摘要
直升机具备优异的起降、悬停性能和良好的低空飞行能力，是高原和沙漠等地区执行灾后救援、物资运输、作战护航等紧急任务时的重要装备。涡轴发动机是直升机的核心动力装置，外部环境中的砂粒在旋翼下洗气流和发动机强大吸力的联合作用下对压气机叶片造成冲蚀损伤，累积扩展后破坏压气机叶片的结构完整性，导致转子系统产生不平衡故障振动，进一步诱发转静碰摩等非线性振动事故，严重危及发动机运行安全和直升机任务执行。然而，现有研究无法准确表征砂粒属性对压气机叶片的冲蚀磨损机制，尚未深入探讨发动机在机载条件和机动飞行时进气畸变和变转速工况等运行参数对叶片冲蚀磨损的影响规律，同时，叶片冲蚀损伤导致的燃发转子系统不平衡故障产生机理和分布规律不明，分布式的不平衡相位和不平衡幅值对转子系统振动响应的影响不清。因此，以某型涡轴发动机为研究对象，深入研究压气机叶片冲蚀损伤及燃发转子系统振动特性，为恶劣环境下涡轴发动机转子系统不平衡故障诊断和叶片抗磨损防护设计提供数据支持与理论指导。主要研究内容与结论如下： （1）基于经典冲蚀磨损理论推导颗粒对金属表面的磨损率表达式，设计并搭建基于PIV技术的砂粒冲击速度测试实验装置和钛合金冲蚀磨损实验装置，开展砂粒速度测试实验获得典型粒径和全粒径范围下的砂粒运动速度，结合不同冲击角度和速度下的钛合金冲蚀磨损实验，发现了砂粒对钛合金表面造成的冲蚀磨损是一种微切削和挤压变形共同作用的复合损伤模式，确定了典型粒径和全粒径范围下分别与砂粒速度和靶材材料相关的冲蚀磨损模型关键参数n和k，完成了冲蚀磨损理论模型的参数化研究。 （2）基于冲蚀磨损模型参数化实验结果，构建前1.5级压气机叶片冲蚀磨损气固两相流有限元模型，基于Rotor37转子流场特性、文献统计数据和叶片真实观测结果验证有限元模型的计算精度，分析了压气机动叶和静叶的冲蚀磨损分布规律和磨损率浓度值，发现了颗粒在流场中存在撞击、碰撞反弹再碰撞和自由游走等复杂运动轨迹，且动叶和静叶的冲蚀磨损集中区域不随着砂粒粒径的改变而变化，但磨损率浓度值存在差异，其中平均粒径为177μm砂粒对动叶和静叶造成的最大冲蚀磨损率浓度值相比423μm砂粒明显增加。 （3）建立压气机叶片全流道有限元模型，结合工程实际设定进气畸变参数，研究典型进气畸变角度下叶片的冲蚀磨损特性，发现了进气畸变显著地改变了叶片的冲蚀磨损特性，当进气畸变角度由30°扩大至90°时，与非畸变影响区的动叶相比，受进气畸变影响的动叶在前缘位置的磨损程度均增加。进一步将研究对象扩展至涡轴发动机整个轴流压气机部分，分析和量化慢车转速、稳态工作转速、设计转速和应急态转速下叶片冲蚀磨损特性，研究表明设计转速下动叶的冲蚀损伤程度明显比其他转速更高，而应急态转速下叶片的损伤程度有一定程度下降。 （4）综合颗粒属性和运行参数对叶片冲蚀磨损影响的研究结论，进一步计算叶片冲蚀损伤程度，表征因叶片冲蚀损伤导致的燃发转子不平衡激励，构建燃发转子系统动力学模型，开展动力学分析验证建模的准确性，研究叶片冲蚀损伤导致的燃发转子系统的涡动轨迹和不平衡振动图谱特征。发现叶片冲蚀损伤导致1级动叶叶盘和3级动叶叶盘的不平衡量分别是2级动叶叶盘的2.33倍和1.22倍，燃发转子系统在不平衡激励下的涡动轨迹与出厂前明显不同，当叶片冲蚀损伤导致的不平衡相位差为0°-180°-180°时支承位置的振动幅值最低，不平衡相位差组合为0°-0°-0°时振动幅值最高。当不平衡量从20g·mm增加到120g·mm时，设计转速下转子左侧支承位置和右侧支承位置的振动幅值分别增加97.1%和263.2%。
NETL