鈦合金在V2500發動機中的應用

吳小光

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

摘? 要：V2500發動機是IAE公司生產的雙轉子軸流式發動機，其目前主要服務于空客A320系列客機。V2500投入市場以來，以其高度的可靠性、經濟的燃油消耗、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，在航空業中受到廣泛應用，現代燃氣渦輪發動機結構質量的20%～35%左右為鈦合金。該文通過梳理V2500發動機零件材料信息，以分析鈦合金材料在V2500發動機中的使用。

關鍵詞：V2500發動機? 推重比? 鈦合金? 阻燃

中圖分類號：TG14? ?V239? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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發動機簡介

1.1 背景概況

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

V2500發動機是為空客A319、A320、A321客機以及麥道MD-90所設計的中短程客機發動機。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）、日本航空發動機公司（JAEC）、聯邦德國MTU、意大利菲亞特FIAT;2500代表其初始設計推力級別為25 000 lb。目前V2500發動機推力級別在22 000 lb到33 000 lb之間。V2500發動機投入市場之后，以其高度的可靠性、經濟的燃油消耗、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 發動機結構和單元體劃分

V2500發動機從前到后通常分為13個單元體，具體結構和劃分請見圖1。

1.2.1 1號單元體：風扇單元體Fan Module

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

1.2.2 2號單元體：低壓壓氣機單元體LPC Module

低壓壓氣機為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，壓氣機后部裝有2.5級放氣作動系統，用于從低壓壓氣機的后部放氣。該機構運轉可以使發動機在發動機啟動和瞬態運行期間更加穩定。

1.2.3 3號單元體：內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。風扇/LPC轉子通過1號和2號軸承固定在適當的位置，3號軸承固定著高壓壓氣機轉子的前部。內部變速箱，來自HPC的扭矩通過內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：風扇機匣和風扇框架Fan Case and Fan Frame

風扇框架是具有10個內部和外部支桿的一體式焊接結構。內撐桿固定LPC及其零件，以構成前軸承腔室。風扇機匣為一體式焊接結構，它通過螺栓安裝到風扇框架的每個外撐桿上。

1.2.5 5號單元體：高壓壓氣機單元體HPC Module

HPC單元體是10級軸流式壓氣機，它由轉子組件和靜子機匣兩部分組成。其壓氣機級分為3～12級。HPC靜子機匣有兩個主要子組件，HPC前分半機匣和HPC后機匣。HPC前分半機匣包括可調進口導向葉片，3～5級可調靜子葉片和6級固定靜子葉片。

1.2.6 6號單元體：擴散機匣單元體Diffuser Case Assembly

擴散機匣位于HPC與HPT單元體之間，其內部有燃燒室和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。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域，用于軸承的潤滑、支撐和高溫保護。

1.2.9 9號單元體：1級導葉單元體1St Nozzle Guide Vane

1導單元體為發動機內部溫度最高的部分，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級軸流式結構。采用三維設計葉形、冷氣單晶渦輪葉片和超塑性等溫鍛造的粉末冶金盤。渦輪外環采用可調主動間隙控制。

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級軸流式結構。采用三維設計葉形和葉尖主動間隙控制。

1.2.12 12號單元體：排氣機匣單元體TEC Module

排氣機匣位于LPT單元體后部，此處區域可以采集發動機重要參數排氣溫度。

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? 鈦合金在航空發動機中的應用

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

隨著科學技術的不斷發展，新的材料如雨后春筍一般出現，一些尖端材料被應用于飛速發展的航空制造業。鈦合金具有高比強度、較寬的工作溫度范圍和優異的腐蝕抗力等突出特性，因而作為一種更新的結構材料取代了鋁合金、鎂合金和鋼鐵在航空發動機上的應用[2]。現代燃氣渦輪發動機結構質量的20%～35%左右為鈦合金，除鎳基超合金以外，鈦合金是優異的發動機材料。早在20世紀50年代初期，美國普惠公司和英國的羅羅公司生產的早期噴氣式發動機就使用了鈦合金。從此，鈦合金在航空發動機領域的用量穩定增長。鈦合金由于其具有良好的強度、塑性、韌性、蠕變性能和疲勞性能，被廣泛應用于結構復雜、受力狀態嚴峻的航天航空結構件，如飛機發動機的壓氣機葉片、飛機的表面蒙皮、發動機機匣等零件[3]。

航空業一直是鈦合金市場的巨大用戶，因此航空業的發展對鈦合金的研究、生產和應用起到至關重要的作用。同樣，衡量一個國家航空業發展水平的一個重要標準就是航空用鈦的百分比。隨著我國國民經濟的不斷發展和大飛機、發動機計劃的啟動，先進大飛機及其發動機對高效率、高性能、低成本、低污染提出了極高的要求，這也為先進航空鈦合金材料和熱工藝發展提供了強大的驅動力。

最早問世同時也是最經典的鈦合金代表是Ti-6Al-4V，其設計使用溫度最高可達350 ℃，由于該材料不僅具有耐高溫性，還具有十分優良的塑性加工性能，因此Ti-6Al-4V一經發現便被廣泛應用[4]。壓氣機葉片是最早的鈦合金發動機部件，后來出現了鈦合金壓氣機盤。現代噴氣式發動機的大型前端風扇葉片也是鈦合金制成的，由于風扇葉片和壓氣機盤都在低溫下使用，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的使用需求。但用作旋轉部件時，鈦合金由于具有易燃傾向，劇烈摩擦和沖擊是產生鈦火的主要原因。鈦合金屬于熱的不良導體，摩擦和沖擊所產生的熱量難以在短時間內散失，而溫度的驟升會引發鈦火[5]。針對航空發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動機發生鈦火的概率，是應用最廣泛的防鈦火方案[6]。阻燃鈦合金的研發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）的高穩定性阻燃β型合金，現在已用于F-22戰斗機的F119發動機用壓氣機擋板、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，導致成本較高，限制了其應用前景。

3? 鈦合金在V2500航空發動機中的應用

V2500發動機1983年開始研發，1989年投入使用，其鈦合金用量達到31%。通過查閱零件信息可以發現，發動機外部的管路、支架、冷卻器等諸多零件均采用鈦合金制造;發動機內部的風扇、低壓壓氣機、風扇機匣等諸多部件也均采用鈦合金制造。具體信息如下。

3.1 風扇單元體

風扇單元體位于發動機最前端，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。其主要包括風扇葉片、風扇葉片前后保持環、風扇轂等高價值零件。

3.2 低壓壓氣機單元體

低壓壓氣機單元體位于風扇后端，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。其主要包括低壓轉子中心軸、低壓壓氣機1.5～2.5轉子轂、低壓壓氣機1.5～2.3級靜子、低壓壓氣機1.5～2.5級轉葉等高價值零件。

3.3 內齒輪箱及前軸承腔室

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

3.4 風扇機匣單元體

風扇機匣是發動機最重的零件，支撐起發動機的整體框架。該單元體鈦合金零件包括風扇機匣、風扇框架等高價值零件。

3.5 高壓壓氣機單元體

高壓壓氣機單元體分為3～12級，共10級。其中前3～8級轉子及VSV可調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3～8級轂、3～8級轉子葉片、高壓壓氣機防渦管、高壓壓氣機前機匣、VSV可調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號軸承前封嚴支撐、4號軸承封嚴座等高價值零件。

3.7 外部件

發動機外部的管路、支架、放氣活門、冷卻涵管等零件工作溫度較低且質量體積較大，為減輕發動機重量，這些零件均由鈦合金制造。其主要包括風扇機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7/10級放氣活門涵管、豎琴部位發動機壓力滑油管等高價值零件。

通過以上統計信息可以發現，V2500發動機鈦合金零件主要集中于發動機前部及外部工作溫度較低的位置，從高壓壓氣機后幾級開始，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，鈦合金零件已經鮮有使用。鈦合金零件使用范圍涵蓋管路、支架、涵管、轉子葉片、靜子葉片、轉子轂、機匣、軸承支撐等諸多零件，零件總價超過750萬美元，V2500新發價格約為1 500萬美元，由此可見鈦合金在V2500發動機中的重要應用。

參考文獻

[1] 王姚杰.V2500航空渦扇發動機P4.9管路斷裂失效分析[D].華東理工大學，2017.

[2] 施曉萌.航空葉片用鈦合金外物損傷、組織變化及其疲勞特性[D].江蘇大學，2019.

[3] 郭濤.某航空發動機鈦合金整體盤軸加工工藝研究[D].大連理工大學，2019.

[4] 林斌.一種新型近α型航空鈦合金的位錯組織及失效行為研究[D].哈爾濱工業大學，2020.

[5] 劉若愚.航空發動機防鈦火耐腐蝕封嚴材料的制備與性能研究[D].中國科學院大學（中國科學院過程工程研究所），2020.

[6] 楊雯清.Ti-14Cu阻燃合金燃燒機理研究[D].長安大學，2018.