吴小光
DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-4948
摘 要：V2500发动机是IAE公司生产的双转子轴流式发动机，其目前主要服务于空客A320系列客机。V2500投入市场以来，以其高度的可靠性、经济的燃油消耗、较低的废气排放和噪音，迅速获得诸多航空公司的青睐。钛合金作为新型金属材料，在航空业中受到广泛应用，现代燃气涡轮发动机结构质量的20%～35%左右为钛合金。该文通过梳理V2500发动机零件材料信息，以分析钛合金材料在V2500发动机中的使用。
关键词：V2500发动机 推重比 钛合金 阻燃
中图分类号：TG14 V239 文獻标识码：A文章编号：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发动机简介
1.1 背景概况
V2500发动机是IAE公司（International Aero Engines）研制生产的双转子、轴流式、高涵道比涡轮风扇发动机。该机型于1983年9月开始研制，并在1989年5月正式投入使用。V2500发动机具有无凸台宽弦空心的风扇叶片、“浮壁”燃烧室和高效的燃油率三大特点[1]。
V2500发动机是为空客A319、A320、A321客机以及麦道MD-90所设计的中短程客机发动机。其中V表示5家公司合资，包括美国普拉特惠特尼（P&W），英国罗尓斯罗伊斯（RR）、日本航空发动机公司（JAEC）、联邦德国MTU、意大利菲亚特FIAT;2500代表其初始设计推力级别为25 000 lb。目前V2500发动机推力级别在22 000 lb到33 000 lb之间。V2500发动机投入市场之后，以其高度的可靠性、经济的燃油消耗、较低的废气排放和噪音，迅速获得诸多航空公司的青睐。
1.2 发动机结构和单元体划分
V2500发动机从前到后通常分为13个单元体，具体结构和划分请见图1。
1.2.1 1号单元体：风扇单元体Fan Module
风扇单元体为单级轴流式转子组件，由22片风扇叶片和转子毂组成。风扇叶片采用无凸台宽弦空心叶片，叶片表面由钛合金制造，中间填充蜂窝状结构的材料，这样制造的叶片以极轻的重量获得了极大的强度，可以抗击外来物的击伤。该技术由罗尔斯 罗伊斯公司提供，早在RB211发动机上就已使用。
1.2.2 2号单元体：低压压气机单元体LPC Module
低压压气机为4级轴流式单元体（V2500-A1为3级）。其叶片级别从前到后依次为1.5级、2.0级、2.3级、2.5级，压气机后部装有2.5级放气作动系统，用于从低压压气机的后部放气。该机构运转可以使发动机在发动机启动和瞬态运行期间更加稳定。
1.2.3 3号单元体：内齿轮箱和前轴承腔室IGB and FBC
前轴承腔室，其中安装了1号、2号和3号轴承。风扇/LPC转子通过1号和2号轴承固定在适当的位置，3号轴承固定着高压压气机转子的前部。内部变速箱，来自HPC的扭矩通过内部变速箱的锥齿轮和万向传动轴传递给齿轮箱。
1.2.4 4号单元体：风扇机匣和风扇框架Fan Case and Fan frame
风扇框架是具有10个内部和外部支杆的一体式焊接结构。内撑杆固定LPC及其零件，以构成前轴承腔室。风扇机匣为一体式焊接结构，它通过螺栓安装到风扇框架的每个外撑杆上。
1.2.5 5号单元体：高压压气机单元体HPC Module
HPC单元体是10级轴流式压气机，它由转子组件和静子机匣两部分组成。其压气机级分为3～12级。HPC静子机匣有两个主要子组件，HPC前分半机匣和HPC后机匣。HPC前分半机匣包括可调进口导向叶片，3～5级可调静子叶片和6级固定静子叶片。
1.2.6 6号单元体：扩散机匣单元体Diffuser Case Assembly
扩散机匣位于HPC与HPT单元体之间，其内部有燃烧室和4号轴承腔室。
1.2.7 7号单元体：燃烧室单元体Inner & Outer Combustion
燃烧室采用了普拉特·惠特尼公司的浮壁燃烧室技术。燃烧室壁是由金属层板外壳组成的，里面挂有合金扇形块。这些扇形块“浮”在它们和外壳之间的冷空气上。这样的设计提高了冷却效率，消除了压力，并且这些铸件都可以单独更换，因而减少了维修费用。
1.2.8 8号单元体：4号轴承腔室No.4 Bearing Compartment
4号轴承的前腔室与4号轴承和后腔室组装在一起时，形成了一个绝缘的密封区域，用于轴承的润滑、支撑和高温保护。
1.2.9 9号单元体：1级导叶单元体1St Nozzle Guide Vane
1导单元体为发动机内部温度最高的部分，因此其表面采用耐高温的陶瓷涂层，并且有许多冷却空气孔用以提供冷却空气。
1.2.10 10号单元体：高压涡轮单元体HPT Module
高压涡轮单元体为2级轴流式结构。采用三维设计叶形、冷气单晶涡轮叶片和超塑性等温锻造的粉末冶金盘。涡轮外环采用可调主动间隙控制。
1.2.11 11号单元体：低压涡轮单元体LPT Module
低压涡轮单元体为5级轴流式结构。采用三维设计叶形和叶尖主动间隙控制。
1.2.12 12号单元体：排气机匣单元体TEC Module
排气机匣位于LPT单元体后部，此处区域可以采集发动机重要参数排气温度。
1.2.13 13号单元体：齿轮箱单元体EGB Module
齿轮箱主要由主齿轮箱和角齿轮箱组成，上面连接诸多附件。
2 钛合金在航空发动机中的应用
航空发动机被称为飞机的心脏，是飞机的动力之源。航空发动机的一个重要的性能指标是推重比，即发动机产生的推力与其本身的质量之比。推重比的显著提升，就会催生新一代的发动机的产生。想要提高发动机推重比有两个途径，一是增大发动机的推力，二是给发动机减重。要让发动机轻量化，就需要开发使用更轻质的材料。航空发动机的工作环境比较特殊，需要面对高温、高压，甚至高强度冲击的各种条件，并不是任何轻量化材料都能使用。
随着科学技术的不断发展，新的材料如雨后春笋一般出现，一些尖端材料被应用于飞速发展的航空制造业。钛合金具有高比强度、较宽的工作温度范围和优异的腐蚀抗力等突出特性，因而作为一种更新的结构材料取代了铝合金、镁合金和钢铁在航空发动机上的应用[2]。现代燃气涡轮发动机结构质量的20%～35%左右为钛合金，除镍基超合金以外，钛合金是优异的发动机材料。早在20世纪50年代初期，美国普惠公司和英国的罗罗公司生产的早期喷气式发动机就使用了钛合金。从此，钛合金在航空发动机领域的用量稳定增长。钛合金由于其具有良好的强度、塑性、韧性、蠕变性能和疲劳性能，被广泛应用于结构复杂、受力状态严峻的航天航空结构件，如飞机发动机的压气机叶片、飞机的表面蒙皮、发动机机匣等零件[3]。
航空业一直是钛合金市场的巨大用户，因此航空业的发展对钛合金的研究、生产和应用起到至关重要的作用。同样，衡量一个国家航空业发展水平的一个重要标准就是航空用钛的百分比。随着我国国民经济的不断发展和大飞机、发动机计划的启动，先进大飞机及其发动机对高效率、高性能、低成本、低污染提出了极高的要求，这也为先进航空钛合金材料和热工艺发展提供了强大的驱动力。
最早问世同时也是最经典的钛合金代表是Ti-6Al-4V，其设计使用温度最高可达350 ℃，由于该材料不仅具有耐高温性，还具有十分优良的塑性加工性能，因此Ti-6Al-4V一经发现便被广泛应用[4]。压气机叶片是最早的钛合金发动机部件，后来出现了钛合金压气机盘。现代喷气式发动机的大型前端风扇叶片也是钛合金制成的，由于风扇叶片和压气机盘都在低温下使用，从而常常采用Ti-6Al-4V合金制成。而高压压气机部分采用近α型高温钛合金。近α型高温钛合金的最高使用温度为540 ℃左右，完全能够满足高压压气机的使用需求。但用作旋轉部件时，钛合金由于具有易燃倾向，剧烈摩擦和冲击是产生钛火的主要原因。钛合金属于热的不良导体，摩擦和冲击所产生的热量难以在短时间内散失，而温度的骤升会引发钛火[5]。针对航空发动中钛合金制件的易燃问题，在钛合金制件表面添加防钛火涂层能够有效降低发动机发生钛火的概率，是应用最广泛的防钛火方案[6]。阻燃钛合金的研发和使用有望可以从根本上解决钛合金易于起火燃烧的问题。Pratt&Whitney研制了一种称为Alloy C （Ti-35V-15Cr）的高稳定性阻燃β型合金，现在已用于F-22战斗机的F119发动机用压气机挡板、增压器及喷嘴等部件。但该阻燃钛合金含有大量贵金属元素V，导致成本较高，限制了其应用前景。
3 钛合金在V2500航空发动机中的应用
V2500发动机1983年开始研发，1989年投入使用，其钛合金用量达到31%。通过查阅零件信息可以发现，发动机外部的管路、支架、冷却器等诸多零件均采用钛合金制造;发动机内部的风扇、低压压气机、风扇机匣等诸多部件也均采用钛合金制造。具体信息如下。
3.1 风扇单元体
风扇单元体位于发动机最前端，工作温度和空气压力均较低，因此该单元体大部分零件均由钛合金制造。其主要包括风扇叶片、风扇叶片前后保持环、风扇毂等高价值零件。
3.2 低压压气机单元体
低压压气机单元体位于风扇后端，该单元体工作温度和空气压力也较低，因此该单元体大部分零件也均由钛合金制造。其主要包括低压转子中心轴、低压压气机1.5～2.5转子毂、低压压气机1.5～2.3级静子、低压压气机1.5～2.5级转叶等高价值零件。
3.3 内齿轮箱及前轴承腔室
1、2、3号轴承均位于该单元体内。钛合金零件包括：轴承支撑、轴承壳体、轴承封严等高价值零件。但轴承本身由于其高速旋转，因此并不是钛合金制造。
3.4 风扇机匣单元体
风扇机匣是发动机最重的零件，支撑起发动机的整体框架。该单元体钛合金零件包括风扇机匣、风扇框架等高价值零件。
3.5 高压压气机单元体
高压压气机单元体分为3～12级，共10级。其中前3～8级转子及VSV可调静子叶片均为钛合金。该单元体钛合金零件包括高压压气机3～8级毂、3～8级转子叶片、高压压气机防涡管、高压压气机前机匣、VSV可调静子叶片等高价值零件。
3.6 4号轴承单元体
4号轴承单元体工作温度已经较高，钛合金零件较少，并且之后的燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、排气机匣等单元体工作温度极高，未使用钛合金。该单元体钛合金零件包括4号轴承前封严支撑、4号轴承封严座等高价值零件。
3.7 外部件
发动机外部的管路、支架、放气活门、冷却涵管等零件工作温度较低且质量体积较大，为减轻发动机重量，这些零件均由钛合金制造。其主要包括风扇机匣外部燃油控制管路、低涡主动间隙控制冷却空气管、高压压气机7/10级放气活门涵管、竖琴部位发动机压力滑油管等高价值零件。
通过以上统计信息可以发现，V2500发动机钛合金零件主要集中于发动机前部及外部工作温度较低的位置，从高压压气机后几级开始，温度和压力明显升高，受到工作温度、价格昂贵、钛火等因素影响，钛合金零件已经鲜有使用。钛合金零件使用范围涵盖管路、支架、涵管、转子叶片、静子叶片、转子毂、机匣、轴承支撑等诸多零件，零件总价超过750万美元，V2500新发价格约为1 500万美元，由此可见钛合金在V2500发动机中的重要应用。
参考文献
[1] 王姚杰.V2500航空涡扇发动机P4.9管路断裂失效分析[D].華东理工大学，2017.
[2] 施晓萌.航空叶片用钛合金外物损伤、组织变化及其疲劳特性[D].江苏大学，2019.
[3] 郭涛.某航空发动机钛合金整体盘轴加工工艺研究[D].大连理工大学，2019.
[4] 林斌.一种新型近α型航空钛合金的位错组织及失效行为研究[D].哈尔滨工业大学，2020.
[5] 刘若愚.航空发动机防钛火耐腐蚀封严材料的制备与性能研究[D].中国科学院大学（中国科学院过程工程研究所），2020.
[6] 杨雯清.Ti-14Cu阻燃合金燃烧机理研究[D].长安大学，2018.
