钛合金高温摩擦着火理论研究

钛合金燃烧是现代航空发动机的典型灾难性事故,压气机转子与静子的异常摩擦是主要的着火源.本文基于非均相着火理论建立了考虑摩擦热源的钛合金着火模型,推导了着火温度和着火延迟时间的理论计算公式,进而分析摩擦系数、氧浓度、流速、接触半径以及阻燃层等因素对着火参数的影响规律.结果表明:当摩擦接触区的瞬时温度低于临界生热温度时,生热过程由摩擦热主导;当高于临界生热温度时,生热过程由化学反应热主导.降低摩擦系数可以显著提高着火温度,而摩擦系数的变化对着火延迟时间影响很小.着火温度随着氧浓度的增大和流速的减小均呈明显下降趋势.当氧浓度从21%增加至42%、流速从310 m/s下降至50 m/s时,着火温度分别降低约213 K和197 K.实验结果与理论计算值的相对误差为8.3%,验证了模型的可靠性.阻燃层可以明显提高钛合金的着火温度和着火延迟时间,带阻燃层的钛合金的着火温度提高约172 K,着火延迟时间提高约3 s.

航空发动机钛合金在微尺度下摩擦着火特性数值计算分析

叶片与机匣的异常摩擦是航空发动机钛火发生的主要热源。将航空发动机钛合金摩擦着火过程的微凸起/微碎片作为研究对象,建立考虑摩擦热源的微尺度着火模型,计算分析了粒径、摩擦系数、氧浓度和流速等因素的影响规律,并与经典模型进行比较。结果表明:临界着火温度及延迟时间随着粒径的减小不断降低,随着摩擦系数下降不断增大,随着氧浓度增加不断降低,随着流速的提高而呈上升趋势;当粒径为82.5μm时,经典模型与摩擦模型的临界着火温度分别为825K和677K,着火延迟时间分别为0.035s和0.032s;当摩擦系数减小0.2时,其临界着火温度提高约20K,而着火延迟时间提高约10s;当氧浓度为50%时,经典模型与摩擦模型的着火温度分别为826K和782K;当流速为310m/s时,经典模型与摩擦模型的着火温度分别为966K和964K,着火延迟时间分别为0.54s和0.43s。