Titanové slitiny v leteckých motorech: Aplikace ventilátorů a kompresorů a výběr jakosti

Proč je titan důležitý v leteckých motorech

Motor je to, co dává letadlu jeho tah, a materiály zvolené pro tento motor rozhodují o tom, kolik tahu lze vyrobit pro danou hmotnost. Ocel zůstává zásadní, ale moderní motor spoléhá také na hliníkové slitiny, titanové slitiny, kompozity a vysokoteplotní -slitiny. S tím, jak se výkon titanu zlepšil a jeho cena klesla, jeho podíl na hmotnosti motoru rok od roku rostl a jeho množství se mezi zeměmi, výrobci, modely motorů a jednotlivými konstrukcemi značně liší.

Proudové motory jsou hlavní aplikací titanu. Pro jednoho výrobce motorů ve Spojených státech tvoří díly ze slitiny titanu 7 % až 18 % čisté hmotnosti motoru, zatímco rané proudové motory v USA z 50. let používaly asi 6 % titanu.

Obsah titanu v proudových motorech

U jednoho široce používaného proudového letadla v USA byl 17-stupňový rotor původně vyroben z nerezové oceli a později byl změněn na 11-stupňový disk ze slitiny titanu. Pozdější verze tohoto motoru používala 20 % hmotnostních slitiny titanu oproti pouze 4 % v dřívější verzi – pětinásobného nárůstu dosaženého především výměnou ocelových součástí v kompresoru.

Směr pohybu je v celém odvětví stejný: jak stoupají výstupní teploty kompresoru a konstruktéři tlačí na nižší hmotnost motoru, větší část rotujícího a statického hardwaru se převádí z oceli na slitinu titanu.

Slitiny ventilátoru a kompresoru ve velkých turboventilátorech

U jednoho raného amerického turbodmychadlového motoru jsou lopatky nízkotlakého kompresoru spolu s rozpěrkami a ventilem ventilátoru vyrobeny z Ti-6Al-4V; tyto lopatky ventilátoru jsou dlouhé 406 mm, což je asi dvojnásobek délky lopatek kompresoru. V pozdějším turbodmychadle s vysokým obtokem od stejného výrobce jsou lopatky ventilátoru dlouhé 711 mm, což je téměř desetkrát déle než lopatky kompresoru. Titanová slitina představuje 28 % hmotnosti tohoto motoru, asi 1,035 t, z toho 46 lopatek ventilátoru je vyrobeno z Ti-6Al-4V.

Rotor nízkotlakého-kompresoru a devátý stupeň 11-stupňového vysokotlakého kompresoru jsou vyrobeny z Ti-6Al-4V, Ti-8Al-1Mo-1V a Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Poslední z nich odolává provozu při 480 stupních a v motoru je spotřebováno 450 kg. Lopatky statoru jsou vyrobeny ze slitiny Ti-5Al-2,5Sn.

V motoru vyvinutém společně několika zeměmi o hmotnosti 2,2 t tvoří titan 31 % hmotnosti. V britském -vysokotlakém- kompresoru používají stupně 3 až 6 slitinu s vysokou odolností proti tečení- typu Ti-4Al-4Mo-2Sn-0,5Si, zatímco motory japonské výroby používají Ti-6Al-4V pro komponenty ventilátoru a nízkotlakého kompresoru.

Přizpůsobení slitiny motorové stanici

Teplota stoupá krok za krokem prostřednictvím kompresoru, takže výběr slitiny se řídí teplotní mapou spíše než názvem součásti. Slitiny titanu, jako je Ti-6Al-4V, se používají tam, kde teploty zůstávají mírné, blízko -alfa stupňů, jako je Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, přebírají funkci v teplejších zadních stupních vysokotlakého kompresoru a odolné proti tečení s vysokou teplotní zátěží jsou vyhrazeny pro třídy s křemíkovým ložiskem. Tam, kde teplota přesahuje užitečný rozsah titanu, nastupují vysokoteplotní slitiny nebo kompozity a tato přechodová teplota je jedním z klíčových konstrukčních rozhodnutí v motoru.

Praktické důsledky pro dodavatele titanu jsou v každém případě stejné: jakost slitiny, stav tepelného{0}}zpracování, mikrostruktura a úroveň ultrazvukové kvality, to vše musí odpovídat specifikaci příslušné stanice, protože lopatka ventilátoru, kotouč a lopatka statoru jsou kované a kontrolovány podle různých požadavků, i když jsou vyrobeny ze stejné jakosti.

Často kladené otázky

Otázka: Jaký podíl na proudovém motoru tvoří titan?
U jednoho amerického výrobce motorů tvoří díly z titanové slitiny 7 % až 18 % čisté hmotnosti motoru, dřívější proudové motory spotřebovávaly asi 6 %, jeden velký-obtokový turbodmychadlo využívá asi 28 % a společně vyvinutý 2,2 t motor dosahuje 31 %.

Otázka: Která slitina titanu se nejvíce používá v leteckých motorech?
Ti-6Al-4V je nejpoužívanější třída, která se používá na lopatky ventilátorů, rozpěrky a nízkotlaké a vysokotlaké rotory kompresorů.

Otázka: Proč jsou lopatky ventilátoru o tolik delší než lopatky kompresoru?
Protože ventilátor zametá mnohem větší prstenec; u zde popsaných motorů jsou lopatky ventilátoru dlouhé 406 mm a 711 mm, což je zhruba dvojnásobek a téměř desetinásobek délky lopatek kompresoru.

Otázka: Jaký je limit provozní teploty titanu v kompresoru?
Téměř -alfa stupeň, jako je Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, vydrží asi 480 stupňů, a proto se používá pro vyšší stupně vysokotlakého kompresoru.

Otázka: Proč se v některých kompresorech používá křemíková-slitina titanu?
Typy typu Ti-4Al-4Mo-2Sn-0,5Si nabízejí vysokou odolnost proti tečení, proto jsou zvoleny pro stupně 3 až 6 vysokotlakého kompresoru, kde je vysoká teplota i zatížení.

Otázka: Která slitina titanu se používá pro lopatky statoru?
Ti-5Al-2,5Sn se používá pro statický hardware, jako jsou statorové lopatky, kde rozměrová a metalurgická stabilita záleží více než maximální pevnost.