TC4平板受砂尘高速冲蚀试验方法与损伤规律研究

发布时间：2020-07-18 00:29

【摘要】：军用直升机在沙漠环境飞行过程中,含有砂尘的空气吸入发动机,会与压气机转子叶片以较高的相对速度发生碰撞,产生砂尘冲蚀现象,严重影响到飞行器飞行安全。因此开展TC4材料受砂尘高速连续冲蚀的试验与仿真分析研究,对防止由冲蚀损伤引发的飞行事故具有重要的意义。本文围绕压气机叶片材料的砂尘冲蚀问题进行了研究,主要研究内容和结论包括以下四个方面:(1)对高速连续冲蚀试验系统进行设计与搭建工作。对关键部件基于拉瓦尔管的高速喷砂枪和精确连续供砂装置进行设计,对高速连续冲蚀试验系统中的气源系统、试验件夹持装置、拍摄系统和排砂装置进行选取和搭建。(2)对高速连续冲蚀试验系统进行性能标定与功能测试。结果发现:连续供砂系统满足下砂精确可调的指标要求;在最大输入压力下,砂尘平均冲蚀速度可达323m/s,满足TC4平板受高速砂尘连续冲蚀试验研究的指标要求;输入压力与主气流管道总压一致,试验系统密封性良好;高速喷砂枪工作寿命约为15h;(3)开展TC4平板连续冲蚀试验。结果发现:随冲蚀角度的递增,其质量冲蚀率呈现出先增大后减小的趋势,峰值出现在45°左右;冲蚀率随冲蚀速度的增加呈指数性增长;随冲蚀时间的增大,冲蚀率接近一种指数增长;(4)开展TC4式样冲蚀仿真研究,并与冲蚀试验结果进行比对,结果发现:不同冲蚀角度造成的损伤形貌不同,30°时砂尘冲蚀以切削为主,45°时砂尘冲蚀包括切削和挤压导致冲蚀率最高;角度继续增大堆积物高度增加但切削效果减弱,挤压效果增强,出现塑性硬化规律;90°时砂尘冲蚀以挤压为主,冲蚀率最低。本文通过设计高速连续冲蚀试验系统,开展试验与仿真研究,揭示TC4材料受砂尘冲蚀损伤的规律,以更进一步增进叶片材料去除过程的认识,为后续抗冲蚀技术的研究打下理论基础。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V275.1;V263.3
【图文】：

有的学者也称为侵蚀或磨蚀，是指材料受小且松散的流动粒子冲击材料表面造成破坏的一种磨损现象，流动粒子的直径一般小于 1000μm，粒子速度小于 500m/s，速度大于500m/s 所造成的破坏称为外物损伤。在冲蚀过程中粒子通常比被冲蚀物硬度大，然而在高流速状态下，硬度较软的粒子包括水滴同样会对材料造成破坏。冲蚀磨损一般分为气固型冲蚀、液滴冲蚀、浆体冲蚀和气蚀冲蚀[2]，按冲蚀磨损的类型进行分类，并列出损坏实例，如表 1.1 所示。表 1. 1 冲蚀磨损分类及实例冲蚀类型 介质 携带粒子 损伤实例气固冲蚀气体固体粒子 航空发动机叶片、烟气轮机液滴冲蚀 液滴 高速飞行器、水机叶片浆体冲蚀液体固体粒子 泥浆泵轮、水轮机叶片气蚀冲蚀 气泡 轮机叶片、高压阀门密封面航空发动机在砂尘环境下工作，砂尘冲蚀是最常遇到的磨损类型，这种冲蚀属于气固冲蚀磨损中的一种。美军标对这种砂尘冲蚀有如下定义：在一定速度和粒径范围内，松散的砂尘掠过材料表面时对其造成的持续性的磨损现象[3]。砂尘被高速气流携带进入发动机，发动机尤其是压气机会吸入大量的砂尘，这就在直升机或运输机在沙漠等环境恶劣的地带起降过程中，砂尘冲蚀对飞机性能造成不可逆转的破坏，并威胁人身与财产安全，如图 1.1 所示。

机的工作性能，并带来严重的结构完整性问题。在越南战争[4]中，由于起飞，发动机使用寿命大大减少；在阿富汗战争中，俄军的 Mi-17 直升机在砂尘的 TB3-117 涡轴发动机 12 级轴流压气机叶片出现严重的几何变形以及结构动机虽然装备了进气防护装置，但却未能发挥设想的砂尘防护作用，压气机、断裂故障，导致发动机使用寿命大幅缩短，危害了飞行安全。美军装备的行运输和攻击任务时，其 T53 型涡轴发动机压气机叶片出现严重的几何变形，导致发动机功率下降、叶片裂纹等故障。不得不提前更换发动机，维修间均寿命大幅缩短[5]。冲蚀严重影响航空发动机性能和可靠性，其主要影响表现在物理和化学两个机的磨损，穿透裂纹、轴承密封处和各种电器仪表的结合部等位置出现裂纹不良、产品损坏等称为物理作用。本文主要研究物理方面，化学方面不做涉表明[6-12]，转子叶片遭受砂尘冲蚀后，会极大地破坏叶片前缘、叶尖和后缘的会增大叶片的表面粗糙度，增大叶尖与机匣之间的间隙，叶片前缘弯曲、厚以及挠曲变形等结构损伤进而导致叶片的强度减弱，如图 1.2-1.3 所示。为更领域的技术发展，开展高速砂尘连续冲蚀研究显得十分迫切和重要。

图 1. 3 冲蚀引起叶片的损伤形式[13]高速砂尘连续冲蚀研究对于预测压气机转子叶片在工作转速下受砂尘的冲蚀损伤程度十分重要。若要通过搭建真实压气机转子叶盘在工作转速下受砂尘冲蚀试验台的代价不菲且无法控制试验变量，不是研究冲蚀机理的理想途径。因此研究和设计新型固体颗粒冲蚀磨损试验系统用以评价材料抗冲蚀性能由为重要。本课题的提出正是为了解决这个问题。通过搭建一整套高速连续冲蚀试验系统，开展 TC4 平板受高速砂尘连续冲蚀的试验与仿真研究，可用于评价实际条件下叶片的损伤情况，进而对冲蚀的损伤规律进行分析，以更进一步增进叶片材料去除过程的认识，为后续抗冲蚀技术的研究打下理论基础。1.2 国内外研究现状1.2.1 冲蚀试验方法研究现状搭建相应的冲蚀磨损装置是采用试验法研究冲蚀磨损特性的重要基础，在试验室中设计冲蚀磨损试验台的原则是设备结构简单、操作方便、性能稳定、经济适用等，其试验参数如冲蚀角度、冲蚀速度、粒子种类、冲蚀温度等应尽量接近实际工作状况。冲蚀磨损试验台按介质流

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本文编号：2760136