航空发动机用钛合金外部管路设计及工艺研究.pdf

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1、技术革新TECHNOLOGYINNO、，ATION航空发动机用钛合金外部管路设计及工艺研究ResearchonDesignandProcessofExternalTitaniumAlloyTubeforAeroengine中航工业沈阳发动机设计研究所孙博邱明星田静石峰孙博2007年毕业于北京航空航天大学能源与动力工程学院。同年进入中国航空工业集团沈阳发动机设计研究所航机总体设计一部。从事航空发动机总体结构和外部结构设计工作。工作期间。开展了大量航空发动机外部结构设计工作，同时针对钛合金管路在航空发动机上的结构设计和试验验证开展了研究。初步摸清了钛合金管路在航空发动机上的结构设计

2、和试验方法。为钛合金管路国内首次在航空发动机上应用做出了贡献。发动机的推重比是衡量发动机综合性能的重要指标。为减轻发动机重量，各个部件均需发展轻比重、高比强材料。一般现役航空涡扇发动机上外部管路系统重量占发动机124航空制造技术·2015年第23／24期航空发动机外部管路系统是航空发动机极为重要的组成部分，承载着发动机运转所需的燃油、滑油、空气等介质。为发动机组织燃烧、传动润滑、密封、系统控制及状态监控等重要功能提供保障。是发动机的血管和神经。传统发动机上外部管路系统均采用不锈钢材料，重量较大；相比之下，以钛合金管路为代表的新材料和新工艺在航空发动机上行的应用及其结构设计。对新

3、一代发动机提高推重比，提高发动机整体性能。意义重大oDOI：10．16080巧．issnl671-833x．2015．23／24．124外部结构总重量的60％。70％，随着新一代航空发动机对推重比要求的提高，减轻外部管路重量以减轻发动机重量变得更加迫切和意义重大。美、俄等国家已在航空发动机使用钛合金外部管路，但其技术细节及结构设计方法一直对外封锁。虽然国内飞机制造业在部分机型上使用了钛合金导管，但因飞机与发动机在管路敷设空间及管路使用环境等方面均有较大差别，航空发动机面对的环境更为苛刻，所以钛合金外部管路在航空发动机上的使用仍需要突破结构设计和加工制造等一系列技术难题。由于国内

4、相关技术储备较少，以往航空发动机尚无采用钛合金导管的先例。在新一代发动机对重量要求的迫切需求牵引下，国内各院所对钛合金管路系统的结构设计和加工制造开展了大量研究和试验工作，取得了多项突破性进展，实现了钛合金导管在国内航空发动机上的应用。航空发动机外部管路系统特点与其他航天器相比，航空发动机外部管路系统有以下『1．个特点：数量多且空间小。航空发动机外部庞大的管路数量和狭小的敷设空间一直是外部管路设计的主要矛盾之一，对于军用发动机该矛盾则更为突出。外部管路既要保持不超过发动机舱的限制轮廓，又要在发动机自身附件之间和夹缝中穿行，管路间的距离往往以几毫米计算。这样的敷设环境导致管路上的

5、弯曲数量多，转弯半径小。对于延展性和塑性大大低于普通不锈钢材料的钛合金管材来说，如何确定转弯数量及弯曲半径是钛合金结构设计中的难点之一。图l为国外某军用航空发动机外部管路局部形貌，由此可看出管路敷设的密集程度。温度、压力、振动环境复杂。航空发动机本身为高温、高压和高振动部件，其外部管路承载介质的压力、温度均较高，且发动机自身运转时形成的高频振动对管路系统的振动特陛会产生明显影响，加之与管路内流动介质形成的流固耦合现象以及管路间的相互交联，使管路系统的振动更为复杂。对于缺口敏感性较高的钛合金材料、如何解决管路的振动问题是外部管路结构设计的另一必须考虑因素。钛合金外部管路结构设计方

6、法1钛合金管路的使用环境如前文所述，正是因为发动机外部环境对管路敷设的要求极为苛刻和复杂，因此在采用钛合金等新材料和新工艺开展外部管路结构设计时，更加需要审慎考量钛合金管路所处的使用环境，在确定钛合金管路系统使用环境时，既要考虑材料自身的力学性能，也要考虑管路系统的结构特点，同时还要兼顾工程上的技术成熟度、结构可靠性和经济可接受性。根据钛合金结构设计中所开展的试验和以往的设计经验，钛合金管路使用环境总结见表l。需要说明的是，表1中总结的各项参数是以材料本身的力学特性和当前研究工作所取得的成果为基础。随着未来材料性能的提升和研究认识水平的提高，钛合金管路在航空发动机上的应用范围也

7、会随之扩大。表1航空发动机外部钛合金管路使用环境2管材的弯曲成形设计2．1管材材料的选取结合美、俄两国在航空发动机上使用钛合金管材的经验，本文针对TAl6和TAl8钛合金管材进行了研究。TAl6管材为仿俄制兀T_7M管材，TAl8管材为仿美制Ti-3Al一2．5V图1国外某发动机外部管路局部形貌管材，均为退火状态供应，这两种管材分别在俄制航空发动机和美制航空发动机上有较广泛应用。从钛合金管材材料性能上看，相对于已经广泛应用的不锈钢管材，钛合金管材虽然具有比强度高的特点，但其塑性较差，常温成形