固体颗粒冲蚀下叶片涂层损伤与脱落的数值模拟

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1、固体颗粒冲蚀下叶片撩层损伤与脱落的数值模拟191固体颗粒冲蚀下叶片涂层损伤与脱落的数值模拟NumericalSimulationofBladeCoatingRemovalbySolidParticleImpacts邓瑛，闰晓军，聂景旭(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100083)DINGYing，YANXiao-iun，NIEJing-xu(SchoolofJetPropulsionBellingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100083，China)摘要：在发动机使用过程中

2、存在着固体颗粒对部件的冲蚀磨损，这不仅直接导致了发动机效率的降低而且严重时可能诱发飞行事故。本工作以叶片踩层为对象，研究其受固体颗粒冲蚀过程中损伤的演化过程．为此，首先进行了叶片流场的计算。获得了粒子在叶片任意部位的冲蚀初始速度、碰撞角度等参数．其次，使用数值方法获得了叶片涂层材料的抗冲蚀性能。在研究中，通过对单十固体颗粒冲蚀过程的模拟。提出了“碰撞有救影响区域”的概念．使得多个固体颗粒连续冲蚀数值模拟得以实现。并通过模拟“碰撞有效影响区域”内材料受到多个固体颗粒连续冲蚀的过程获得材料的冲蚀磨损性能．在此基础上，将流场数据和涂层抗冲蚀磨损性能数据

3、相接舍来模拟叶片涂层的冲蚀过程，指出了涂层薄弱环节并预测了涂层寿命。美键词：冲蚀；磨损；叶片；涂层}sPH方法I寿命预测Abstract：Aero-enginesoperatinginaparticulateflowenvironmentexperienceerosionand．perform—antedeterioration．Thepaperinvestigatedsolidparticleerosiontoabladecoatingandproposesanu‘mericalmethodtOmodelit．Inoneaspect，compu

4、tationofparticulateflowhadbeencarriedoutwhichindicatedimpactingvelocityandattackangletOtheeveryregionofblade．Inotheraspect，sincelimit—edcomputerresources．theconcept“Effectiveerosionregion”isproposedbasedonsimulationofsin—glesolidparticleimpacttesttOmakethesimulationoferosiono

5、ftheregionbymultiplesolidparticlespossibleandwhichshowserosionresistanceperformanceofcoatingmaterial．Then，bladecoatingero—sionprocesscanbesimulatedbycombiningbothofthedataandresultindicatesthe“criticalregion”andpredictsthecoatingiire．Keywords：erosion；abrasion；blade；coating；SP

6、Hmethod；lifeprediction固体粒子冲击或冲刷造成材料的损耗是工业生产中很多机器设备、零部件损坏／报废的重要原因，磨损所造成的能源和材料消耗是十分惊人的。在航空工业领域，磨损每年造成的损失为134亿美元[1]。特别在航空发动机工作过程中，吸人沙粒对叶片的冲蚀磨损不仅直接导致了发动机性能的下降，严重时还可能引起严重的飞行事故。此外，国内对于航空发动机叶片寿命设计，主要考虑的是高、低周疲劳以及蠕变引起的损伤，而未考虑磨损、外物打伤、腐蚀等造成的损伤，使得在一些情况下，叶片在试验器上的寿命长于外场使用寿命。因此，考虑磨损及外物打伤对发动

7、机叶片寿命方面的影响，将会提高发动机叶片寿命预测的精度。本工作以发动机粒子分离器叶片涂层为对象，研究固体颗粒对其的冲蚀磨损过程。目前，人们广泛使用了数值模拟方法对冲蚀过程进行研究，研究过程分为两个步骤，首先需要对两相流流动进行模拟，其次为材料冲蚀性能方面的研究。材料的冲蚀表现为带粒气流和材料发生相互作用的过程，因此人们对材料冲蚀磨损过程的研究首先体现在对两相流流动的模拟上。虽然该方面的研究取得了一定的进展，但是其在预测材料冲蚀过程时需要引入由冲蚀试验得出的经验公式，这使得该方法对试验数据依赖性很大。另一方面，对材料冲蚀理论的研究虽然取得了一定的进

8、展，提出了相关的冲蚀假设，但是在模拟材料的冲蚀过程时，由于需要大量的计算资源，使得对多个固192材料工程／2006年第十三届发动机结构强