Titanove zlitine v letalskih motorjih: uporaba ventilatorjev in kompresorjev ter izbira kakovosti

Zakaj je titan pomemben v letalskih motorjih

Motor je tisto, kar letalu daje potisk, materiali, izbrani za ta motor, pa odločajo, koliko potiska je mogoče proizvesti za določeno težo. Jeklo je še vedno bistvenega pomena, vendar sodoben motor temelji tudi na aluminijevih zlitinah, titanovih zlitinah, kompozitih in-zlitinah za visoke temperature. Ker se je učinkovitost titana izboljšala in cena titana je padla, se je njegov delež v masi motorja iz leta v leto povečeval, uporabljena količina pa se precej razlikuje med državami, proizvajalci, modeli motorjev in posameznimi oblikami.

Reaktivni motorji so glavna uporaba titana. Pri enem ameriškem proizvajalcu motorjev deli iz titanove zlitine predstavljajo 7 do 18 % neto mase motorja, medtem ko je zgodnji turboreaktivni turboreaktivec v ZDA iz petdesetih let prejšnjega stoletja uporabljal približno 6 % titana.

Vsebnost titana v reaktivnih motorjih

Pri enem zelo razširjenem ameriškem turboreaktivnem motorju je bil 17-stopenjski rotor prvotno izdelan iz nerjavečega jekla, kasneje pa je bil spremenjen v 11-stopenjski disk iz titanove zlitine. Kasnejša različica tega motorja je uporabila 20 % mase titanove zlitine v primerjavi s samo 4 % v prejšnji različici – petkratno povečanje, doseženo predvsem z zamenjavo jeklenih komponent v kompresorju.

Smer potovanja je enaka v celotni panogi: ko se izhodne temperature kompresorja dvignejo in ko si oblikovalci prizadevajo za nižjo težo motorja, se več vrteče in statične strojne opreme pretvori iz jekla v titanovo zlitino.

Zlitine ventilatorjev in kompresorjev v velikih turboventilatorjih

Pri enem zgodnjem ameriškem turboventilatorskem motorju so lopatice ventilatorja nizkotlačnega-kompresorja skupaj z distančniki in ventilom ventilatorja izdelane iz Ti-6Al-4V; te lopatice ventilatorja so dolge 406 mm, kar je približno dvakrat več kot lopatice kompresorja. V kasnejšem turboventilatorju z visokim obvodom istega proizvajalca so lopatice ventilatorja dolge 711 mm, kar je skoraj desetkrat več kot lopatice kompresorja. Titanova zlitina predstavlja 28 % mase tega motorja, približno 1,035 t, od tega je 46 lopatic ventilatorja izdelanih iz Ti-6Al-4V.

Rotor nizkotlačnega-kompresorja in deveta stopnja 11-stopenjskega visokotlačnega kompresorja sta izdelana iz Ti-6Al-4V, Ti-8Al-1Mo-1V in Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Zadnji od teh zdrži delovanje pri 480 stopinjah, 450 kg pa se ga porabi v motorju. Statorske lopatice so izdelane iz zlitine Ti-5Al-2,5Sn.

V motorju, ki ga je skupaj razvilo več držav in tehta 2,2 t, titan predstavlja 31 % mase. V-visokotlačnem-kompresorju, zasnovanem v Združenem kraljestvu, stopnje 3 do 6 uporabljajo zlitino-z visoko odpornostjo proti lezenju tipa Ti-4Al-4Mo-2Sn-0,5Si, medtem ko japonski motorji uporabljajo Ti-6Al-4V za komponente ventilatorja in nizkotlačnega kompresorja.

Ujemanje zlitine z motorno postajo

Temperatura skozi kompresor narašča postopoma, zato izbira zlitine sledi temperaturni karti in ne imenu komponente. Titanove zlitine, kot je Ti-6Al-4V, se uporabljajo tam, kjer so temperature zmerne, stopnje blizu-alfa, kot je Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, prevzamejo vlogo v bolj vročih zadnjih stopnjah visokotlačnega kompresorja, stopnje, odporne proti lezenju, ki vsebujejo silicij, pa so rezervirane za stopnje, ki združujejo visoke temperature s trajno obremenitvijo. Kjer temperatura presega uporabno območje titana, prevzamejo visokotemperaturne zlitine ali kompoziti in ta prehodna temperatura je ena ključnih konstrukcijskih odločitev v motorju.

Praktične posledice za dobavitelja titana so v vsakem primeru enake: stopnja zlitine, pogoji toplotne -obdelave, mikrostruktura in raven ultrazvočne kakovosti se morajo uskladiti s specifikacijo zadevne postaje, ker so lopatica ventilatorja, disk in statorska lopatica kovani in pregledani v skladu z različnimi zahtevami, tudi če so izdelani iz istega razreda.

Pogosto zastavljena vprašanja

V: Kolikšen delež reaktivnega motorja predstavlja titan?
Pri enem ameriškem proizvajalcu motorjev deli iz titanove zlitine predstavljajo od 7 % do 18 % neto mase motorja, zgodnji turboreaktivni motorji so porabili približno 6 %, en velik visoko{3}}obvodni turboventilator porabi približno 28 %, skupno razvit motor 2,2 t pa doseže 31 %.

V: Katera titanova zlitina se največ uporablja v letalskih motorjih?
Ti-6Al-4V je najbolj razširjena kakovost, ki se uporablja za lopatice ventilatorjev, distančnike ter rotorje nizkotlačnih in visokotlačnih kompresorjev.

V: Zakaj so lopatice ventilatorja toliko daljše od lopatic kompresorja?
Ker ventilator pometa veliko večji obroč; pri motorjih, opisanih tukaj, so lopatice ventilatorja dolge 406 mm in 711 mm, kar je približno dva oziroma skoraj desetkratna dolžina lopatic kompresorja.

V: Kakšna je mejna delovna temperatura titana v kompresorju?
Razred blizu-alfa, kot je Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, lahko prenese približno 480 stopinj, zato se uporablja za višje stopnje visokotlačnega kompresorja.

V: Zakaj se v nekaterih kompresorjih uporablja-titanova zlitina, ki vsebuje silicij?
Razredi tipa Ti-4Al-4Mo-2Sn-0,5Si ponujajo visoko odpornost proti lezenju, zato so izbrani za stopnje 3 do 6 visokotlačnega kompresorja, kjer sta temperatura in obremenitev visoki.

V: Katera titanova zlitina se uporablja za statorske lopatice?
Ti-5Al-2,5Sn se uporablja za statično strojno opremo, kot so statorske lopatice, kjer sta dimenzijska in metalurška stabilnost pomembnejša od konične trdnosti.