CN114088869A - 一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法。采用摩擦钛火试验装置将涂覆三层结构复合涂层的钛合金机匣模拟件固定在钛火试验装置的燃烧室夹具上与不锈钢转子件构成一对摩擦副。在模拟发动机工况的气流条件下通过控制摩擦时间和摩擦接触压力实现机匣结构中阻燃隔热涂层的直接破坏，热电偶测量摩擦区域瞬态温升获得可持续燃烧瞬态温度。然后在无复合涂层钛合金机匣模拟件发生可持续燃烧的试验条件下进行涂覆复合涂层的航空发动机钛合金机匣模拟件的防钛火试验，若连续十次试验获得的瞬态温度均小于可持续燃烧瞬态温度的一半，则表明涂覆三层结构复合涂层的航空发动机钛合金机匣模拟件的防钛火有效性通过验证，并将此时的试验参数作为航空发动机钛合金机匣结构防钛火有效的工况条件。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机钛火防控技术领域，提供一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法。
背景技术
钛合金因具有比强度高、耐腐蚀和使用温度宽等优点而被广泛应用于先进航空发动机压气机机匣等关键/重要结构件。然而，随着先进航空发动机性能的不断提升，压气机内部高温高压高速的服役环境特征更为显著，钛火发生的可能性大大增加，尤其当钛合金机匣受到叶片或外来物碰磨或划擦时轻则导致机匣烧穿、重则烧毁整个发动机，危害巨大。
先进航空发动机一般通过采用阻燃钛合金机匣或者涂覆复合涂层的钛合金机匣结构设计等防控措施来降低钛火风险。其中，涂覆三层结构复合涂层的钛合金机匣应用更为广泛，该机匣结构从外部钛合金本体到内表面依次为钛合金、金属粘结底层、阻燃/隔热涂层和可磨耗封严涂层。与传统无涂层的钛合金机匣相比，涂覆复合涂层的钛合金机匣结构具有良好的防钛火功能，能够提高发动机的服役安全性。遗憾的是，目前尚未建立一种有效的钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，造成适航条件下防钛火验证试验数据缺失、机理不清楚，直接影响了钛合金机匣结构的防钛火设计与技术进步，这与钛合金机匣结构制造技术“长板”的快速发展是不相适应的
发明内容
发明目的：针对航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法未建立而提出一种定量的且能够满足工程需求的验证钛合金机匣结构防钛火功能的试验方法。
技术方案
提供一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，所述验证方法使用无涂层钛合金机匣模拟件和有涂层钛合金机匣模拟件，无涂层钛合金机匣模拟件和有涂层钛合金机匣模拟件均安装有测温热电偶，无涂层钛合金机匣模拟件和有涂层钛合金机匣模拟件均作为静子，分别与金属摩擦转子构成摩擦副，有涂层钛合金机匣模拟件的涂层为摩擦面；该试验方法包括以下步骤，
步骤1)模拟发动机燃烧室的工况，设定气流压力、气流温度、气流速度以及无涂层钛合金机匣模拟件与金属摩擦转子之间的接触压力初始值；
步骤2)使得金属摩擦转子旋转，无涂层钛合金机匣模拟件与金属摩擦转子之间持续摩擦规定时间；判断是否出现燃烧，若未出现可持续燃烧，则梯次增加接触压力直至出现可持续燃烧，每增加一梯次均更换无涂层钛合金机匣模拟件；若出现可持续燃烧，则通过所述热电偶获得钛合金机匣模拟件发生可持续燃烧的瞬态温度T0，并记录当前的接触压力f；
步骤3)以步骤1设定的气流压力、气流温度、气流速度以及步骤2)记录的接触压力f为参数，使得金属摩擦转子旋转，有涂层钛合金机匣模拟件与金属摩擦转子之间持续摩擦规定时间；之后通过所述热电偶获得有涂层钛合金机匣模拟件的瞬态温度T，若T小于0.5T0，则表明有涂层钛合金机匣模拟件未发生着火，表明具有所述涂层的钛合金机匣防钛火有效性通过验证。
进一步的，出现可持续燃烧的判定依据为：当无涂层钛合金机匣模拟件的燃烧区域面积半径大于2mm时，认定为发生可持续燃烧。
进一步的，步骤3)重复N次，且每次T均小于0.5T0，表明验证具有所述涂层的钛合金机匣防钛火有效性通过验证。此时的所述参数能够作为涂覆复合涂层的航空发动机钛合金机匣结构防钛火有效的工况条件，N为大于1的自然数。
进一步的，步骤1)中设定的气流压力为0.5～0.6MPa、气流温度为873～923K、气流速度为280～300m/s。
进一步的，步骤1)中设定的接触压力≥500N。
进一步的，有涂层钛合金机匣模拟件的涂层为三层，且三层涂层从内向外依次为金属粘结底层、陶瓷隔热涂层和可磨耗封严层。优选地，金属粘结底层材质为NiCrAlY，厚度为0.1～0.2mm。陶瓷隔热涂层为YSZ，厚度为0.6～1.0mm。可磨耗封严层材质为NiCrAlY-B.e或者NiCrAlY-BN，厚度为0.4～0.8mm。优选地，测温热电偶焊接在有涂层钛合金机匣模拟件的金属粘结底层。
进一步的，所述热电偶均为B型热电偶且为多个，同时测量摩擦区域瞬态温升。
进一步的，持续摩擦规定时间不超过5s。
进一步的，金属摩擦转子的转动速度为在12000r/min以上。金属摩擦转子材质为不锈钢。
进一步的，所述热电偶为多个，且呈“十”字分布，“十”字中心对应金属摩擦转子旋转中心。十”字分布半径为4mm。
进一步的，测温热电偶安装在无涂层钛合金机匣模拟件和有涂层钛合金机匣模拟件的背面。
技术效果
(1)在摩擦钛火试验装置上固定钛合金机匣模拟件、不锈钢转子件接触摩擦热源和接近发动机工况条件的气流环境，以无复合涂层钛合金机匣模拟件发生可持续燃烧时的试验条件作为涂覆三层结构复合涂层钛合金机匣模拟件的试验参数，能够定量验证涂覆复合涂层钛合金机匣结构的防钛火功能，能够获得适航条件下防钛火验证试验数据，为钛合金机匣结构设计提供依据；
(2)通过精确控制摩擦时间和摩擦接触压力可以加速含三层结构复合涂层钛合金机匣中阻燃隔热涂层的直接破坏，实现了涂覆复合涂层钛合金机匣结构的防钛火有效性的高效验证；
(3)通过热电偶测量摩擦区域瞬态温升获得钛合金机匣模拟件发生可持续燃烧的瞬态温度进行涂覆复合涂层钛合金机匣结构防钛火验证，该验证试验方法易于操作，试验成本较低，在航空发动机钛火防控技术领域应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明提供的实现涂覆三层结构复合涂层的钛合金机匣模拟件结构防钛火验证的试验原理示意图；
图2为本发明提供的热电偶连接点布局形式；
其中：1－钛合金机匣模拟件；2－金属粘结涂层；3－陶瓷隔热涂层；4－可磨耗封严涂层；5－不锈钢转子件；6－热电偶；7－金属粘结涂层上的热电偶连接点；8－气体入口；9－支架；10－钛合金机匣模拟件内表面；11－热电偶连接点。
具体实施方式
将参照附图更充分地描述所公开的示例，在附图中示出了所公开示例中的一些(但并非全部)。事实上，可描述许多不同的示例并且这些示例不应该被解释为限于本文中阐述的示例。相反，描述这些示例，使得本公开将是彻底和完全的，并且将把本公开的范围充分传达给本领域的技术人员。
实施例1
对涂覆NiCrAlY/YSZ/NiCrAl-BN复合涂层钛合金机匣结构进行防钛火验证试验，有、无涂层钛合金机匣模拟件尺寸为130mm×28mm×1.5mm，该试验方法包括以下步骤，
步骤1)模拟发动机燃烧室的工况，采用精密脉冲点焊机在钛合金机匣模拟件内表面中心附近连接4支B型热电偶，热电偶连接点距离钛合金机匣模拟件表面中心4mm且呈“十”字分布，然后将连接热电偶的无涂层钛合金机匣模拟件进行固定且与不锈钢转子件构成一对摩擦副，然后设定燃烧室的模拟发动机气流压力为0.5MPa、气流温度为873K、气流速度为283m/s，接触压力初始值为500N；
步骤2)然后开启电动机带动不锈钢摩擦转子作周向转动，转动速度为12000r/min，当无涂层钛合金机匣模拟件与不锈钢转子的接触摩擦时间为3.45s时，无涂层钛合金机匣模拟件的燃烧区域超出距离钛合金模拟件旋转摩擦中心2mm的范围，认定为发生可持续燃烧，记录此时热电偶测得的摩擦区域温升曲线获得发生可持续燃烧的瞬态温度T0，取平均值为1476K。
步骤3)将无涂层钛合金机匣模拟件更换为有涂层钛合金机匣模拟件，底层为厚度0.2mm的NiCrAlY金属粘结涂层后，采用精密脉冲点焊机在带金属粘结涂层安装呈“十”字分布的4支B型热电偶，然后在带金属粘结涂层喷涂厚度为0.6mm的YSZ陶瓷隔热涂层，再在陶瓷隔热涂层喷涂厚度为0.8mm的NiCrAlY-BN可磨耗封严涂层，获得涂覆三层结构的有涂层钛合金机匣模拟件；
将有涂层钛合金机匣模拟件固定且与不锈钢转子件构成一对摩擦副，设定燃烧室的模拟发动机气流压力为0.5MPa、气流温度为873K、气流速度为283m/s，接触压力500N，接触摩擦时间3.45s；
步骤4)开启电动机带动不锈钢摩擦转子件作周向转动，转动速度为12000r/min。钛合金机匣模拟件的燃烧区域超出距离钛合金模拟件中心2mm的范围，认定为发生可持续燃烧，记录热电偶测得的摩擦区域温升曲线获得涂覆三层结构复合涂层的航空发动机钛合金机匣模拟件摩擦区域的瞬态温度T，取其平均值为559K，表明涂覆三层结构复合涂层的航空发动机钛合金机匣模拟件未发生着火。之后通过所述热电偶获得有涂层钛合金机匣模拟件的瞬态温度T，若T小于0.5T0，则表明本次有涂层钛合金机匣模拟件未发生着火，表明具有所述涂层的钛合金机匣防钛火有效性通过验证。
进一步的，步骤5)重复上述步骤4)十次，获得十次瞬态温度结果见表1，十次连续试验中T均小于0.5T0，表明涂覆三层结构复合涂层的航空发动机钛合金机匣模拟件的防钛火有效性通过验证，并将此时的试验参数(气流压力为0.5MPa、气流温度为873K、气流速度为283m/s，钛合金机匣模拟件与不锈钢转子件之间的接触压力500N，接触摩擦时间3.45s)作为涂覆复合涂层的航空发动机钛合金机匣结构防钛火有效的工况条件，从而完成了验证。
表1瞬态温度T测试结果(K)
实施例2
对涂覆NiCrAlY/YSZ/NiCrAl-B.e复合涂层钛合金机匣结构进行防钛火验证试验，有、无涂层钛合金机匣模拟件尺寸为130mm×28mm×1.0mm，该试验方法包括以下步骤，
步骤1)模拟发动机燃烧室的工况，采用精密脉冲点焊机在钛合金机匣模拟件内表面中心附近连接4支B型热电偶，热电偶连接点距离钛合金机匣模拟件表面中心4mm且呈“十”字分布，然后将连接热电偶的无涂层钛合金机匣模拟件进行固定且与不锈钢转子件构成一对摩擦副，然后设定燃烧室的模拟发动机气流压力为0.6MPa、气流温度为923K、气流速度为300m/s，接触压力初始值为650N；
步骤2)然后开启电动机带动不锈钢摩擦转子作周向转动，转动速度为12000r/min，当无涂层钛合金机匣模拟件与不锈钢转子的接触摩擦时间为4.6s时，无涂层钛合金机匣模拟件的燃烧区域超出距离钛合金模拟件旋转摩擦中心2mm的范围，认定为发生可持续燃烧，记录此时热电偶测得的摩擦区域温升曲线获得发生可持续燃烧的瞬态温度T0，取平均值为1627K。
步骤3)将无涂层钛合金机匣模拟件更换为有涂层钛合金机匣模拟件，底层为厚度0.1mm的NiCrAlY金属粘结涂层后，采用精密脉冲点焊机在带金属粘结涂层安装呈“十”字分布的4支B型热电偶，然后在带金属粘结涂层喷涂厚度为0.7mm的YSZ陶瓷隔热涂层，再在陶瓷隔热涂层喷涂厚度为0.6mm的NiCrAlY-BN可磨耗封严涂层，获得涂覆三层结构的有涂层钛合金机匣模拟件；
将有涂层钛合金机匣模拟件固定且与不锈钢转子件构成一对摩擦副，设定燃烧室的模拟发动机气流压力为0.6MPa、气流温度为923K、气流速度为300m/s，接触压力初始值为650N，接触摩擦时间4.6s；
步骤4)开启电动机带动不锈钢摩擦转子件作周向转动，转动速度为12000r/min。钛合金机匣模拟件的燃烧区域超出距离钛合金模拟件中心2mm的范围，认定为发生可持续燃烧，记录热电偶测得的摩擦区域温升曲线获得涂覆三层结构复合涂层的航空发动机钛合金机匣模拟件摩擦区域的瞬态温度T，取其平均值为559K，表明涂覆三层结构复合涂层的航空发动机钛合金机匣模拟件未发生着火。之后通过所述热电偶获得有涂层钛合金机匣模拟件的瞬态温度T，若T小于0.5T0，则表明本次有涂层钛合金机匣模拟件未发生着火，表明具有所述涂层的钛合金机匣防钛火有效性通过验证。
进一步的，步骤5)重复上述步骤4)十次，获得各次瞬态温度结果见表2，前1～4次连续重复试验时涂覆三层结构复合涂层的航空发动机钛合金机匣模拟件摩擦区域的瞬态温度T均小于0.5T0，第5次连续试验时T大于0.5T0，试验停止，表明涂覆复合涂层的航空发动机钛合金机匣结构的防钛火有效性未通过验证，从而完成了验证。
表2瞬态温度T测试结果(K)
已出于例示和描述的目的展示了对不同有利布置的描述，但是该描述并不旨在是排他性的或限于所公开形式的示例。许多修改形式和变化形式对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。另外，不同的有利示例可描述与其他有利示例相比不同的优点。选择和描述所选择的一个示例或多个示例，以便最佳地说明示例的原理、实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开有进行了适于所料想特定使用的各种修改的各种示例。
Claims (17)
1.一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：所述验证方法使用无涂层钛合金机匣模拟件和有涂层钛合金机匣模拟件，无涂层钛合金机匣模拟件和有涂层钛合金机匣模拟件均安装有测温热电偶，无涂层钛合金机匣模拟件和有涂层钛合金机匣模拟件均作为静子，分别与金属摩擦转子构成摩擦副，有涂层钛合金机匣模拟件的涂层为摩擦面；该试验方法包括以下步骤，
步骤1)模拟发动机燃烧室的工况，设定气流压力、气流温度、气流速度以及无涂层钛合金机匣模拟件与金属摩擦转子之间的接触压力初始值；
步骤2)使得金属摩擦转子旋转，无涂层钛合金机匣模拟件与金属摩擦转子之间持续摩擦规定时间；判断是否出现燃烧，若未出现可持续燃烧，则梯次增加接触压力直至出现可持续燃烧，每增加一梯次均更换无涂层钛合金机匣模拟件；若出现可持续燃烧，则通过所述热电偶获得钛合金机匣模拟件发生可持续燃烧的瞬态温度T0，并记录当前的接触压力f；
步骤3)以步骤1设定的气流压力、气流温度、气流速度以及步骤2)记录的接触压力f为参数，使得金属摩擦转子旋转，有涂层钛合金机匣模拟件与金属摩擦转子之间持续摩擦规定时间；之后通过所述热电偶获得有涂层钛合金机匣模拟件的瞬态温度T，若T小于0.5T0，则表明有涂层钛合金机匣模拟件未发生着火，表明具有所述涂层的钛合金机匣防钛火有效性通过验证。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：出现可持续燃烧的判定依据为：当无涂层钛合金机匣模拟件的燃烧区域面积半径大于2mm时，认定为发生可持续燃烧。
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：步骤3)重复N次，且每次T均小于0.5T0，表明验证具有所述涂层的钛合金机匣防钛火有效性通过验证，N为大于1的自然数。
4.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：步骤1)中设定的气流压力为0.5～0.6MPa、气流温度为873～923K、气流速度为280～300m/s。
5.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：步骤1)中设定的接触压力≥500N。
6.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：有涂层钛合金机匣模拟件的涂层为三层，且三层涂层从内向外依次为金属粘结底层、陶瓷隔热涂层和可磨耗封严层。
7.根据权利要求6所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：金属粘结底层材质为NiCrAlY，厚度为0.1～0.2mm。
8.根据权利要求6所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：陶瓷隔热涂层为YSZ，厚度为0.6～1.0mm。
9.根据权利要求6所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：可磨耗封严层材质为NiCrAlY-B.e或者NiCrAlY-BN，厚度为0.4～0.8mm。
10.根据权利要求6所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：所述热电偶焊接在有涂层钛合金机匣模拟件的金属粘结底层。
11.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：所述热电偶均为B型热电偶且为多个，同时测量摩擦区域瞬态温升。
12.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：持续摩擦规定时间不超过5s。
13.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：金属摩擦转子的转动速度为在12000r/min以上。
14.根据权利要求13所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：金属摩擦转子材质为不锈钢。
15.根据权利要求11所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：所述热电偶为多个，且呈“十”字分布，“十”字中心对应金属摩擦转子旋转中心。
16.根据权利要求15所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：十”字分布半径为4mm。
17.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金机匣结构防钛火验证试验方法，其特征在于：测温热电偶安装在无涂层钛合金机匣模拟件和有涂层钛合金机匣模拟件的背面。
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