ja käytetty määrä vaihtelee huomattavasti maiden, valmistajien, moottorimallien ja yksittäisten mallien välillä.

Suihkumoottorit ovat titaanin pääasiallinen käyttökohde. Erään yhdysvaltalaisen moottorinvalmistajan kohdalla titaaniseoksesta valmistetut osat muodostavat 7–18 % moottorin nettomassasta, kun taas 1950-luvun alussa yhdysvaltalainen suihkuturbiini käytti noin 6 % titaania.

Suihkumoottoreiden titaanipitoisuus

Yhdessä laajasti käytetyssä yhdysvaltalaisessa turboruihkumoottorissa 17-vaiheinen roottori valmistettiin alun perin ruostumattomasta teräksestä ja muutettiin myöhemmin 11-vaiheiseksi titaaniseokseksi. Tämän moottorin myöhemmässä versiossa käytettiin 20 massaprosenttia titaaniseosta, kun aiemmassa versiossa se oli vain 4 prosenttia – viisinkertainen lisäys saavutettiin pääasiassa korvaamalla kompressorin teräsosia.

Kulkusuunta on sama koko teollisuudessa: kompressorin ulostulon lämpötilan noustessa ja suunnittelijoiden pyrkiessä pienentämään moottorin painoa, enemmän pyörivästä ja staattisesta laitteistosta muunnetaan teräksestä titaaniseokseksi.

Tuulettimen ja kompressorin seokset suurissa turbopuhaltimissa

Eräässä varhaisessa yhdysvaltalaisessa turbopuhallinmoottorissa matalapaineisen-kompressorin tuulettimen siivet sekä välikappaleet ja tuuletinventtiili on valmistettu Ti-6Al-4V:stä. nämä tuulettimen siivet ovat 406 mm pitkiä, mikä on noin kaksi kertaa kompressorin siipien pituus. Myöhemmin saman valmistajan korkean ohituksen turbopuhaltimessa tuulettimen siivet ovat 711 mm pitkiä, mikä on lähes kymmenen kertaa kompressorin siipien pituus. Titaaniseos muodostaa 28 % tämän moottorin massasta, noin 1,035 t, josta 46 tuulettimen siipeä on valmistettu Ti-6Al-4V:stä.

Matalapaineisen-kompressorin roottori ja 11-vaiheisen korkeapainekompressorin yhdeksäs vaihe on valmistettu Ti-6Al-4V:stä, Ti-8Al-1Mo-1V:stä ja Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo:sta. Näistä viimeinen kestää käytön 480 asteessa, ja sitä käytetään moottorissa 450 kg. Staattorin siivet on valmistettu Ti-5Al-2,5Sn-seoksesta.

Useiden maiden yhdessä kehittämässä 2,2 tonnia painavassa moottorissa titaanin osuus on 31 % massasta. Isossa-Britanniassa-suunnitellussa korkeapaineisessa-kompressorissa vaiheissa 3–6 käytetään korkean virumisvastuksen-kestävää Ti-4Al-4Mo-2Sn-0,5Si-tyyppistä seosta, kun taas japanilaisissa moottoreissa käytetään Ti-6Al-4V-kompressorin tuulettimen ja matalapainekomponenttien komponentteja.

Sopiva seos moottoriasemaan

Lämpötila nousee asteittain kompressorin kautta, joten metalliseoksen valinta seuraa lämpötilakarttaa eikä komponentin nimeä. Titaaniseoksia, kuten Ti-6Al-4V, käytetään paikoissa, joissa lämpötilat pysyvät kohtuullisina, lähellä -alfa-laatuja, kuten Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, ottavat vallan korkeapainekompressorin kuumimmissa takaosissa, ja virumisenkestävät ja korkean lämpötilan kestävät piin yhdistelmissä. kuorma. Kun lämpötila ylittää titaanin käyttökelpoisen alueen, korkean lämpötilan metalliseokset tai komposiitit ottavat vallan, ja tämä siirtymälämpötila on yksi moottorin tärkeimmistä suunnittelupäätöksistä.

Käytännön seuraukset titaanin toimittajalle ovat joka tapauksessa samat: seoslaatu, lämpökäsittelyn kunto, mikrorakenne ja ultraäänilaadun taso on sovitettava kyseisen aseman spesifikaatioihin, koska tuulettimen siipi, kiekko ja staattorisiipi taotaan ja tarkastetaan eri vaatimusten mukaisesti, vaikka ne olisivat samaa laatua.

Usein kysytyt kysymykset

K: Mikä osuus suihkumoottorista on titaania?
Yhdelle yhdysvaltalaiselle moottorivalmistajalle titaaniseososien osuus moottorin nettomassasta on 7–18 %, varhaiset suihkuturbiinimoottorit käyttivät noin 6 %, yksi suuri korkea-ohitusturbotuuletin käyttää noin 28 % ja yhdessä kehitetty 2,2 t moottori saavuttaa 31 %.

K: Mitä titaaniseosta käytetään eniten lentokoneiden moottoreissa?
Ti-6Al-4V on laajimmin käytetty laatu, jota käytetään tuulettimen siipissä, välikappaleissa sekä matala- ja korkeapainekompressoreiden roottoreissa.

K: Miksi tuulettimen siivet ovat niin paljon pidempiä kuin kompressorin siivet?
Koska tuuletin pyyhkäisee paljon suuremman renkaan; tässä kuvatuissa moottoreissa tuulettimen siivet ovat 406 mm ja 711 mm pitkiä, mikä on vastaavasti suunnilleen kaksi ja lähes kymmenen kertaa kompressorin siiven pituus.

K: Mikä on titaanin käyttölämpötilaraja kompressorissa?
Lähes-alpha-laatu, kuten Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, kestää noin 480 astetta, minkä vuoksi sitä käytetään kuumempiin korkeapainekompressorivaiheisiin.

K: Miksi joissakin kompressoreissa käytetään pii{0}}titaaniseosta?
Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si-tyypin lajikkeet tarjoavat korkean virumisvastuksen, joten ne valitaan korkeapainekompressorin vaiheille 3–6, joissa sekä lämpötila että kuormitus ovat korkeat.

K: Mitä titaaniseosta käytetään staattorin siivekkeissä?
Ti-5Al-2.5Sn:ää käytetään staattisissa laitteissa, kuten staattorisiiveissä, joissa mittojen ja metallurgisen stabiilisuuden merkitys on suurempi kuin huippulujuuden.