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吞砂对航空压气机叶片侵蚀及性能影响分析

摘要

航空发动机由于其应用环境的特殊性，需要具备在恶劣工况中稳定运行的能力。飞

机在起飞和降落的过程中会面临多砂环境，此时由风扬起的尘土、砂粒等异物颗粒会随

空气被吸入航空发动机内，这些异物会在气流曳力的作用下不断加速，对发动机部件产

生磨损，导致其性能下降甚至引起发动机故障，降低其运行的可靠性和使用寿命。在靠

近沙漠地带或近海地区的机场，砂粒对性能的影响则大大增加。压气机作为航空发动机

最接近进气环境的核心部件，受砂粒的侵蚀作用也是最明显的，压气机部件的磨损和砂

粒的吸入，都会对压气机特性产生影响，因此本文以航空发动机吞砂作为研究背景，以

跨声速轴流压气机转子NASARotor37为研究对象，通过数值模拟的方法对砂粒的运行

轨迹、侵蚀分布和特性变化进行仿真研究。

首先利用肘管模型的磨损实验数据对Archard磨损模型和CFD-DEM耦合方法进行

验证，确定合适的磨损系数，并证明其对侵蚀量的计算具有一定的可靠性，为后续压气

机模型的仿真计算提供基础。

其次基于欧拉-拉格朗日多相流模型，利用CFD-DEM耦合方法对气固两相流进行

模拟仿真，计算颗粒在压气机中的速度、运动轨迹、碰撞位置等动力学参数，再通过侵

蚀模型得到压气机内机匣、叶片、轮毂等壁面的磨损分布和磨损量，确定不同粒径、不

同吞砂量和不同转速下磨损位置和磨损量的不同。结果表明，叶片受到的侵蚀主要发生

在压力面叶顶部分，磨损量远大于机匣和轮毂的磨损，机匣表面的侵蚀面积比轮毂更大；

同等吞砂量下，直径较小的颗粒造成的侵蚀量更小，侵蚀范围内侵蚀量分布更均匀，而

直径较大的颗粒造成的侵蚀量较大，但侵蚀范围内侵蚀量分布较为集中。吞砂量和转速

的改变对各部件磨损分布规律没有太大影响，对于壁面的侵蚀差异主要还是集中在侵蚀

量的变化。

最后使用ANSYSCFXTM软件，对Rotor37的吞砂过程进行数值仿真，获得不同

工况下压气机的特性变化，比较不同的吞砂条件对压气机性能和流场的影响。数值计算

结果表明，砂粒的吞入会降低压气机的进气流量、增压能力和效率，引起性能恶化，增

加流场内低能流体的流动范围，堵塞流道。对于不同的吞砂条件，颗粒直径越小、吞砂

量越大，对压气机性能的影响越明显。

关键词：压气机吞砂；气固两相流；数值模拟；磨损；性能恶化

吞砂对航空压气机叶片侵蚀及性能影响分析

Abstract

Duetotheparticularityofitsapplicationenvironment,aero-engineneedstohavethe

abilitytorunstablyinharshworkingconditions.Intheprocessoftakeoffandlanding,aircraft

willfaceasandyenvironment.Atthistime,dust,sandandotherforeignparticlesraisedbythe

windwillbesuckedintotheaircraftenginewiththeair.Theseforeignparticleswillaccelerate

underthedragforceoftheairflow,causingwearandtearonenginecomponents,leadingto

thedeteriorationofitsperformanceandevenenginefailure,andreducingitsreliabilityand

servicelife.Atairportsneardesertsoroffshore,theimpactofsandonperformanceisgreatly

increased.Asthecorecomponentofaero-enginethatisclosest