超燃沖壓發(fā)動機C-SiC復合材料燒蝕研究.pdf

1、熱防護是超燃沖壓發(fā)動機技術中一個重要的研究課題,耐燒蝕性能是評價和衡量熱防護材料的重要指標,是發(fā)動機設計的關鍵參數(shù),影響到發(fā)動機結構部件的工作效能和使用壽命。C/SiC復合材料是一種新型戰(zhàn)略性材料,具有低密度、耐高溫、高比模、高比強、脆性小、抗燒蝕、抗氧化和可靠性高等優(yōu)異性能,是超燃沖壓發(fā)動機理想的熱防護和熱結構材料,但工程上缺乏燒蝕計算模型和方法,本文對此展開研究。
　　基于對材料燒蝕機理的分析,認為本文條件下沖刷和機械剝蝕可以

2、忽略,材料主要發(fā)生熱化學燒蝕,且主燒蝕區(qū)SiC主要發(fā)生活性氧化。綜合考慮了溫度、壓力、氧化性組分O2和H2O濃度的影響,建立了有氧無水和有氧加水條件下C/SiC材料的熱化學燒蝕模型。針對等離子體風洞加熱(濕)空氣條件下C/SiC平板燒蝕實驗,對實驗導管進行了流場數(shù)值模擬,模擬結果與實驗吻合較好。將材料壁面流場參數(shù)代入編制的燒蝕程序,對材料的穩(wěn)態(tài)燒蝕進行了計算;各試片燒蝕厚度計算結果與實驗在一定程度上吻合,但由于受材料變形和流場未穩(wěn)定過程

3、的影響,部分試片在燒蝕厚度分布上與實驗存在差異。對于受這兩個因素影響較小的試片,主燒蝕區(qū)燒蝕厚度的平均相對誤差分別為10.2％和7.4%,說明本文建立的燒蝕模型和計算方法在一定程度上能夠預測C/SiC復合材料的燒蝕規(guī)律,為C/SiC復合材料在超燃沖壓發(fā)動機中的燒蝕計算及熱防護設計奠定了基礎。
　　對燒蝕受溫度、壓力、氧化性組分(O2和H2O)濃度影響的定量分析表明,材料的燒蝕總體上隨溫度、壓力、氧化性組分濃度的提高或其他氧化性組分

4、的加入而加劇。溫度低于1600K時燒蝕非常輕微,1600K~1900K之間燒蝕厚度增加相對較慢,1900K之后燒蝕厚度增加相對較快,燒蝕嚴重;燒蝕厚度隨壓力或H2O濃度呈近似拋物線變化規(guī)律;隨O2濃度呈近似線性變化規(guī)律。
　　進行了超燃沖壓發(fā)動機主燃燒區(qū)域壁面C/SiC復合材料燒蝕的初步計算。計算結果表明,下壁面燒蝕較嚴重,最嚴重位置位于凹腔后緣下游轉折處,60s最大燒蝕厚度達到4.7mm,燒蝕厚度分布規(guī)律和壁面溫度分布規(guī)律相似。