【摘 要】
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航空器在飞行与起降的过程中,航空发动机吸入的颗粒物在内部输运的同时会冲蚀各部件,缩短各个部件的使用寿命,提高其发生故障的概率,其中对压气机的影响最为显著。长时间的冲蚀会导致压气机叶片的叶尖间隙和表面粗糙度增大、厚度减薄,导致压气机喘振裕度减小、效率降低,发动机高空中喘振和熄火的风险增大,燃油消耗率提高。给航空发动机的安全性与经济性带来巨大影响。所以合理的预测不同冲蚀机制与因素影响下压气机叶片常用材
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航空器在飞行与起降的过程中,航空发动机吸入的颗粒物在内部输运的同时会冲蚀各部件,缩短各个部件的使用寿命,提高其发生故障的概率,其中对压气机的影响最为显著。长时间的冲蚀会导致压气机叶片的叶尖间隙和表面粗糙度增大、厚度减薄,导致压气机喘振裕度减小、效率降低,发动机高空中喘振和熄火的风险增大,燃油消耗率提高。给航空发动机的安全性与经济性带来巨大影响。所以合理的预测不同冲蚀机制与因素影响下压气机叶片常用材料TC4的冲蚀率,对于提高航空发动机的安全性与经济性有着重大意义。本文针对压气机叶片常用材料TC4的冲蚀磨损规律进行了理论分析、试验与数值仿真研究,具体的研究内容如下:（1）梳理了目前普遍使用的冲蚀理论,指出除了颗粒粒径、冲击速度与冲击角外,颗粒形状也是影响材料冲蚀率的主要原因。基于此对变形磨损理论作出优化,对于变形磨损部分考虑了颗粒撞击造成材料弹性变形消耗的能量;在切削磨损部分引入颗粒形状影响系数,该系数为小于1的无量纲数,其值取决于颗粒的粗细与尖锐程度。（2）设计并搭建了气流喷砂式冲蚀试验平台,使用Al2O3颗粒对TC4平板进行冲蚀试验,通过改变颗粒粒径、冲击速度与冲击角得到不同条件下的冲蚀率,以此分析冲蚀磨损的变化规律。研究得出,冲蚀率随冲击速度与颗粒粒径的增大而增大。随着冲击角的增大,冲蚀率先增大后减小,在30°时冲蚀率达到最大。颗粒冲击速度从90m/s提高到132m/s的过程中,90°时冲蚀率增大较为平缓,增量为0.47mg/g;30°时冲蚀率增大较为迅速,增量为0.68mg/g。（3）将试验数据代入优化后的变形磨损理论公式,将公式计算的冲蚀率结果与试验值作对比,发现磨损系数会随着冲击速度的增大而减小,变形磨损系数要显著高于切削磨损系数。将计算的磨损系数代入优化后的变形磨损理论,计算得到的冲蚀率与试验结果吻合较好,说明优化后的变形磨损理论在考虑颗粒形状的影响后,可以较为准确的计算TC4材料的冲蚀率。（4）建立不同条件下多颗粒随机冲蚀TC4平板的数值仿真模型,研究由于高低冲击角导致的不同冲蚀机制下,颗粒形状与冲击速度对冲蚀率的影响,并将仿真结果与试验进行对比。研究发现在30°时,正方体颗粒的冲蚀率与试验结果相符,其棱角与材料的相对运动更符合刀具切削的过程;90°时,球形颗粒的冲蚀率与试验结果相符,可较好地模拟冲蚀过程中对材料造成的剪切和挤压作用;在30°-60°冲击角范围内,当球形颗粒与正方体颗粒的比例为1:4时,其数值仿真冲蚀率与试验结果较为符合。
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