【摘要】：軍用直升機在沙漠環(huán)境飛行過程中,含有砂塵的空氣吸入發(fā)動機,會與壓氣機轉(zhuǎn)子葉片以較高的相對速度發(fā)生碰撞,產(chǎn)生砂塵沖蝕現(xiàn)象,嚴重影響到飛行器飛行安全。因此開展TC4材料受砂塵高速連續(xù)沖蝕的試驗與仿真分析研究,對防止由沖蝕損傷引發(fā)的飛行事故具有重要的意義。本文圍繞壓氣機葉片材料的砂塵沖蝕問題進行了研究,主要研究內(nèi)容和結(jié)論包括以下四個方面:(1)對高速連續(xù)沖蝕試驗系統(tǒng)進行設(shè)計與搭建工作。對關(guān)鍵部件基于拉瓦爾管的高速噴砂槍和精確連續(xù)供砂裝置進行設(shè)計,對高速連續(xù)沖蝕試驗系統(tǒng)中的氣源系統(tǒng)、試驗件夾持裝置、拍攝系統(tǒng)和排砂裝置進行選取和搭建。(2)對高速連續(xù)沖蝕試驗系統(tǒng)進行性能標(biāo)定與功能測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn):連續(xù)供砂系統(tǒng)滿足下砂精確可調(diào)的指標(biāo)要求;在最大輸入壓力下,砂塵平均沖蝕速度可達323m/s,滿足TC4平板受高速砂塵連續(xù)沖蝕試驗研究的指標(biāo)要求;輸入壓力與主氣流管道總壓一致,試驗系統(tǒng)密封性良好;高速噴砂槍工作壽命約為15h;(3)開展TC4平板連續(xù)沖蝕試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨沖蝕角度的遞增,其質(zhì)量沖蝕率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,峰值出現(xiàn)在45°左右;沖蝕率隨沖蝕速度的增加呈指數(shù)性增長;隨沖蝕時間的增大,沖蝕率接近一種指數(shù)增長;(4)開展TC4式樣沖蝕仿真研究,并與沖蝕試驗結(jié)果進行比對,結(jié)果發(fā)現(xiàn):不同沖蝕角度造成的損傷形貌不同,30°時砂塵沖蝕以切削為主,45°時砂塵沖蝕包括切削和擠壓導(dǎo)致沖蝕率最高;角度繼續(xù)增大堆積物高度增加但切削效果減弱,擠壓效果增強,出現(xiàn)塑性硬化規(guī)律;90°時砂塵沖蝕以擠壓為主,沖蝕率最低。本文通過設(shè)計高速連續(xù)沖蝕試驗系統(tǒng),開展試驗與仿真研究,揭示TC4材料受砂塵沖蝕損傷的規(guī)律,以更進一步增進葉片材料去除過程的認識,為后續(xù)抗沖蝕技術(shù)的研究打下理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V275.1;V263.3
【圖文】：

有的學(xué)者也稱為侵蝕或磨蝕，是指材料受小且松散的流動粒子沖擊材料表面造成破壞的一種磨損現(xiàn)象，流動粒子的直徑一般小于 1000μm，粒子速度小于 500m/s，速度大于500m/s 所造成的破壞稱為外物損傷。在沖蝕過程中粒子通常比被沖蝕物硬度大，然而在高流速狀態(tài)下，硬度較軟的粒子包括水滴同樣會對材料造成破壞。沖蝕磨損一般分為氣固型沖蝕、液滴沖蝕、漿體沖蝕和氣蝕沖蝕[2]，按沖蝕磨損的類型進行分類，并列出損壞實例，如表 1.1 所示。表 1. 1 沖蝕磨損分類及實例沖蝕類型 介質(zhì) 攜帶粒子 損傷實例氣固沖蝕氣體固體粒子 航空發(fā)動機葉片、煙氣輪機液滴沖蝕 液滴 高速飛行器、水機葉片漿體沖蝕液體固體粒子 泥漿泵輪、水輪機葉片氣蝕沖蝕 氣泡 輪機葉片、高壓閥門密封面航空發(fā)動機在砂塵環(huán)境下工作，砂塵沖蝕是最常遇到的磨損類型，這種沖蝕屬于氣固沖蝕磨損中的一種。美軍標(biāo)對這種砂塵沖蝕有如下定義：在一定速度和粒徑范圍內(nèi)，松散的砂塵掠過材料表面時對其造成的持續(xù)性的磨損現(xiàn)象[3]。砂塵被高速氣流攜帶進入發(fā)動機，發(fā)動機尤其是壓氣機會吸入大量的砂塵，這就在直升機或運輸機在沙漠等環(huán)境惡劣的地帶起降過程中，砂塵沖蝕對飛機性能造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，并威脅人身與財產(chǎn)安全，如圖 1.1 所示。

機的工作性能，并帶來嚴重的結(jié)構(gòu)完整性問題。在越南戰(zhàn)爭[4]中，由于起飛，發(fā)動機使用壽命大大減少；在阿富汗戰(zhàn)爭中，俄軍的 Mi-17 直升機在砂塵的 TB3-117 渦軸發(fā)動機 12 級軸流壓氣機葉片出現(xiàn)嚴重的幾何變形以及結(jié)構(gòu)動機雖然裝備了進氣防護裝置，但卻未能發(fā)揮設(shè)想的砂塵防護作用，壓氣機、斷裂故障，導(dǎo)致發(fā)動機使用壽命大幅縮短，危害了飛行安全。美軍裝備的行運輸和攻擊任務(wù)時，其 T53 型渦軸發(fā)動機壓氣機葉片出現(xiàn)嚴重的幾何變形，導(dǎo)致發(fā)動機功率下降、葉片裂紋等故障。不得不提前更換發(fā)動機，維修間均壽命大幅縮短[5]。沖蝕嚴重影響航空發(fā)動機性能和可靠性，其主要影響表現(xiàn)在物理和化學(xué)兩個機的磨損，穿透裂紋、軸承密封處和各種電器儀表的結(jié)合部等位置出現(xiàn)裂紋不良、產(chǎn)品損壞等稱為物理作用。本文主要研究物理方面，化學(xué)方面不做涉表明[6-12]，轉(zhuǎn)子葉片遭受砂塵沖蝕后，會極大地破壞葉片前緣、葉尖和后緣的會增大葉片的表面粗糙度，增大葉尖與機匣之間的間隙，葉片前緣彎曲、厚以及撓曲變形等結(jié)構(gòu)損傷進而導(dǎo)致葉片的強度減弱，如圖 1.2-1.3 所示。為更領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，開展高速砂塵連續(xù)沖蝕研究顯得十分迫切和重要。

圖 1. 3 沖蝕引起葉片的損傷形式[13]高速砂塵連續(xù)沖蝕研究對于預(yù)測壓氣機轉(zhuǎn)子葉片在工作轉(zhuǎn)速下受砂塵的沖蝕損傷程度十分重要。若要通過搭建真實壓氣機轉(zhuǎn)子葉盤在工作轉(zhuǎn)速下受砂塵沖蝕試驗臺的代價不菲且無法控制試驗變量，不是研究沖蝕機理的理想途徑。因此研究和設(shè)計新型固體顆粒沖蝕磨損試驗系統(tǒng)用以評價材料抗沖蝕性能由為重要。本課題的提出正是為了解決這個問題。通過搭建一整套高速連續(xù)沖蝕試驗系統(tǒng)，開展 TC4 平板受高速砂塵連續(xù)沖蝕的試驗與仿真研究，可用于評價實際條件下葉片的損傷情況，進而對沖蝕的損傷規(guī)律進行分析，以更進一步增進葉片材料去除過程的認識，為后續(xù)抗沖蝕技術(shù)的研究打下理論基礎(chǔ)。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 沖蝕試驗方法研究現(xiàn)狀搭建相應(yīng)的沖蝕磨損裝置是采用試驗法研究沖蝕磨損特性的重要基礎(chǔ)，在試驗室中設(shè)計沖蝕磨損試驗臺的原則是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟適用等，其試驗參數(shù)如沖蝕角度、沖蝕速度、粒子種類、沖蝕溫度等應(yīng)盡量接近實際工作狀況。沖蝕磨損試驗臺按介質(zhì)流

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