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      1Cr15Ni4Mo3N不銹鋼航空發(fā)動機(jī)葉片外物損傷規(guī)律研究

      2023-01-10 02:32:40黃宗崢米棟李堅郭小軍趙振華汪文君
      機(jī)械制造與自動化 2022年6期
      關(guān)鍵詞:鋼珠前緣半徑

      黃宗崢,米棟,李堅,郭小軍,趙振華,汪文君

      (1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所,湖南 株洲 412002;2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)試驗室,江蘇 南京 210016)

      0 引言

      噴氣式飛機(jī)在起飛、降落或低空飛行時,航空發(fā)動機(jī)在吸入空氣的同時可能會吸入石塊、砂粒、螺栓或鉚釘?shù)扔参?,會對風(fēng)扇或壓氣機(jī)葉片造成外物損傷[1](foreign object damage,F(xiàn)OD)。外物損傷會嚴(yán)重影響葉片疲勞強(qiáng)度,使得葉片在工作過程中發(fā)生難以預(yù)估的疲勞斷裂,引發(fā)嚴(yán)重的飛行事故。發(fā)動機(jī)葉片的外物損傷嚴(yán)重影響飛行安全,且維修費(fèi)用昂貴。因此,研究葉片外物損傷規(guī)律對葉片的抗外物損傷設(shè)計具有重要借鑒意義。

      20世紀(jì)90年代中期,美國HCF計劃中分析對比了6種FOD模擬試驗方法[2]:機(jī)械加工缺口法、擺錘/落錘法、螺線槍法、準(zhǔn)靜態(tài)擠壓法、空氣炮法以及整機(jī)吸入試驗。從理論上講,能夠精確模擬FOD的試驗方法只有整機(jī)吸入試驗,但由于試驗費(fèi)用巨大,一般不用于實驗室模擬。THOMPSON S R等[3]運(yùn)用不同的試驗?zāi)M方法進(jìn)行外物損傷模擬試驗,認(rèn)為空氣炮法可通過大量的經(jīng)驗積累來達(dá)到準(zhǔn)確模擬FOD的試驗方法。南京航空航天大學(xué)自主研制了空氣炮高速彈道沖擊試驗系統(tǒng),進(jìn)行發(fā)動機(jī)葉片的外物損傷試驗研究。2014年,劉超等[4]研究了空氣炮法模擬葉片F(xiàn)OD的可行性,研究表明使用空氣炮法預(yù)制損傷處具有材料丟失、剪切撕裂、微裂紋、塑性變形等真實FOD的損傷特征。

      早在1982年,美國NICHOLAS T等[5]用平板試件模擬葉片,研究小型硬體外物對壓氣機(jī)葉片的損傷,試驗分析了外物材料、形狀、速度等因素與損傷形式、損傷程度的關(guān)系,并提出了能夠定量描述損傷情況的臨界損傷速度和幾何標(biāo)度的概念。2003年,NOWELL D等[6]研究了沖擊角度、前緣半徑和葉片楔角對損傷的影響。2020年,ZHAO Z H等[7]通過空氣炮法進(jìn)行了FOD模擬試驗,詳細(xì)研究了試樣的宏觀和微觀沖擊損傷。

      本文以不銹鋼模擬葉片為研究對象,通過空氣炮法研究不同外物類型、外物尺寸、沖擊速度、沖擊角度以及前緣半徑對損傷規(guī)律的影響,為之后高周疲勞試驗做了準(zhǔn)備,同時可為航空發(fā)動機(jī)葉片抗外物損傷設(shè)計提供依據(jù)。

      1 試驗方法

      1.1 試驗對象

      試驗對象為兩種前緣半徑的模擬葉片,模擬葉片材料為1Cr15Ni4Mo3N不銹鋼,材料參數(shù)見表1。不銹鋼模擬葉片選用厚度為2 mm的不銹鋼板材,根據(jù)HB5277—84標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工,如圖1所示。

      表1 1Cr15Ni4Mo3N不銹鋼材料屬性

      圖1 模擬葉片具體尺寸圖

      外物損傷試驗中,采用200 m/s和280 m/s兩種不同的沖擊速度,分別以30°和60°沖擊角對兩種前緣的不銹鋼模擬葉片進(jìn)行沖擊試驗,沖擊示意圖如圖2所示。

      圖2 沖擊示意圖

      1.2 外物材料特性

      空氣炮模擬外物損傷試驗采用鋼珠、玻璃珠和金屬塊3種外物,如圖3所示。鋼珠和玻璃珠分別采用直徑2 mm和3 mm兩種尺寸;金屬塊采用與直徑2 mm和3 mm鋼珠體積相同的兩種尺寸,棱長分別為1.612 mm、2.418 mm。鋼珠和金屬塊采用GCr15軸承鋼作為原材料。軸承鋼以及玻璃的材料參數(shù)如表2所示。

      圖3 外物實物圖

      表2 外物材料參數(shù)

      1.3 試驗方法

      本文共開展了包含不同前緣半徑、外物類型、外物尺寸、沖擊速度及沖擊角度的48件不銹鋼模擬葉片外物損傷試驗。

      使用南京航空航天大學(xué)自主開發(fā)的NH-10空氣炮試驗系統(tǒng)開展外物損傷試驗,試驗設(shè)備如圖4所示。試驗后的損傷缺口采用三維體視顯微鏡進(jìn)行測量,從而得到損傷深度尺寸及損傷寬度尺寸。

      圖4 NH-10型空氣炮試驗系統(tǒng)

      2 結(jié)果與討論

      2.1 損傷類型

      外物撞擊葉片形成的缺口損傷形式有多種,有缺口、鼓包和撕裂。發(fā)射鋼珠和玻璃珠產(chǎn)生的損傷形式主要分為兩種:缺口和鼓包,如圖5所示;發(fā)射金屬塊產(chǎn)生的損傷形式主要分為3種:缺口、鼓包以及撕裂,如圖6所示。

      圖5 典型的鋼珠/玻璃珠沖擊損傷形式

      圖6 典型的金屬塊沖擊損傷形式

      2.2 外物損傷規(guī)律分析

      根據(jù)外物損傷試驗所得結(jié)果,分析不同外物類型、外物尺寸、沖擊速度、沖擊角度以及前緣半徑對葉片損傷的影響。根據(jù)2.1節(jié)所述,因為損傷類型有所不同,故在作圖時對某些點(diǎn)進(jìn)行了標(biāo)注,在此說明:未標(biāo)注損傷類型為缺口,圓形標(biāo)注損傷類型為鼓包,方形標(biāo)注損傷類型為撕裂。

      1)外物類型的影響

      圖7、圖8為不同外物類型對不同前緣半徑損傷的影響。選取了外物尺寸為2 mm和3 mm(由于金屬塊的體積與鋼珠相同,所以圖中并未以其棱長作為圖例),沖擊角度為30°,沖擊速度為280 m/s的試驗工況點(diǎn)。由圖可得,在0.09 mm前緣半徑的損傷中,由于鋼珠和金屬塊的密度和硬度比玻璃珠大,導(dǎo)致鋼珠和金屬塊的能量都大,所以損傷寬度和深度以玻璃珠、鋼珠、金屬塊依次增大。其中金屬塊所造成的損傷比鋼珠和玻璃珠損傷都要大,這是由于金屬塊的形狀所導(dǎo)致的。在0.1 mm前緣半徑的損傷中表現(xiàn)出的情況與0.09 mm前緣半徑的損傷有明顯不同,其中鋼珠造成的損傷寬度和深度大于玻璃珠,但是金屬塊造成的損傷寬度和深度有明顯減小。因為金屬塊為方形,金屬塊與葉片發(fā)生撞擊時金屬塊的撞擊姿態(tài)是不能控制的,所以金屬塊在0.1 mm前緣半徑損傷中在某些工況下?lián)p傷寬度和深度減小。

      圖7 外物類型對0.09前緣半徑損傷的影響

      圖8 外物類型對0.1 mm前緣半徑損傷的影響

      2)外物尺寸的影響

      圖9、圖10為不同外物尺寸對不同前緣半徑損傷的影響。選取不同外物類型,沖擊角度為30°,0.09 mm前緣半徑?jīng)_擊速度為200 m/s,0.1 mm前緣半徑?jīng)_擊速度為280 m/s的試驗工況點(diǎn)。由圖可得,不管前緣半徑是0.09 mm還是0.1 mm,沖擊損傷寬度和深度都隨著外物尺寸的增大而增大。尤其是鋼珠和金屬塊尺寸的增大對損傷深度的影響較多,這是因為鋼珠和金屬塊沖擊能量要比玻璃珠大得多。

      圖9 外物尺寸對0.09 mm前緣半徑損傷的影響

      圖10 外物尺寸對0.1 mm前緣半徑損傷的影響

      3)沖擊速度的影響

      圖11、圖12為不同沖擊速度對不同前緣半徑損傷的影響。選取3 mm的鋼珠和玻璃球,棱長2.4 mm的金屬塊,沖擊角度為30°的試驗工況點(diǎn)。由圖可得,前緣半徑不管是0.09 mm還是0.1 mm,損傷類型為缺口的情況下,損傷寬度和深度都隨速度增大而增大。當(dāng)損傷類型為鼓包的情況下,速度大小對損傷寬度和深度的影響并沒有表現(xiàn)出一種規(guī)律。同時,沖擊速度對損傷類型也有影響,這一點(diǎn)也可以從2.2節(jié)2)中可以看出。沖擊速度的升高意味著外物能量的提升,所以導(dǎo)致速度低的情況下鼓包比速度高的情況鼓包較多。從圖11中還可以看出,玻璃球?qū)?.09 mm前緣半徑的沖擊損傷中,200 m/s速度沖擊的損傷類型為缺口,而280 m/s速度沖擊的損傷類型為鼓包,這是由于沖擊角度的影響而導(dǎo)致的人為試驗誤差。

      圖11 沖擊速度對0.09 mm前緣半徑損傷的影響

      圖12 沖擊速度對0.1 mm前緣半徑損傷的影響

      4)沖擊角度的影響

      圖13、圖14為沖擊角度對不同前緣半徑損傷的影響。選取2 mm的鋼珠和玻璃球,棱長1.6 mm的金屬塊,沖擊速度為280 m/s的試驗工況點(diǎn)。從圖中可得,沖擊角度對損傷寬度和深度的影響并不是特別明顯,但是可以明顯發(fā)現(xiàn)沖擊角度為60°時,損傷類型鼓包和撕裂明顯比沖擊角度為30°時要多。

      圖13 沖擊角度對0.09 mm前緣半徑損傷的影響

      圖14 沖擊角度對0.1 mm前緣半徑損傷的影響

      5)前緣半徑的影響

      圖15為不同前緣半徑的影響。選取了鋼珠所有的試驗工況點(diǎn)。從圖中可以看出前緣半徑對損傷寬度和深度并沒有明顯的影響。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因有兩點(diǎn):第一,前緣半徑相差不多,導(dǎo)致試驗結(jié)果沒有明顯的特征;第二,由于沖擊角度的影響,導(dǎo)致試驗存在人為的瞄準(zhǔn)誤差。

      圖15 前緣半徑對損傷的影響

      3 結(jié)語

      本文使用空氣炮法開展了外物損傷試驗,研究了不銹鋼模擬葉片的外物損傷規(guī)律。通過不同工況(外物類型、外物尺寸、沖擊速度、沖擊角度、前緣半徑)的試驗結(jié)果,分析了試驗參數(shù)對損傷寬度與深度的影響,得到了以下結(jié)論。

      1)外物材料類型對沖擊損傷影響十分明顯,主要表現(xiàn)在材料的密度及硬度上。硬度較大的外物更易切削材料,造成的損傷深度較大;材料密度與沖擊能量相關(guān),能量越大,造成的損傷越大。

      2)外物尺寸、沖擊速度對損傷寬度與深度的影響都呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系,這也是由于沖擊能量的影響。

      3)外物損傷寬度和深度均與沖擊角度和前緣半徑之間沒有明顯關(guān)系。

      4)沖擊速度和沖擊角度對損傷類型有較大影響,沖擊角度越大、沖擊速度越小時,鼓包型損傷明顯增多,沖擊角度越大、沖擊速度越大時,撕裂型損傷明顯增多。

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