【摘要】：軍用直升機(jī)在沙漠環(huán)境飛行過(guò)程中,含有砂塵的空氣吸入發(fā)動(dòng)機(jī),會(huì)與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片以較高的相對(duì)速度發(fā)生碰撞,產(chǎn)生砂塵沖蝕現(xiàn)象,嚴(yán)重影響到飛行器飛行安全。因此開(kāi)展TC4材料受砂塵高速連續(xù)沖蝕的試驗(yàn)與仿真分析研究,對(duì)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(jī)葉片材料的砂塵沖蝕問(wèn)題進(jìn)行了研究,主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論包括以下四個(gè)方面:(1)對(duì)高速連續(xù)沖蝕試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與搭建工作。對(duì)關(guān)鍵部件基于拉瓦爾管的高速?lài)娚皹尯途_連續(xù)供砂裝置進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)高速連續(xù)沖蝕試驗(yàn)系統(tǒng)中的氣源系統(tǒng)、試驗(yàn)件夾持裝置、拍攝系統(tǒng)和排砂裝置進(jìn)行選取和搭建。(2)對(duì)高速連續(xù)沖蝕試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行性能標(biāo)定與功能測(cè)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(dá)323m/s,滿足TC4平板受高速砂塵連續(xù)沖蝕試驗(yàn)研究的指標(biāo)要求;輸入壓力與主氣流管道總壓一致,試驗(yàn)系統(tǒng)密封性良好;高速?lài)娚皹尮ぷ鲏勖s為15h;(3)開(kāi)展TC4平板連續(xù)沖蝕試驗(yàn)。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(shì),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(zhǎng);隨沖蝕時(shí)間的增大,沖蝕率接近一種指數(shù)增長(zhǎng);(4)開(kāi)展TC4式樣沖蝕仿真研究,并與沖蝕試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),結(jié)果發(fā)現(xiàn):不同沖蝕角度造成的損傷形貌不同,30°時(shí)砂塵沖蝕以切削為主,45°時(shí)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(qiáng),出現(xiàn)塑性硬化規(guī)律;90°時(shí)砂塵沖蝕以擠壓為主,沖蝕率最低。本文通過(guò)設(shè)計(jì)高速連續(xù)沖蝕試驗(yàn)系統(tǒng),開(kāi)展試驗(yàn)與仿真研究,揭示TC4材料受砂塵沖蝕損傷的規(guī)律,以更進(jìn)一步增進(jìn)葉片材料去除過(guò)程的認(rèn)識(shí),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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：V275.1;V263.3
【圖文】：

有的學(xué)者也稱(chēng)為侵蝕或磨蝕，是指材料受小且松散的流動(dòng)粒子沖擊材料表面造成破壞的一種磨損現(xiàn)象，流動(dòng)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(chēng)為外物損傷。在沖蝕過(guò)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(huì)對(duì)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(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，并列出損壞實(shí)例，如表 1.1 所示。表 1. 1 沖蝕磨損分類(lèi)及實(shí)例沖蝕類(lèi)型 介質(zhì) 攜帶粒子 損傷實(shí)例氣固沖蝕氣體固體粒子 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、煙氣輪機(jī)液滴沖蝕 液滴 高速飛行器、水機(jī)葉片漿體沖蝕液體固體粒子 泥漿泵輪、水輪機(jī)葉片氣蝕沖蝕 氣泡 輪機(jī)葉片、高壓閥門(mén)密封面航空發(fā)動(dòng)機(jī)在砂塵環(huán)境下工作，砂塵沖蝕是最常遇到的磨損類(lèi)型，這種沖蝕屬于氣固沖蝕磨損中的一種。美軍標(biāo)對(duì)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(guò)材料表面時(shí)對(duì)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(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是壓氣機(jī)會(huì)吸入大量的砂塵，這就在直升機(jī)或運(yùn)輸機(jī)在沙漠等環(huán)境惡劣的地帶起降過(guò)程中，砂塵沖蝕對(duì)飛機(jī)性能造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，并威脅人身與財(cái)產(chǎn)安全，如圖 1.1 所示。

機(jī)的工作性能，并帶來(lái)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)完整性問(wèn)題。在越南戰(zhàn)爭(zhēng)[4]中，由于起飛，發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命大大減少；在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中，俄軍的 Mi-17 直升機(jī)在砂塵的 TB3-117 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī) 12 級(jí)軸流壓氣機(jī)葉片出現(xiàn)嚴(yán)重的幾何變形以及結(jié)構(gòu)動(dòng)機(jī)雖然裝備了進(jìn)氣防護(hù)裝置，但卻未能發(fā)揮設(shè)想的砂塵防護(hù)作用，壓氣機(jī)、斷裂故障，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命大幅縮短，危害了飛行安全。美軍裝備的行運(yùn)輸和攻擊任務(wù)時(shí)，其 T53 型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片出現(xiàn)嚴(yán)重的幾何變形，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、葉片裂紋等故障。不得不提前更換發(fā)動(dòng)機(jī)，維修間均壽命大幅縮短[5]。沖蝕嚴(yán)重影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性，其主要影響表現(xiàn)在物理和化學(xué)兩個(gè)機(jī)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(chēng)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(huì)極大地破壞葉片前緣、葉尖和后緣的會(huì)增大葉片的表面粗糙度，增大葉尖與機(jī)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(jìn)而導(dǎo)致葉片的強(qiáng)度減弱，如圖 1.2-1.3 所示。為更領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，開(kāi)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(duì)于預(yù)測(cè)壓氣機(jī)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(guò)搭建真實(shí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉盤(pán)在工作轉(zhuǎn)速下受砂塵沖蝕試驗(yàn)臺(tái)的代價(jià)不菲且無(wú)法控制試驗(yàn)變量，不是研究沖蝕機(jī)理的理想途徑。因此研究和設(shè)計(jì)新型固體顆粒沖蝕磨損試驗(yàn)系統(tǒng)用以評(píng)價(jià)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(gè)問(wèn)題。通過(guò)搭建一整套高速連續(xù)沖蝕試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展 TC4 平板受高速砂塵連續(xù)沖蝕的試驗(yàn)與仿真研究，可用于評(píng)價(jià)實(shí)際條件下葉片的損傷情況，進(jìn)而對(duì)沖蝕的損傷規(guī)律進(jìn)行分析，以更進(jìn)一步增進(jìn)葉片材料去除過(guò)程的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)抗沖蝕技術(shù)的研究打下理論基礎(chǔ)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 沖蝕試驗(yàn)方法研究現(xiàn)狀搭建相應(yīng)的沖蝕磨損裝置是采用試驗(yàn)法研究沖蝕磨損特性的重要基礎(chǔ)，在試驗(yàn)室中設(shè)計(jì)沖蝕磨損試驗(yàn)臺(tái)的原則是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)適用等，其試驗(yàn)參數(shù)如沖蝕角度、沖蝕速度、粒子種類(lèi)、沖蝕溫度等應(yīng)盡量接近實(shí)際工作狀況。沖蝕磨損試驗(yàn)臺(tái)按介質(zhì)流

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本文編號(hào)：2760136